機(jī)器人學(xué)課程教學(xué)方法改革

李鴻 李亞斌 王旭峰 胡燦 王龍

摘 要 機(jī)器人學(xué)課程是學(xué)校面向機(jī)械電子工程專業(yè)本科學(xué)生所開設(shè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課。了解傳統(tǒng)教學(xué)現(xiàn)狀，分析研究教學(xué)過(guò)程中存在的問(wèn)題，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、考核方式等方面構(gòu)思機(jī)器人學(xué)課程建設(shè)方案及教學(xué)新方法。在機(jī)器人學(xué)課程教學(xué)中引入任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)方法，增加實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，構(gòu)建教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，激發(fā)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的興趣，著重培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力和創(chuàng)新思維，努力適應(yīng)新的教學(xué)方法，達(dá)到高質(zhì)量、高要求的教學(xué)目的。

關(guān)鍵詞 機(jī)器人學(xué)；教學(xué)改革；實(shí)踐教學(xué)；實(shí)驗(yàn)平臺(tái)；任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2018）16-0095-03

1 引言

隨著科技的不斷進(jìn)步，工業(yè)自動(dòng)化和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，機(jī)器人生產(chǎn)技術(shù)越來(lái)越成熟，在焊接、裝配等行業(yè)獲得廣泛應(yīng)用，在旅游、社會(huì)服務(wù)、醫(yī)療等領(lǐng)域的應(yīng)用贏得極好的美譽(yù)，為人們的生活提供了極大的便利。同時(shí)，人們對(duì)機(jī)器人學(xué)也進(jìn)行了深入研究。它是一門新的綜合性交叉學(xué)科，涉及科目很多，涉及知識(shí)面廣，涵蓋運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)、傳感技術(shù)、控制技術(shù)、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及應(yīng)用工程等內(nèi)容[1]。該課程的開設(shè)對(duì)學(xué)生的基礎(chǔ)知識(shí)有很高的要求，學(xué)習(xí)該課程有助于培養(yǎng)學(xué)生的綜合應(yīng)用能力和創(chuàng)新思維，也可以拓展強(qiáng)化機(jī)器人領(lǐng)域相關(guān)專業(yè)知識(shí)，同時(shí)對(duì)其他課程的研究具有重要的指導(dǎo)及理論支撐作用。目前，各高校、科研院所在對(duì)該課程內(nèi)容及其教學(xué)方法進(jìn)行深入研究[2]。

2 教學(xué)現(xiàn)狀分析

機(jī)器人學(xué)是為塔里木大學(xué)本科機(jī)械電子工程專業(yè)開設(shè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，目前教學(xué)過(guò)程以教學(xué)大綱為指引，用傳統(tǒng)的教師灌輸式教學(xué)為學(xué)生講授課程內(nèi)容，學(xué)生課后死記硬背。事實(shí)證明，這種教學(xué)方法限制了學(xué)生的創(chuàng)新潛力，形成思維定式，未能激發(fā)出學(xué)生的敏銳思維和創(chuàng)新動(dòng)力，從而影響了學(xué)生理解掌握課程的主要知識(shí)點(diǎn)，同時(shí)對(duì)學(xué)生的動(dòng)手操作能力及創(chuàng)新技能培養(yǎng)造成一定的影響[3]。經(jīng)深入調(diào)研分析歸納，教學(xué)中發(fā)現(xiàn)一些突出問(wèn)題。

學(xué)生對(duì)該課程的認(rèn)知度不高 針對(duì)機(jī)械電子工程本科生開設(shè)的機(jī)器人學(xué)課程，教學(xué)大綱要求學(xué)生熟悉機(jī)器人技術(shù)發(fā)展概況及其在生物生產(chǎn)、仿生機(jī)械、特種機(jī)器人等方面應(yīng)用的具體案例，掌握基本構(gòu)成、工作原理、動(dòng)力學(xué)分析、傳感控制系統(tǒng)等基本知識(shí)[4]。但在教學(xué)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對(duì)該門課程的積極性不高，認(rèn)為內(nèi)容多、難度大，不易理解，特別是對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)中矩陣的變換，運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)等理論的推導(dǎo)分析，產(chǎn)生消極態(tài)度，久而久之，導(dǎo)致失去學(xué)習(xí)的興趣。

授課形式單一 對(duì)于機(jī)器人技術(shù)的授課形式目前是教師課堂講授為主，以灌輸式教學(xué)占據(jù)主導(dǎo)地位，教學(xué)過(guò)程單調(diào)死板。如對(duì)于機(jī)器人手腕講解，教師按課本知識(shí)盡管講解很詳細(xì)，學(xué)生還是不能很好地理解機(jī)器人手腕的翻轉(zhuǎn)、俯仰、偏轉(zhuǎn)的具體位置和方向，想象不出關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)角度為360°以上是怎么樣的。這種單一的授課形式不能適應(yīng)機(jī)器人學(xué)現(xiàn)代教育教學(xué)的需要，遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于機(jī)器人技術(shù)的快速發(fā)展，結(jié)果是課堂上都是教師“一講到底”，學(xué)生擺脫不了“上課記筆記，下課對(duì)筆記，考試背筆記”的狀況。

重理論，輕實(shí)踐 機(jī)器人學(xué)課程教學(xué)為32學(xué)時(shí)，全部為理論教學(xué)，缺少實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)和典型機(jī)器人應(yīng)用案例。這就容易導(dǎo)致學(xué)生只注重理論知識(shí)，忽略了實(shí)踐能力的培養(yǎng)和鍛煉，只掌握了表層意思，而沒(méi)有理解課程的精髓。

3 教學(xué)改革思路

通過(guò)大量調(diào)研分析，對(duì)機(jī)器人學(xué)教學(xué)內(nèi)容及方法進(jìn)行綜合改革。通過(guò)改革，調(diào)整結(jié)構(gòu)，引入目前機(jī)器人領(lǐng)域最新研究成果，建立雙向交流的教學(xué)模式，改革傳統(tǒng)教學(xué)方式，增加現(xiàn)場(chǎng)、課堂分組討論教學(xué)環(huán)節(jié)，鞏固基礎(chǔ)理論知識(shí)，注重實(shí)踐教學(xué)，強(qiáng)化實(shí)踐鍛煉，提高學(xué)生對(duì)知識(shí)的綜合應(yīng)用能力，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)潛力和創(chuàng)新思維。

激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣 “興趣是最好的老師?！眱H課堂上單一地講授理論知識(shí)是不夠的，教師應(yīng)注重加強(qiáng)與學(xué)生的互動(dòng)，啟發(fā)學(xué)生思維，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)思考、學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生自主思維能力；上好第一堂課至關(guān)重要，在第一堂課中，教師應(yīng)給學(xué)生講解先進(jìn)的、最新的機(jī)器人應(yīng)用案例，結(jié)合相關(guān)機(jī)器人視頻，介紹今后機(jī)器人行業(yè)及領(lǐng)域的發(fā)展前景，讓學(xué)生感受現(xiàn)代科技發(fā)展的魅力，大力培養(yǎng)學(xué)生對(duì)機(jī)器人課程的學(xué)習(xí)興趣。

豐富教學(xué)手段

1）理論與實(shí)際相結(jié)合教學(xué)法。在講授理論知識(shí)的同時(shí)，一定要與實(shí)際相結(jié)合，列舉機(jī)器人在實(shí)際生活中的具體應(yīng)用。這種教學(xué)方法使學(xué)生在理解的同時(shí)達(dá)到掌握知識(shí)的目的，而不是死記硬背；并且有利于開闊學(xué)生的眼界，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)散思維能力與創(chuàng)新意識(shí)，使其綜合素養(yǎng)不斷提升。具體可以采用以下措施。

①采用實(shí)物模型輔助教學(xué)。尤其是機(jī)械部分，大部分學(xué)生立體想象能力較為薄弱，在課堂上用實(shí)物模型講解，讓學(xué)生實(shí)際動(dòng)手操作，幫助學(xué)生更好地理解機(jī)器人各機(jī)械部分的工作原理。

②采用PPT及視頻教學(xué)[5]。將重點(diǎn)、難點(diǎn)內(nèi)容在PPT中以圖文并茂的形式展現(xiàn)在學(xué)生面前，提出問(wèn)題讓學(xué)生討論解答，啟發(fā)思考，使學(xué)生參與其中；再結(jié)合視頻教學(xué)加深理解知識(shí)點(diǎn)，并對(duì)所學(xué)知識(shí)加以鞏固，使學(xué)生理解得更加透徹。

2）任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法。任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法是一種先進(jìn)的教學(xué)方法，以理論功底扎實(shí)為前提，結(jié)合學(xué)生的學(xué)習(xí)活動(dòng)及任務(wù)，以探索問(wèn)題為契機(jī)，引導(dǎo)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，模擬真實(shí)的教學(xué)環(huán)境，讓學(xué)生帶著真實(shí)的任務(wù)去學(xué)習(xí)，掌握學(xué)習(xí)的主動(dòng)權(quán)。將任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法引入機(jī)器人學(xué)課程教學(xué)，與教學(xué)內(nèi)容更加契合。將整個(gè)班級(jí)分成幾個(gè)小組，每個(gè)小組內(nèi)部根據(jù)具體的任務(wù)來(lái)分工，教師現(xiàn)場(chǎng)宏觀指導(dǎo)，幫助學(xué)生明確方向，選擇適合自己的研究課題，具體設(shè)計(jì)研究過(guò)程由小組內(nèi)部獨(dú)立完成。小組內(nèi)學(xué)生通過(guò)觀察教師演示并初步分析程序后，進(jìn)行討論和嘗試，親自動(dòng)手進(jìn)行操作，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題，既能培養(yǎng)獨(dú)立思考的能力，也能體現(xiàn)出自己的真正價(jià)值[6]。

以機(jī)械手的操作為例，在設(shè)計(jì)與實(shí)施任務(wù)時(shí)，教師應(yīng)把機(jī)械手多個(gè)學(xué)習(xí)模塊分解為抓取、握持、向上運(yùn)動(dòng)、向左旋轉(zhuǎn)、向右旋轉(zhuǎn)、釋放等一個(gè)個(gè)可以完成的“任務(wù)”。通過(guò)開展任務(wù)分工教學(xué)，學(xué)生完成指定的任務(wù)，可以用所學(xué)到的知識(shí)技能解決實(shí)際問(wèn)題。教師要對(duì)整個(gè)教學(xué)過(guò)程進(jìn)行評(píng)價(jià)，對(duì)學(xué)生有創(chuàng)意的想法給予肯定，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行自我評(píng)價(jià)，找出自己的缺點(diǎn)和不足，鼓勵(lì)小組內(nèi)成員進(jìn)行互評(píng)，積極聽取同伴的意見和建議。通過(guò)分析研究，任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法適合于機(jī)器人課程教學(xué)，既能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情，也能提高學(xué)生的合作學(xué)習(xí)能力，同時(shí)可以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和探索精神[7]。

3）強(qiáng)化實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)。實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)是對(duì)課堂教學(xué)的深化與補(bǔ)充，學(xué)生現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)觀看教師演示操作，或者自己實(shí)際動(dòng)手操作，可以加深對(duì)所學(xué)基本概念、工作原理及具體工作過(guò)程的理解，是機(jī)器人學(xué)教學(xué)環(huán)節(jié)中必不可少的部分。實(shí)踐教學(xué)的內(nèi)容包括機(jī)器人典型的機(jī)械結(jié)構(gòu)、機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)、坐標(biāo)形式、物料運(yùn)送過(guò)程、制造業(yè)、控制系統(tǒng)等，這些內(nèi)容都需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此，改善實(shí)驗(yàn)教學(xué)條件，建立機(jī)器人基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室至關(guān)重要。

可通過(guò)將實(shí)踐教學(xué)與科研課題相結(jié)合、建立校內(nèi)實(shí)習(xí)基地等方式，更加充實(shí)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備，更新實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，完善實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)。學(xué)生在具體的實(shí)踐過(guò)程中會(huì)發(fā)現(xiàn)自己對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)或者程序編寫更加感興趣。教師根據(jù)學(xué)生的興趣愛好，有針對(duì)性地鼓勵(lì)學(xué)生參加機(jī)器人類大學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計(jì)、學(xué)科競(jìng)賽等，通過(guò)組織學(xué)生參與創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維。具體實(shí)施過(guò)程中，教師將具體的任務(wù)模塊化，使學(xué)生發(fā)揮自己的特長(zhǎng)，運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題[8]。

考核方式多元化 機(jī)器人學(xué)是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，上課時(shí)間為第七學(xué)期初，考核方式為期末閉卷考試。這個(gè)時(shí)期正好為學(xué)生擇業(yè)期或考研備考期，他們沒(méi)有充沛的精力投入復(fù)習(xí)，對(duì)于一些沒(méi)有完全理解的定義、公式推導(dǎo)，強(qiáng)化記憶以應(yīng)付考試，效果不佳。該課程的考核應(yīng)考慮實(shí)踐環(huán)節(jié)部分，因此，改革考核方式是必然選擇。

1）平時(shí)成績(jī)、試卷考試和實(shí)踐考核結(jié)合。平時(shí)成績(jī)根據(jù)考勤、作業(yè)、上課聽講、回答問(wèn)題幾個(gè)方面對(duì)學(xué)生進(jìn)行考核。將這三部分分別打出成績(jī)，按規(guī)定好的比例算出最后百分制的課程考核成績(jī)，形成最后的考核成績(jī)。

2）考試或者提交機(jī)器人作品?？梢宰灾鬟x擇其中的一種考核方式。設(shè)計(jì)制作機(jī)器人作品要求學(xué)生有很好的理論基礎(chǔ)，學(xué)生需要獨(dú)立完成設(shè)計(jì)、制作的整個(gè)過(guò)程。這種方式注重培養(yǎng)學(xué)生實(shí)際動(dòng)手操作的能力，提升創(chuàng)新思維，同時(shí)可以鍛煉學(xué)生在突發(fā)情況下分析、解決問(wèn)題的能力。

考核還可以考慮一些其他方面，比如對(duì)參加機(jī)器人類大學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計(jì)、學(xué)科競(jìng)賽等技能比賽的學(xué)生，應(yīng)附加成績(jī)以鼓勵(lì)學(xué)生的創(chuàng)新活動(dòng)，進(jìn)而提高學(xué)生的創(chuàng)新能力。

4 結(jié)語(yǔ)

本文探討分析了機(jī)器人學(xué)傳統(tǒng)教學(xué)過(guò)程中存在的弊端，結(jié)合實(shí)際，提出相應(yīng)的教學(xué)改革設(shè)想，在教學(xué)過(guò)程中采用任務(wù)驅(qū)動(dòng)等教學(xué)方法，實(shí)現(xiàn)學(xué)生熟練掌握理論知識(shí)、加強(qiáng)實(shí)踐鍛煉、提高動(dòng)手操作技能和綜合學(xué)習(xí)能力的目標(biāo)。本課程的教學(xué)改革方案已在機(jī)械電工程2018屆專業(yè)試行，從學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、學(xué)習(xí)效果來(lái)看，達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)。

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