研討式案例教學在機器人教學中的實踐研究

◆

(中國石油大學〈北京〉機械與儲運工程學院)

一、機器人課程特點及問題

1.《機器人技術(shù)》課程特點

在《機器人技術(shù)》課程學習中，要求學生具有工程數(shù)學、理論力學、材料力學、機械原理、機械設計、控制理論和技術(shù)、電子電路、測試技術(shù)、制造技術(shù)等學科的基礎知識，因此是一門多學科交叉的課程，學習難度較大。該課程的教學目的與任務是使學生了解一般工業(yè)機器人技術(shù)及其工程應用的歷史和發(fā)展，通過學習機器人的基本概念和分類，掌握其基本結(jié)構(gòu)組成及功能，重點學習機器人運動學、動力學建模方法及控制技術(shù)，能夠進行簡單機器人的設計與控制。

2.存在的問題

(1)教材不統(tǒng)一。在目前的機器人教學中，存在多種版本的教材，有的偏向于數(shù)學基礎理論，有的偏向于結(jié)構(gòu)設計，有的偏向于控制，很難有一本教材做到覆蓋面廣，通俗易懂來適合本科生教學使用。

(2)教學形式單一。從教學環(huán)節(jié)來看，傳統(tǒng)教學模式中的課堂教學內(nèi)容、教學實驗和考試等環(huán)節(jié)都存在弊端。教學內(nèi)容陳舊，專業(yè)面狹窄，沒有反映現(xiàn)代機器人發(fā)展的水平。授課方式主要以教師講授為主，教學手段單一，學生被動聽講，缺少教師與學生的互動和課堂交流。

(3)與工程實際脫離嚴重。教學以基本理論為主，實驗課基本上為演示性、驗證性實驗，實驗內(nèi)容單調(diào)，實驗方式是按照實驗指導書所給定的實驗步驟，按部就班地進行操作。這樣的實驗模式與工程實際脫離嚴重，從而制約了學生主觀能動性的發(fā)揮，阻礙了學生的創(chuàng)新意識。

二、研討式案例教學方法在機器人課程中的實踐

1.在課堂教學中的實踐

我們首先在緒論部分引入目前世界最新機器人研究成果，引發(fā)了學生學習興趣。同時，結(jié)合工程實際，讓學生們調(diào)研和討論在石油開發(fā)中哪些領(lǐng)域可以應用機器人技術(shù)來提高工作效率。學生基于所學的石油課程背景以小組為單位匯報和總結(jié)，有的提出了深水石油開發(fā)機器人，有的提出了油氣存儲輸運裝置的維搶修機器人，有的則提出了全天候的檢測機器人，并闡述了他們的結(jié)構(gòu)和功能。學生在課堂上充分發(fā)揮想象力，各抒己見，老師只起到引導和輔助的作用，學生在整個學習過程中熱情高漲，取得了很好的效果。

同時，在學習各章節(jié)基礎知識中，我們引入了六自由度機械手，并應用Maltlab動畫模擬來進行案例教學，以此增強學生學習過程中的直觀性。首先，通過預先設定一條隨機離散點的正方形軌跡來學習機器人運動學中的正向運動學和逆向運動學。其次，通過此案例來計算正方形軌跡運動過程中的機械手速度和關(guān)節(jié)速度，以此引出雅可比矩陣知識點。由于正方形的軌跡設置的是隨機離散點，因此關(guān)節(jié)速度必然不連續(xù)，從而引出軌跡規(guī)劃的概念，通過應用多項式和拋物線插值方法解決速度不連續(xù)問題。從上可以看出，通過一個好的案例來貫穿整個教學過程，讓學生在整個過程中進行思考，針對問題提出解決方案，從而層層引出各章的知識點，明顯提高學生的學習效果。

2.在實驗教學中的實踐

在實驗中，我們采用高精度多自由度機器手，該機器手可以進行機器人的運動學和動力學分析、機器人的軌跡規(guī)劃等實際操作訓練，學生可以通過對機器人的親自組裝、調(diào)試和應用開發(fā)等創(chuàng)新實驗，全面掌握機電一體化技術(shù)的基本原理、典型應用、集成技術(shù)和應用開發(fā)。

我們在實驗前先給學生講解實際工程中機械手做焊接、搬運等工作時的工況要求，然后結(jié)合所學知識讓學生自己做方案設計。學生以小組形式開展調(diào)研和討論，然后在下一次課堂上進行匯報研討。小組將推選代表在課堂上進行闡述，從而全班師生一起進行課堂研討，教師則在聽取學員的匯報、明確學員的理解難點后，給出學生的學習結(jié)論，指明下一步學習的方向。

3.考核評價方法的改進

由于采用研討式案例教學方法，我們在評價體系中加大了課堂研討的比重。研討課主要以小組為單位進行，每個小組推選代表進行匯報，其他小組提問并討論。所以其考核評價方式將與傳統(tǒng)的教師唯一評價方式不同。首先學生需要給自己組內(nèi)其他同學評分，同時也需要為其他組評分，以此建立一套公開互評的評價機制。每位學生既是評價者，也是被評價者，從而可以避免教師單方面評價的弊端，并可以解決評價過程中出現(xiàn)的不公開公正的現(xiàn)象，進一步提高了學生在研討過程中的熱情和積極性。

三、總結(jié)

在機器人課程中引入研討式案例教學方法，以此活躍課堂氣氛，充分調(diào)動學生的積極性，引導學生由被動走向主動學習，啟發(fā)了學生思維和創(chuàng)造力，并鍛煉了他們分析問題和解決問題的能力。同時通過預設的特定案例來引導學生進行思考并提出解決方案，以此層層引出各章的知識點，明顯提升了學生對于重要知識點的掌握程度，從而顯著改善了該課程的教學質(zhì)量和水平。

參考文獻：

[1]雷靜桃，劉亮，張海洪.“機器人學”課程教學改革與實踐[J].實驗室研究與探索，2013，(05) ：179-182+190.