體現(xiàn)工程教育理念的機器人實踐教學

張近民 王穎 高斌

[摘 要]“機器人實踐教學”是哈爾濱工業(yè)大學（深圳）控制科學與工程學科針對應用型碩士研究生開設的一門獨立的創(chuàng)新實踐課程。基于機器人實踐教學現(xiàn)存的主要問題，從指導思想、教學體系、教學目的、實驗平臺建設和教學方法等方面進行課程建設和教學改革。通過共享科研實驗平臺和多種有針對性的教學方法，體現(xiàn)實踐教學的綜合性、開放性、創(chuàng)新性和研究性，使課程在提高應用型研究生的工程能力上發(fā)揮重要作用。

[關鍵詞]工程教育;機器人;實踐教學;研究生課程

[中圖分類號] G642 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2019）08-0008-03

機器人技術是綜合了計算機、控制論、機構學、信息和傳感技術、人工智能、仿生學等多學科而形成的高新技術[1]，集成了多學科的研究成果，代表高技術的發(fā)展前沿，是當前科技研究的熱點方向。隨著AI技術的不斷發(fā)展、工業(yè)4.0概念的全球化推廣和中國制造2025重大戰(zhàn)略部署的穩(wěn)步實施，機器人的科研、設計、制造和應用在工業(yè)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、教育、娛樂、醫(yī)療、軍工、家用及社會服務等領域發(fā)揮著越來越重要的作用。

機器人工程也逐漸形成國內(nèi)高校的一個新專業(yè)方向。2015年，東南大學成為教育部同意批設“機器人工程”專業(yè)的首家高校;隨后，又有包含東北大學、湖南大學等985大學的25所大學及學院經(jīng)教育部備案設立了“機器人工程”專業(yè)。哈爾濱工業(yè)大學是國內(nèi)最早研究機器人的高校之一，研究生是機器人科學研究和技術開發(fā)的主要力量，如何提高研究生的工程問題解決能力和創(chuàng)新能力是我校教師面臨的重要課題，現(xiàn)有的驗證型實驗教學方法已經(jīng)難以適應我校培養(yǎng)創(chuàng)新型高層次科研工作者和工程技術工作者的需求。

一、課程面臨的主要問題

一般高校開設的“機器人”實驗課都是機器人教學課程的實驗部分，用于指導學生理解和印證理論課程的內(nèi)容。其共性問題主要有以下幾方面。

1.實驗課程內(nèi)容落后

多數(shù)都是針對本科階段的實驗課程，以演示型和驗證實驗為主，缺乏創(chuàng)新性、設計性和開放性。創(chuàng)新型實驗少，學生缺乏專業(yè)知識的綜合應用能力，缺少獨立動手和創(chuàng)新的機會，這就抑制了學生的想象力和學習興趣，限制了學生的自由發(fā)揮空間[2]。而且其實驗教材少，大都為機器人平臺指導書，不利于學生深入研究其運動機理及內(nèi)部算法。

2.缺乏學科間的交叉融合

機械工程、控制工程、電子信息等多個專業(yè)都有機器人類課程，但實踐教學都是對理論課程內(nèi)容的驗證和輔助，忽視了引導學生對多學科知識加以綜合運用[3]，無法體現(xiàn)現(xiàn)代高等教育的“大工程”觀 [4]。

3.實驗設備少，種類單一

多為六軸串聯(lián)工業(yè)機器人[5]，型號比較陳舊，集成度低，體積大，慣性大，存在一定的安全操作風險。

二、課程教學改革的指導思想

機器人實踐教學是哈爾濱工業(yè)大學（深圳）控制科學與工程學科針對應用型碩士研究生開設的一門獨立的創(chuàng)新實踐課程，授課人數(shù)為每年30人左右。其課程教學以教學目標為導向，圍繞既有的機器人研發(fā)和實驗教學平臺，通過項目帶動教學，對教學體系、教學內(nèi)容、教學方法進行優(yōu)化和改革，注重培養(yǎng)學生的實際工程問題解決能力，結合創(chuàng)新平臺開展機器人課程實踐教學。其主要指導思想有以下幾方面。

1.體現(xiàn)工程教育認證核心理念及要求

中國工程教育認證標準，是培養(yǎng)工程技術人才的重要依據(jù)，碩士研究生是科學技術和工程應用的研發(fā)主體，因此在實踐課程教學中也應按照工程教育認證標準的要求，以學生為中心，持續(xù)改進教學體系、教學內(nèi)容和教學方法，同時面向深圳及珠三角地區(qū)機器人技術的行業(yè)及企業(yè)需求培養(yǎng)人才，適應國家和地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展的需要，實現(xiàn)成果導向。

2.能夠有效支撐碩士研究生的培養(yǎng)目標和畢業(yè)要求

培養(yǎng)目標和畢業(yè)要求是確定課程教學內(nèi)容與方式的依據(jù)，課程教學是達成畢業(yè)要求和培養(yǎng)目標的重要支撐。畢業(yè)生應具備的知識、能力、素質(zhì)結構必須通過與之相對應的課程體系才能在教學中實現(xiàn)，這種對應也為確定課程的教學內(nèi)容和教學時數(shù)提供了依據(jù)[6]。

3.充分利用學科資源優(yōu)勢

依托既有的市級及以上重點實驗室、工程實驗室等教學和科研平臺開展實踐教學活動，聯(lián)系既有科研項目，瞄準國民經(jīng)濟和深圳市發(fā)展的主要方向，進行課程建設和教學改革，培養(yǎng)高素質(zhì)、國際化的創(chuàng)新型優(yōu)秀人才。

三、具體的課程教學改革

1.教學體系改革

作為獨立的實踐課程，不需要圍繞某一門課程的理論內(nèi)容來設置實驗，在教學體系的設計上，可以弱化所有機器人相關課程本身的系統(tǒng)性、完整性和連續(xù)性，強化課程知識點之間的聯(lián)系性，同時突出控制科學控制性、信息性、系統(tǒng)性的特點，以培養(yǎng)應用型碩士研究生從事科研、工程技術工作和解決工程實際問題的畢業(yè)要求為主線，建立實踐課程結構，將課程建設成為跨課程、跨專業(yè)、跨學科的綜合應用性實驗。

以學生為中心設計教學內(nèi)容時，將知識體系“碎片化”，只引導學生關注實驗項目需要的部分，使總體知識結構更加合理、完整。給學生建立一個間斷的、階躍式的知識結構，讓學生自己去將其連接;不是采用循序漸進的“填鴨式”教學，而是培養(yǎng)學生的主動“覓食”能力[6-7]。同時在實踐課程的整個周期中貫徹持續(xù)改進的思想，搜集和整理課程中的問題，并不斷完善整個體系結構，形成閉環(huán)反饋。

2.目標導向教學

課程需要讓學生獲得機器人控制領域的工程問題解決能力和工程技術創(chuàng)新研發(fā)能力，以此為目標對實踐課程進行建設?？刂茖W科對應用型碩士研究生的培養(yǎng)目標是行業(yè)相關的高層次技術工作者和領導型工程技術人才，通過以機器人為實驗平臺的實踐課程，讓學生熟悉項目和問題解決的整個流程，掌握實用技能，并通過項目教學的過程和實踐成果評價來確認學生是否取得了“真實學習經(jīng)驗”[8]，然后將成果反饋用于改進原有的教學體系和教學方法。

3.實驗與科研平臺共享

一直以來，教學實驗平臺在實驗設計上都以配合理論授課或驗證推導結果為主，這種再現(xiàn)型實驗比較基礎，并不適用于已經(jīng)具有一定理論基礎和實踐能力的研究生。研究生的實驗教學應著眼于提高和創(chuàng)新，在實驗設置上應體現(xiàn)綜合性、開放性、創(chuàng)新性和研究性，不應再拘泥于實驗指導書或設備操作書，而應對設備本身及其技術體系的系統(tǒng)性有著更深層次的挖掘和滲透，實驗內(nèi)容與工程實際應用聯(lián)系應該更緊密[9]。

利用現(xiàn)有科研平臺教學，將多種工業(yè)機器人教學平臺及其他移動機器人平臺引入實踐課程是研究生實踐教學的有效方法[10]，這樣有利于學生提高學習機器人相關知識的主動性，挖掘?qū)W習潛能，培養(yǎng)綜合素質(zhì)和創(chuàng)新思維，全面掌握機器人控制系統(tǒng)分析、設計、建模、優(yōu)化和實現(xiàn)的技術方法。

其一，焊接工業(yè)機器人系統(tǒng)平臺。焊接工業(yè)機器人是工業(yè)生產(chǎn)中極為重要的機器人之一，也是原機器人實踐課程的主要實驗平臺。該系統(tǒng)以MOTOMAN MA1400機器人為核心搭建實驗系統(tǒng)平臺，基于6自由度非正交偏置串聯(lián)機器人和2軸俯仰變位機進行二次開發(fā)，對焊接工藝中可控的工藝參數(shù)進行分析，以良好的焊縫成型質(zhì)量為目標，采用離線編程的方式對整個系統(tǒng)的協(xié)調(diào)運動路徑進行規(guī)劃。

該實驗的重點為學生對第二代工業(yè)機器人的離線編程方法的熟悉和運用，系統(tǒng)的八軸聯(lián)動功能能夠很好地解決船型焊約束條件下理想焊接姿態(tài)的調(diào)整，同時也給實驗帶來了一定的難度。學生可以在該平臺上求解非正交偏置機器人的運動學算法問題、焊點姿態(tài)和焊槍姿態(tài)之間相對關系的運動學問題、編寫MATLAB環(huán)境下的路徑規(guī)劃算法等。設備同時具有碰撞掉電功能，且設置了保護柵及開門報警功能，學生可在柵門外驗證和操作設備，大大提高了其安全性。

其二，輕量型機器人平臺。輕量型機器人具有空間利用率高、集成度高、靈活安全可靠等優(yōu)點，主要應用于電子裝配、電子加工、醫(yī)療、家庭服務等領域。在結構上，將電機、驅(qū)動器、減速器、控制器、編碼器及各種傳感器高度集成在關節(jié)中，實現(xiàn)機器人的智能化，能夠適應人機協(xié)同作業(yè)的新需求。學科現(xiàn)擁有多臺UR機器人及Kinova輕量型仿生機械臂，可用于人機協(xié)作情況下的實驗需求。

其三，Delta機器人平臺。PDR 100機器人是我系自制的高精度取放第二代三角式并聯(lián)（DELTA）機器人研發(fā)平臺，具有速度快、定位精度良好、工作可靠穩(wěn)定、易用性強、可柔性適應多種流水線作業(yè)的應用等優(yōu)點。該平臺機器人集成了視覺識別模塊，可實時自動識別需拾取物體。另有吸盤模塊，控制吸盤類也可輕易實現(xiàn)。學生可以利用該平臺進行機器人運動學、動力學建模及其實驗驗證、工作空間分析、運動規(guī)劃研究及其實驗驗證、控制器控制算法研究等。

其四，小型無人機系統(tǒng)。小型無人飛行器（UAV）具有安裝工藝簡單、體積小、制造成本低等特點，近年來在各個領域的應用增長十分迅速，以此作為載體的研究也備受關注。除X650 value V-4無人機套裝外，實驗室還配備了3DR solo、3DR Aero-M、XAircraft 650 DJI NAZA、DJI-XP、DJI S1000-FPV等多種無人機實驗平臺。

其五，TurtleBot多機器人移動平臺。學生可以利用平臺進行移動機器人的同步定位與制圖（SLAM，Simultaneous Localization and Mapping）實驗，多種SLAM算法優(yōu)劣比較，單目、雙目、激光等多種測距方式驗證，視覺測量數(shù)據(jù)地圖的分割與融合驗證等。

4.教學方式改革

其一，改進教學組織方式。在原有實驗教學內(nèi)容基礎上增加網(wǎng)上課程資源庫，電腦是學生自主學習時的重要工具，學生可以在課后利用網(wǎng)絡資源庫對自己的實驗設計思路進行有效的完善和補充[11]。

在課程教學上，通過多種教研平臺的實例深入分析機器人技術課程教學的實驗特點，對已有的實驗課程和課程設計進行改革。在課堂教學方面，以講解實驗設計思路為主，運用啟發(fā)式教學方法，充分發(fā)揮學生的主觀能動性。同時介紹機器人測量常用設備的使用方法，如激光跟蹤儀（FARO ION型）、機器人軌跡跟蹤系統(tǒng)（C-track780）、機器人動態(tài)捕捉系統(tǒng)（Phase Space）等。

在實驗組織上，讓學生自主成立2至3人的實驗組，在實驗平臺上開展教學活動。先為機器人設定不同的操作任務，讓學生熟悉所選用的教學平臺，但不作為考評內(nèi)容。隨后邀請3名以上教師成立考核組，通過開題報告的形式了解學生的設計思路和預期成果，并在3個月的時間內(nèi)安排2次進度匯報，用于督促學生的實驗進度。最后采用比賽的形式對學生的課程設計作品進行答辯及現(xiàn)場展示，細化評分規(guī)則，注重設計過程，不以演示結果判定最終成績，以激發(fā)學生的自主學習潛能，使所有參與的學生從中獲得成就感。

其二，以項目帶動實驗教學。機器人實踐教學綜合性極強，是多學科技術知識的綜合強化和驗證，非常符合項目教學的理念。采用項目教學法，以學生為中心，也符合工程教育認證標準的核心理念[12]。在實驗結果上不要求其完成指標達到最優(yōu)，但需要體現(xiàn)出創(chuàng)造性。其具體方式有兩種：第一種是鼓勵學生在生活中發(fā)現(xiàn)問題，并通過項目的方式尋求解決途徑，在評價中重點關注學習和設計過程，使學生了解并掌握各個環(huán)節(jié)中的基本要求和實現(xiàn)方法。第二種是參與到所屬導師的科研項目中，根據(jù)項目內(nèi)容，結合實驗室現(xiàn)有科研設備，截取其中的一部分作為實驗項目，并設計實施過程，確立最終評價指標。這種方法在實行過程中需要注意與導師配合，既要確立統(tǒng)一的、明確的考核辦法，又要區(qū)別于導師的項目進度匯報，減少學生在項目評價過程中的冗余考核，讓學生將主要精力放在完成項目本身。

其三，增加解決實際工程問題的項目。解決實際工程問題對于學生了解和掌握機器人技術有著非常重要的意義，讓學生不但能鍛煉發(fā)現(xiàn)、分析和解決問題的能力，還可以鞏固相關的理論知識并由此延展，掌握更多的實用信息。

實驗課程設置的主要機器人技術相關問題點集中在運動路徑規(guī)劃、控制精度、視覺識別精度、運動目標跟蹤、誤差辨識及補償?shù)葞讉€方面。

其四，結合創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)平臺開展教學。學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)活動一直以來都得到我校的大力支持。2016年5月，我校的“青年創(chuàng)客空間”獲得“中華人民共和國科學技術部眾創(chuàng)空間”稱號，被納入國家級科技企業(yè)孵化器管理服務體系，我校也成為深圳目前唯一一家獲此資質(zhì)認證的高校。目前空間擁有200余名全日制研究生創(chuàng)客，每年都會評選出50余個創(chuàng)客項目進行資助。

本學科擁有大量科研教學實驗平臺，能夠為學生提供創(chuàng)造條件。實踐教學課程鼓勵學生關注學科學術前沿及實際生產(chǎn)中急需解決的問題，利用學科資源，創(chuàng)造性地開展實驗活動，并對創(chuàng)客項目的階段性成果給予學分認定。如果學生獲得深圳市創(chuàng)客項目資助（最高不超多50萬元）或其他資金支持，可以繼續(xù)深入研究創(chuàng)客項目，實驗室將繼續(xù)為學生提供設備和場地支持。

四、結語

高校的實踐教學改革是一個持續(xù)改進、不斷深化的系統(tǒng)工程，學生培養(yǎng)工作應該充分結合高校的辦學定位及國家、社會和行業(yè)的需求。授課教師需要充分激發(fā)研究生作為被培養(yǎng)主體的主觀能動性，提高其解決實際問題的能力，激發(fā)其研發(fā)興趣，鼓勵其創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)行為，在教學過程中不斷地改進、探索和完善，真正達到實踐課程的教學目標。

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