機(jī)器人學(xué)導(dǎo)論跨專業(yè)選修課程教學(xué)改革與實(shí)踐

張穎 喬貴方 黃家才

摘? 要 針對(duì)應(yīng)用型本科院校對(duì)機(jī)器人學(xué)導(dǎo)論課程的教學(xué)需求，對(duì)本課程作為跨專業(yè)選修課的教學(xué)方法和考核方式進(jìn)行改革探索。經(jīng)過一系列具體的改革，在教學(xué)實(shí)踐過程中取得較好效果，培養(yǎng)了學(xué)生思考問題、解決問題的能力，提升了外專業(yè)學(xué)生對(duì)機(jī)器人行業(yè)的專業(yè)知識(shí)儲(chǔ)備，為有志于從事機(jī)器人行業(yè)的跨專業(yè)學(xué)生奠定良好的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞 跨專業(yè)選修課;機(jī)器人學(xué)導(dǎo)論;教學(xué)改革;機(jī)器人技術(shù)

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）20-0072-03

Teaching Reform and Practice of Introduction to Robotics as a

Cross-professional Elective Course//ZHANG Ying， QIAO Gui-fang， HUANG Jiacai

Abstract The teaching method and evaluation mode of Introduction to Robotics as a cross-professional elective course has been refor-med and explored， according to the teaching requirements of the course in application-oriented institutes and universities. A series of specific reform measures has been applied in the process of teaching practice， and a better effect is obtained. After studying this course， the abilities of students to think and solve problems are cultivated better. The professional knowledge reserve of robot industry is im-proved， which lays a good foundation for the cross-disciplinary stu-dents to engage in robot industry.

Key words cross-professional elective courses; introduction to robo-

tics; teaching reform; robotics technology

1 引言

在《中國(guó)制造2025》[1]中提出的戰(zhàn)略任務(wù)和重點(diǎn)中，大力推動(dòng)重點(diǎn)領(lǐng)域突破發(fā)展，其中一個(gè)方向是推動(dòng)機(jī)器人技術(shù)發(fā)展。從機(jī)電汽車到軍工特種行業(yè)，從醫(yī)療康復(fù)到服務(wù)娛樂行業(yè)，機(jī)器人已經(jīng)全面進(jìn)入人們的日常生活，在不同領(lǐng)域滿足著應(yīng)用需求。因此，國(guó)家大力支持機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，鼓勵(lì)研發(fā)新產(chǎn)品，以促進(jìn)機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化發(fā)展，突破機(jī)器人關(guān)鍵零部件及系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)制造等技術(shù)瓶頸。

機(jī)器人是多學(xué)科交叉融合的產(chǎn)物，傳統(tǒng)上將機(jī)器人作為研究生的研究方向。我國(guó)自2016年于東南大學(xué)設(shè)立機(jī)器人工程專業(yè)以來，于2017年在25所院校設(shè)置該專業(yè)，2018年又?jǐn)U展到另外的60所院校[2]。可以看出，目前機(jī)器人專業(yè)正在本科教育中擴(kuò)展開來，包括東南大學(xué)、東北大學(xué)、北京航空航天大學(xué)等“雙一流”院校。南京工程學(xué)院自2013年開始建設(shè)自動(dòng)化（機(jī)器人）專業(yè)方向，是國(guó)內(nèi)首個(gè)為本科生設(shè)立此方向的院校，專業(yè)建設(shè)近五年時(shí)間，已經(jīng)培養(yǎng)了第一批畢業(yè)生，人才培養(yǎng)體系已經(jīng)完善。

依據(jù)學(xué)校人才培養(yǎng)方案及專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)定位和綜合素質(zhì)培養(yǎng)要求，以打通專業(yè)、拓寬基礎(chǔ)、提升人才培養(yǎng)質(zhì)量為原則，結(jié)合學(xué)生需求、實(shí)施情況反饋等信息，南京工程學(xué)院要求2015級(jí)及以后各專業(yè)須完成四個(gè)學(xué)分的跨專業(yè)選修課程才能通過畢業(yè)審核。在此背景下，自動(dòng)化學(xué)院面向全校開設(shè)機(jī)器人學(xué)導(dǎo)論這一跨專業(yè)選修課，總共32學(xué)時(shí)。

2 課程特點(diǎn)及教學(xué)目標(biāo)

機(jī)器人工程專業(yè)以工程實(shí)際為背景，以機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)控制、可編程控制、微處理器應(yīng)用、機(jī)器人控制技術(shù)與系統(tǒng)集成及編程應(yīng)用、能力培養(yǎng)為主線，培養(yǎng)在工業(yè)自動(dòng)化、工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及相關(guān)控制系統(tǒng)領(lǐng)域從事系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)、技術(shù)集成及系統(tǒng)安裝、運(yùn)行、維護(hù)和技術(shù)管理等方面工作的高級(jí)工程技術(shù)人才。

機(jī)器人學(xué)導(dǎo)論是一門介紹機(jī)器人學(xué)的專業(yè)課程，是自動(dòng)化、機(jī)器人工程等專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課。本課程開設(shè)的目的和任務(wù)是使本專業(yè)學(xué)生從總體上了解工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展概況及相關(guān)技術(shù)，包括工業(yè)機(jī)器人基本概念、機(jī)器人技術(shù)的基本原理及機(jī)器人控制的基本思路、方法與特點(diǎn)，并了解在制造業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)與工程中工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用實(shí)例，使學(xué)生對(duì)工業(yè)機(jī)器人從基本概念到應(yīng)用有一個(gè)大致的了解，同時(shí)提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，為后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)起到引導(dǎo)作用。

機(jī)器人學(xué)導(dǎo)論課程包含機(jī)械學(xué)與運(yùn)動(dòng)學(xué)的內(nèi)容，還包含控制器、傳感器、驅(qū)動(dòng)器等多方面的內(nèi)容。本課程的先修課程包括電路、大學(xué)物理、機(jī)械基礎(chǔ)等基礎(chǔ)課程。作為跨專業(yè)選修課，機(jī)器人學(xué)導(dǎo)論著重介紹有關(guān)技術(shù)工程發(fā)展史及其特點(diǎn)、學(xué)科前沿、科技新成果以及工程項(xiàng)目應(yīng)用等方面的知識(shí)，弱化了對(duì)具體專業(yè)技能的掌握和應(yīng)用。

3 課程改革措施

本課程面向三年級(jí)學(xué)生開設(shè)，共有38個(gè)專業(yè)的138名學(xué)生選修，除了應(yīng)用型工科院校常見的主流工科類專業(yè)，還包括文、哲、管理、經(jīng)濟(jì)、藝術(shù)等學(xué)科門類的專業(yè)。學(xué)生的專業(yè)背景差異很大，對(duì)機(jī)器人的認(rèn)識(shí)和理解參差不齊，很多學(xué)生不具備相關(guān)的專業(yè)知識(shí)儲(chǔ)備，有的學(xué)生的專業(yè)與機(jī)器人工程專業(yè)相差甚遠(yuǎn)，這些因素會(huì)直接影響學(xué)生對(duì)本課程的學(xué)習(xí)效果。在教學(xué)實(shí)踐中主要對(duì)教學(xué)方法和考核方式進(jìn)行改革。

教學(xué)方法改革? 作為跨專業(yè)選修課，其教學(xué)模式具有一定的特殊性[3]，為了能盡可能考慮到不同專業(yè)學(xué)生的基礎(chǔ)與應(yīng)用需求，在保障課堂教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果的基礎(chǔ)上，本課程從以下幾個(gè)方面展開教學(xué)改革探索。

1）專業(yè)知識(shí)體系介紹。首先為本課程架構(gòu)知識(shí)體系，在教學(xué)過程中按照先整體后部分的方式圍繞知識(shí)體系展開，在緒論部分通過介紹整個(gè)機(jī)器人的組成和工作流程，囊括后續(xù)即將學(xué)習(xí)的知識(shí)，然后具體到各章節(jié)進(jìn)行詳細(xì)講解。一個(gè)完整的機(jī)器人主要包括機(jī)構(gòu)本體、控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和傳感系統(tǒng)。在機(jī)構(gòu)本體里涉及機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的軌跡規(guī)劃;控制系統(tǒng)包括運(yùn)動(dòng)控制和驅(qū)動(dòng)器的控制;驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括各種驅(qū)動(dòng)方式的特點(diǎn)和使用方法;機(jī)器人傳感器的種類包括位置、速

度、力/力矩、避障/測(cè)距、視覺等傳感器。通過知識(shí)體系的構(gòu)建，讓學(xué)生了解各部分內(nèi)容之間的聯(lián)系。

本課程專業(yè)性強(qiáng)，存在大量的專業(yè)術(shù)語和復(fù)雜的公式推導(dǎo)，在課堂教學(xué)過程中以重點(diǎn)內(nèi)容為核心，采取引導(dǎo)的方式，結(jié)合大量圖片、動(dòng)畫以及視頻資料加深學(xué)生對(duì)課堂內(nèi)容的理解與掌握，同時(shí)盡可能增加師生互動(dòng)，設(shè)置提問、隨堂測(cè)驗(yàn)等環(huán)節(jié)。

2）專題講座。本跨專業(yè)選修課的目的是培養(yǎng)學(xué)生工程、設(shè)計(jì)意識(shí)，拓展學(xué)生專業(yè)視野，體現(xiàn)不同學(xué)科交叉滲透，提升跨專業(yè)和個(gè)性發(fā)展能力。與專業(yè)必修課程不同，沒有設(shè)置實(shí)踐環(huán)節(jié)，取而代之的是機(jī)器人專題講座。挑選典型機(jī)器人，如多機(jī)器人系統(tǒng)、四足類機(jī)器人、康復(fù)機(jī)器人等專題，針對(duì)該類機(jī)器人具體的特點(diǎn)進(jìn)行系統(tǒng)介紹。介紹過程盡可能挑選國(guó)際上最先進(jìn)的機(jī)器人結(jié)合相關(guān)視頻展開，通過專題講座讓學(xué)生更深入地將所學(xué)知識(shí)與具體機(jī)器人聯(lián)系起來。如在四足類機(jī)器人的介紹中，波士頓動(dòng)力公司的大狗機(jī)器人及獵豹機(jī)器人激發(fā)了很多學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，這些學(xué)生在經(jīng)過自學(xué)和深入調(diào)研之后，對(duì)四足機(jī)器人有了更為系統(tǒng)、專業(yè)的理解。

3）小組研討。根據(jù)專業(yè)將學(xué)生分組，布置學(xué)生針對(duì)機(jī)器人相關(guān)的方向進(jìn)行自主調(diào)研，做成PPT匯報(bào)討論。鑒于跨專業(yè)選修課班級(jí)人數(shù)偏多，本部分作為加分項(xiàng)，抽取兩個(gè)課時(shí)供學(xué)生研討，每組匯報(bào)時(shí)間為10分鐘，總共九組名額，學(xué)生的表現(xiàn)將作為期末成績(jī)的一部分。這項(xiàng)作業(yè)涉及主題確定、收集整理資料、制作PPT、演講等多方面工作，考查組員之間的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。報(bào)名參加小組研討的學(xué)生表現(xiàn)都非常好，對(duì)所選機(jī)器人及相關(guān)技術(shù)調(diào)研充分、總結(jié)恰當(dāng)，能用專業(yè)不失美觀的方式呈現(xiàn)出來，并用簡(jiǎn)潔易懂的語言將調(diào)研成果介紹給別的學(xué)生。

考核方式? 本課程考核分兩部分：期末課程論文和平時(shí)成績(jī)。其中期末課程論文占總成績(jī)的70%，平時(shí)成績(jī)占30%。平時(shí)成績(jī)包括出勤、課堂表現(xiàn)、作業(yè)和課堂研討表現(xiàn)等多方面。課程論文的要求為：結(jié)合自己所學(xué)專業(yè)或根據(jù)自己的興趣選擇一種機(jī)器人或者機(jī)器人技術(shù)，以該機(jī)器人（技術(shù)）為核心展開調(diào)研分析。根據(jù)此要求，學(xué)生可從三個(gè)方面完成：

1）對(duì)所選機(jī)器人或者技術(shù)做綜述研究，概述所要研究或設(shè)計(jì)的機(jī)器人系統(tǒng)的背景和研究意義、國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)，并提出自己的見解;

2）以典型機(jī)器人系統(tǒng)為實(shí)例，結(jié)合所學(xué)知識(shí)分析機(jī)器人系統(tǒng)的功能、組成、特點(diǎn)及各部分的工作原理;

3）自行設(shè)計(jì)一個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)，包括擬實(shí)現(xiàn)的功能、原理框圖、系統(tǒng)的各部分組成分析與說明等。

考核結(jié)果分析? 盡管大部分學(xué)生反映本課程的難度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出預(yù)期，但最終的考核結(jié)果整體較好?？己私Y(jié)果分三類。

1）文科、管理類等基礎(chǔ)薄弱的學(xué)生傾向于選擇第一類題目，對(duì)當(dāng)前熱門機(jī)器人（如掃地、導(dǎo)游、醫(yī)療等機(jī)器人）開展調(diào)研分析后進(jìn)行文獻(xiàn)綜述，提出自己的見解。此過程訓(xùn)練了學(xué)生文獻(xiàn)調(diào)研及歸納整理的能力，為未來工作或者繼續(xù)深造奠定良好基礎(chǔ)。

2）工業(yè)中心、機(jī)械類、計(jì)算機(jī)等具有工科專業(yè)背景的學(xué)生傾向于選擇后兩類題目。部分對(duì)機(jī)器人興趣濃厚且動(dòng)手能力強(qiáng)的學(xué)生，有在研或已完成大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目，在項(xiàng)目中選擇機(jī)器人為研究和控制對(duì)象。這部分學(xué)生課堂表現(xiàn)非常好，和機(jī)器人工程專業(yè)的學(xué)生對(duì)課程的接收程度相差無幾。經(jīng)過學(xué)習(xí)本課程，這些學(xué)生掌握了機(jī)器人專業(yè)的設(shè)計(jì)與控制方法，能將自己的研究成果以更加科學(xué)的方式呈現(xiàn)出來。

3）還有個(gè)別基礎(chǔ)較好、有創(chuàng)新能力的學(xué)生，自身已具備良好的算法設(shè)計(jì)與軟件編程能力，經(jīng)過機(jī)器人知識(shí)的系統(tǒng)學(xué)習(xí)，受啟發(fā)于課堂上所學(xué)知識(shí)，設(shè)計(jì)了機(jī)構(gòu)新穎的機(jī)器人整體方案，并撰寫了大學(xué)生挑戰(zhàn)杯項(xiàng)目申請(qǐng)書。

4 結(jié)語

隨著工業(yè)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)及人們對(duì)生活品質(zhì)追求的提高，機(jī)器人將會(huì)是未來生活中不可或缺的一部分。因此，在開設(shè)有機(jī)器人工程專業(yè)的應(yīng)用型大學(xué)里，讓更多學(xué)生具備機(jī)器人的專業(yè)知識(shí)并致力于研究機(jī)器人是非常必要的。通過對(duì)機(jī)器人學(xué)導(dǎo)論課程教學(xué)方法和考核方式的不斷改進(jìn)和探索，在教學(xué)過程中取得一定的效果，為培養(yǎng)致力于交叉型學(xué)科研究的學(xué)生奠定良好的基礎(chǔ)。

一門課程的展開離不開師生共同的努力，就機(jī)器人學(xué)導(dǎo)論這門課而言，為了保證課程的順利有序進(jìn)行，對(duì)師生提出一些建議。

1）任課教師要付出足夠的時(shí)間和熱情。機(jī)器人系統(tǒng)涉及的知識(shí)非常前沿，機(jī)構(gòu)和控制方法發(fā)展迅速，因此，教師要不斷更新知識(shí)儲(chǔ)備，密切關(guān)注國(guó)內(nèi)外機(jī)器人的發(fā)展動(dòng)態(tài)，盡可能學(xué)習(xí)和掌握最先進(jìn)的機(jī)器人技術(shù)，并以簡(jiǎn)潔明了的方式傳授給學(xué)生。

2）要求選修本門課程的學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)過相關(guān)的基礎(chǔ)知識(shí)，對(duì)機(jī)器人有足夠濃厚的興趣，并保持積極的學(xué)習(xí)態(tài)度。很多機(jī)器人相關(guān)的技術(shù)需要參閱國(guó)外的資料和文獻(xiàn)，要求學(xué)生具有一定的專業(yè)英語閱讀理解能力?！?/p>

參考文獻(xiàn)

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[2]教育部關(guān)于公布2017年度普通高等學(xué)校本科專業(yè)備案和審批結(jié)果的通知[DB/OL].http：//www.moe.edu.cn/srcsite/

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[3]林家立.高?？鐚I(yè)選修課程教學(xué)模式改革的實(shí)踐與探索[J].美與時(shí)代，2014（8）：62-63.