機器人教育在自動化專業(yè)創(chuàng)新人才培養(yǎng)中的理論與實踐

李湛 林偉陽 楊學(xué)博

摘要：文章在分析機器人教育特點的基礎(chǔ)上，將信息技術(shù)與教育教學(xué)深度融合，針對自動化專業(yè)創(chuàng)新人才培養(yǎng)，提出了基于互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)的“課堂教學(xué)——實踐教學(xué)——課外科技”協(xié)同機制，“教學(xué)——科研——創(chuàng)新”協(xié)同機制，著力發(fā)展在線開放課程等機器人教育教學(xué)方法。

關(guān)鍵詞：機器人教育;教學(xué)方法;教學(xué)過程;自動化專業(yè)

近年來，我國的機器人教育得到了普遍關(guān)注，但機器人教育和機器人創(chuàng)新教育還沒有系統(tǒng)化地普及到各個專業(yè)中。所以，必須有針對性地在不同專業(yè)中開展機器人教育，利用教師課堂教學(xué)、課下輔助指導(dǎo)，將機器人作為素質(zhì)教育的平臺，培養(yǎng)我國機器人技術(shù)開發(fā)的后備力量。

1 機器人教育的特點

綜合國內(nèi)外高校中機器人教育的特點，以自動化專業(yè)創(chuàng)新人才培養(yǎng)為例，一般具有如下特點：

1.1機器人教育具有多種多樣的形式。

機器人教育既可以采用課堂教學(xué)來進行，也可以作為學(xué)習(xí)平臺供學(xué)生使用。例如，在理論課上可以通過專任教師的講解，使學(xué)生理解機器人的運動學(xué)模型、動力學(xué)模型，以及針對機器人模型設(shè)計幾種合理的控制方法;在實踐課中，教師指導(dǎo)學(xué)生進行機器人項目的設(shè)計，并得到實驗性的成果。

1.2機器人教育課程具有多學(xué)科交叉性。

機器人課程具有明顯的跨學(xué)科、交叉性的特點，在自動化專業(yè)開設(shè)的機器人課程中，往往需要學(xué)生預(yù)先修讀過若干前導(dǎo)課程。例如“機器人學(xué)導(dǎo)論”這一課程，自動化專業(yè)的學(xué)生預(yù)先掌握運動學(xué)建模、動力學(xué)建模，以及控制系統(tǒng)設(shè)計等相關(guān)知識。而由于這門課程還涉及計算機、機械設(shè)計等相關(guān)專業(yè)的知識，往往需要學(xué)生選修或自學(xué)完成一些其他專業(yè)的相關(guān)課程。

1.3機器人教育需要配備一定量的實驗課程。

在機器人課程中一般都配有一定量的實驗課程，在實驗中重視“做中學(xué)”。例如國內(nèi)外的機器人競賽中，幾乎都需要學(xué)生完成從開發(fā)、設(shè)計到制作這一流程，使學(xué)生形成具有個性化的創(chuàng)造性思維，親自參與到實體機器人的制作當中，在這個過程中既可以鍛煉學(xué)生的動手能力，又提高了學(xué)生的協(xié)調(diào)能力。

1.4機器人教育具有科技前沿性。

隨著機器人技術(shù)的快速發(fā)展，目前各個領(lǐng)域中都已經(jīng)存在機器人的廣泛應(yīng)用。例如野外移動機器人森林防火、無人機物流配送、無人艇海洋環(huán)境監(jiān)測等。因此在當前的自動化專業(yè)中，機器人課程應(yīng)當結(jié)合機器人技術(shù)在前沿科技中的應(yīng)用，使學(xué)生了解最新的機器人技術(shù)應(yīng)用，做到理論聯(lián)系實際。

1.5機器人教育可以使學(xué)生自主地發(fā)揮其創(chuàng)新能力。

在機器人開發(fā)、設(shè)計、制作這一過程中多數(shù)是以團隊為單位，以學(xué)生為中心在教師的指導(dǎo)下開展機器人活動。因此，學(xué)生具有較大的想象空間，可以自主發(fā)揮其創(chuàng)新能力。學(xué)生的自主性增強，從而使作品具有更好的創(chuàng)新性。

2 機器人教育的教學(xué)方法

為提高人才培養(yǎng)的質(zhì)量，當前高校的創(chuàng)新教育改革成為一個重要突破口。實施信息技術(shù)與教育教學(xué)的深度融合這一方法，可以推動創(chuàng)新教育改革，并且?guī)訖C器人、虛擬現(xiàn)實、人工智能等技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用。針對自動化專業(yè)中的機器人教育，可以結(jié)合以下幾種方式開展機器人教學(xué)。

第一，基于互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)的“課堂教學(xué)—實踐教學(xué)—課外科技”協(xié)同機制。將課堂教學(xué)與實踐教學(xué)相結(jié)合，主導(dǎo)學(xué)生通過課堂教學(xué)掌握機器人相關(guān)的理論知識，并在課程中引入典型的工程案例進行設(shè)計討論，使學(xué)生對工業(yè)中各個應(yīng)用部件、設(shè)備及其作用有一個直觀認識。通過課外機器人競賽等活動在教師的指導(dǎo)下將理論知識、實踐能力和工程應(yīng)用背景有機結(jié)合。

第二，基于互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)的“教學(xué)—科研—創(chuàng)新”協(xié)同機制。學(xué)生的理論知識、創(chuàng)新實踐、創(chuàng)新思想來源于教學(xué)，并通過網(wǎng)絡(luò)共享平臺參與到自動化專業(yè)中由專任教師組成的科研團隊中，做到及時溝通，咨詢指導(dǎo)。學(xué)生利用實踐平臺自主開發(fā)設(shè)計實驗，培養(yǎng)學(xué)生自主獲取知識的能力。創(chuàng)新主要指大學(xué)生機器人大賽等競賽，以團隊組織形式的自主實踐活動。

第三，基于互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)著力發(fā)展在線開放課程，以教育信息化助推高等教育現(xiàn)代化?；谧詣踊瘜I(yè)的特點，重點突出與機器人教育相關(guān)的在線基礎(chǔ)課程。借助于信息化的教學(xué)平臺，開展課程教學(xué)問題發(fā)布、專題討論、網(wǎng)絡(luò)答疑、學(xué)生建議反饋、教學(xué)情況調(diào)研等教學(xué)輔助工作。

第四，綜合上述基于互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)的教學(xué)方法，針對不同需求的同學(xué)進行實踐課程的分層次設(shè)置。按照實驗教學(xué)要求和內(nèi)容的難易程度，分別開設(shè)“演示性”“驗證性”“設(shè)計性綜合性”和“創(chuàng)新研究性”實驗，適應(yīng)不同學(xué)生的學(xué)習(xí)進度、理解能力，充分挖掘?qū)W生綜合運用能力和創(chuàng)新能力。

3 機器人教育的教學(xué)過程

機器人教育以其領(lǐng)先的教學(xué)理念和特有的教學(xué)形式，成為開發(fā)和培養(yǎng)自動化專業(yè)人才的創(chuàng)造創(chuàng)新、團結(jié)協(xié)作、自主學(xué)習(xí)、語言交流等能力的一個重要手段。

第一，機器人課程的驅(qū)動式講解，提升學(xué)生的自我認知能力。構(gòu)建機器人教學(xué)的驅(qū)動式課堂，以富有思考價值的機器人實際工程案例為載體，以機器人技術(shù)問題引發(fā)的內(nèi)驅(qū)力為助推，以機器人技術(shù)問題的探究解決為歸宿，讓學(xué)生參與發(fā)現(xiàn)問題、提出問題、分析問題、解決問題的過程，實現(xiàn)對機器人教育活動的深度參與和主動構(gòu)建。

第二，機器人的程序設(shè)計與調(diào)試，培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)學(xué)邏輯能力。對于自動化專業(yè)來講，機器人設(shè)計的實現(xiàn)最后都離不開對機器人的模型構(gòu)建以及機器人的運動控制。學(xué)生應(yīng)該至少掌握一種編程語言，將數(shù)學(xué)語言通過程序設(shè)計變成計算機可以識別的語言在開發(fā)平臺上應(yīng)用。在這樣嚴密的程序設(shè)計與調(diào)試過程中，可以提升學(xué)生的邏輯思維能力。

第三，機器人設(shè)計不僅包括程序的開發(fā)、設(shè)計與調(diào)試，還包括機器人的外觀設(shè)計與結(jié)構(gòu)搭建，在整個機器人教學(xué)過程中，需要學(xué)生自己動手參與到整個“做中學(xué)”機器人課程，不僅開發(fā)和培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)造能力，更鍛煉了學(xué)生的動手能力。

第四，機器人活動的團隊形式，提高學(xué)生的語言表達能力和人際溝通能力。機器人活動的開展通常以項目為一個單元，并且以一個團隊作為一個活動單位，在這種組織形式下可以增強學(xué)生項目管理的能力、小組團隊協(xié)作能力，以及組員間的人際交流能力。

第五，機器人創(chuàng)新的模擬和想象，發(fā)展了學(xué)生的自然認知能力和空間想象能力。學(xué)生創(chuàng)新性地提出一種機器人的設(shè)計或控制方法，需要掌握最基本的科學(xué)研究過程和研究方法。在創(chuàng)新設(shè)計過程中使學(xué)生逐步理解可以將實際生活中遇到的各種問題運用科學(xué)的方法來解決，提升了學(xué)生采用科學(xué)方法解決實際問題的能力。

4 機器人教育的發(fā)展趨勢

第一，機器人教育不只是注重培養(yǎng)學(xué)生的動手能力，更重要的是培養(yǎng)出一批具有創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力的人，要求學(xué)生具備多學(xué)科的理論知識和很強的實踐能力。因此，希望未來可以探索一種結(jié)合多學(xué)科知識的創(chuàng)新教育方法，通過選修與機器人相關(guān)專業(yè)面向自動化開設(shè)的課程，以創(chuàng)新訓(xùn)練為平臺，培養(yǎng)一批具有多學(xué)科理論基礎(chǔ)的復(fù)合型自動化專業(yè)人才。

第二，將機器人教育與市場經(jīng)濟結(jié)合起來，實現(xiàn)科技向生產(chǎn)力轉(zhuǎn)換的目標。例如，機器人產(chǎn)商可以向高校提供最新產(chǎn)品進行教學(xué)與研究，而高校師生在實踐中可以對產(chǎn)品進行分析設(shè)計從而提出改進意見，研究其應(yīng)用形式，進一步可以后續(xù)提供生產(chǎn)指導(dǎo)，使得機器人產(chǎn)品產(chǎn)生更大的經(jīng)濟效益，達到高校與機器人相關(guān)企業(yè)的共贏。

第三，在機器人教育中，堅持學(xué)研相結(jié)合，強調(diào)學(xué)生創(chuàng)新思維能力和解決實際問題能力的培養(yǎng)。要求做到課上與課下、理論與實踐，注重課堂教學(xué)內(nèi)容與實際科學(xué)研究課題的結(jié)合，根據(jù)科學(xué)研究的進展，及時更新課堂教學(xué)內(nèi)容。例如，鼓勵學(xué)生參與到與機器人相關(guān)的國家級、省部級等重大項目的部分研究工作中，讓學(xué)生參與完成實際科研課題，接觸研究前沿，了解學(xué)科發(fā)展動態(tài)，綜合性、全方位地提高他們的科學(xué)研究素養(yǎng)。

5 結(jié)束語

機器人是人類的創(chuàng)新成果，是永無止境的研究課題，而機器人教育為科學(xué)教育、創(chuàng)新教育提供了更為廣闊的空間。適應(yīng)互聯(lián)網(wǎng)信息化的時代要求，結(jié)合多學(xué)科的理論知識，在自動化專業(yè)機器人課程中采用“課堂教學(xué)—實踐教學(xué)—課外科技”協(xié)同機制、“教學(xué)—科研—創(chuàng)新”機制，從而使專業(yè)教學(xué)及學(xué)生、教師通過循序漸進的教學(xué)過程更好地適應(yīng)社會進步帶來的要求，更好地實現(xiàn)為經(jīng)濟及社會服務(wù)的宗旨。

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