機(jī)器人教學(xué)改革的發(fā)展研究

王春光 楊天時(shí)

（1.天津中德應(yīng)用技術(shù)大學(xué) 天津 300000；2.吉林交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 吉林長春 130000）

人類的科學(xué)技術(shù)在20世紀(jì)到21世紀(jì)實(shí)現(xiàn)了跨越式發(fā)展。20世紀(jì)科學(xué)技術(shù)發(fā)展的重大成果之一為機(jī)器人的產(chǎn)生與機(jī)器人學(xué)科的構(gòu)建。1962年，美國一家名為萬能自動(dòng)化（Unimation）的公司誕生了世界上第一臺(tái)機(jī)器人。在50多年的時(shí)間中，機(jī)器人的發(fā)展經(jīng)歷了從無到有的過程，甚至已走進(jìn)千家萬戶，在各國各領(lǐng)域及普通人民的家庭、工作與學(xué)習(xí)等多方面為人類服務(wù)。為了更好地迎接科技時(shí)代的到來，在世界各國機(jī)器人技術(shù)迅速發(fā)展的同時(shí)，我國諸多高校開始構(gòu)建機(jī)器人教學(xué)的課程體系。機(jī)器人學(xué)屬于多學(xué)科深度交叉的前沿學(xué)科，與其交叉的學(xué)科包括生物學(xué)、機(jī)械學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程、人類學(xué)、人工智能、社會(huì)學(xué)、電子工程學(xué)等。為了對現(xiàn)有的教學(xué)理念進(jìn)行更新，本文分析了機(jī)器人課程現(xiàn)有的教學(xué)現(xiàn)狀，指出了現(xiàn)有教學(xué)過程中長久存在的一些問題，并給出具有可行性的相應(yīng)改進(jìn)措施，從而使學(xué)生在具備基礎(chǔ)理論知識的基礎(chǔ)上，具備較強(qiáng)的實(shí)際問題處理能力。

一、教學(xué)現(xiàn)狀分析

機(jī)器人屬于自動(dòng)化的、可通過事先編排的程序自主完成任務(wù)的一種機(jī)器裝置。機(jī)器人學(xué)科的先修課程包括機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械原理、理論力學(xué)、線性代數(shù)以及控制工程等，該課程要求學(xué)生具備一定的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)以及基本的知識儲(chǔ)備。因此，學(xué)生在進(jìn)行學(xué)科學(xué)習(xí)時(shí)往往會(huì)產(chǎn)生該學(xué)科涉及知識面較廣、理論性較強(qiáng)的感受，進(jìn)而在學(xué)習(xí)初期產(chǎn)生較大的挫敗感，嚴(yán)重影響其后續(xù)的學(xué)習(xí)積極性。在機(jī)器人教學(xué)過程中，目前普遍存在的不合理之處主要有以下幾點(diǎn)：

1.傳統(tǒng)機(jī)器人學(xué)的課程設(shè)置繁雜且內(nèi)容陳舊。傳統(tǒng)的機(jī)器人教學(xué)中，教學(xué)的主要內(nèi)容包括機(jī)器人學(xué)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、機(jī)械結(jié)構(gòu)、動(dòng)力學(xué)、雅克比矩陣、傳感和控制、運(yùn)動(dòng)規(guī)劃等基礎(chǔ)知識。傳統(tǒng)的基礎(chǔ)內(nèi)容對大多數(shù)學(xué)生來講過于陳腐，教師往往未加入對學(xué)科前沿進(jìn)展與最新成果的介紹。與此同時(shí)，在課程設(shè)置方面，機(jī)器人學(xué)各章節(jié)的內(nèi)容相對獨(dú)立，在有限學(xué)時(shí)內(nèi)對上述教學(xué)內(nèi)容的學(xué)習(xí)難度較大，大部分學(xué)生表示課程內(nèi)容較為晦澀難懂。[1]

2.教學(xué)環(huán)節(jié)固定，偏重理論傳授。機(jī)器人課程的原有教學(xué)方式主要為“填鴨式”教學(xué)，屬于“教師-學(xué)生”單向教學(xué)模式，學(xué)生在課堂中無參與感，屬于被動(dòng)接受陌生知識的一方。在教學(xué)內(nèi)容以理論性較強(qiáng)的知識為主的情況下，這對基礎(chǔ)一般的學(xué)生而言學(xué)習(xí)難度較大，從而影響了整體教學(xué)質(zhì)量。[2]

3.實(shí)踐教學(xué)較少，且與課堂理論教學(xué)相關(guān)性較小。由于工業(yè)機(jī)器人的造價(jià)比較高，實(shí)驗(yàn)設(shè)備數(shù)量較為有限，課程在實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)所受阻礙較大，課程設(shè)置中實(shí)踐環(huán)節(jié)占比較小，且絕大多數(shù)為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，難以真正提高學(xué)生在機(jī)器人學(xué)上的實(shí)踐能力以及創(chuàng)新能力。

綜上所述，機(jī)器人學(xué)的傳統(tǒng)課程設(shè)置、教學(xué)方式、教學(xué)內(nèi)容及實(shí)踐環(huán)節(jié)存在諸多問題，難以滿足現(xiàn)階段培養(yǎng)創(chuàng)新人才的需要。機(jī)器人學(xué)教學(xué)改革要集中在教學(xué)環(huán)節(jié)與實(shí)踐占比方面，應(yīng)引入新的教學(xué)模式，加入新的教學(xué)內(nèi)容，為學(xué)生提供更合適的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和方法。

二、教學(xué)改革探索與實(shí)踐

1.改革傳統(tǒng)理論教學(xué)，強(qiáng)調(diào)因材施教。傳統(tǒng)的機(jī)器人學(xué)教學(xué)偏重于基礎(chǔ)理論知識的講解，對學(xué)生來說學(xué)習(xí)難度較大。在教學(xué)改革中，教師應(yīng)針對學(xué)校的實(shí)際情況，兼顧知識深度以及廣度，在理論教學(xué)方面進(jìn)行適當(dāng)取舍，在教學(xué)內(nèi)容方面進(jìn)行適當(dāng)改良。具體而言，教師可將機(jī)械結(jié)構(gòu)、工業(yè)機(jī)器人認(rèn)知、運(yùn)動(dòng)學(xué)分析、數(shù)學(xué)基礎(chǔ)、傳感器和控制、示教編程等知識結(jié)合在傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容中，對理論性較強(qiáng)的、公式推導(dǎo)占比較大的軌跡規(guī)劃、動(dòng)力學(xué)等內(nèi)容進(jìn)行適當(dāng)刪減，保留簡單基礎(chǔ)的內(nèi)容。教學(xué)內(nèi)容在改良后可分為理論基礎(chǔ)教學(xué)、案例教學(xué)、實(shí)踐教學(xué)三個(gè)部分。

2.改革傳統(tǒng)教學(xué)方式，強(qiáng)調(diào)課堂互動(dòng)。在課程內(nèi)容的講解上，教師可增加視頻、案例、動(dòng)畫仿真軟件等新型教學(xué)方式，積極與學(xué)生互動(dòng)，讓每位學(xué)生參與進(jìn)課堂討論環(huán)節(jié)，提高學(xué)生的參與感，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

3.改革傳統(tǒng)教學(xué)環(huán)節(jié)，強(qiáng)調(diào)現(xiàn)場教學(xué)。機(jī)器人學(xué)課程中的抽象內(nèi)容占比較大，因而學(xué)生的理解難度較大。在教學(xué)環(huán)節(jié)中，教師應(yīng)增加實(shí)驗(yàn)教學(xué)課的比例，在實(shí)踐中講解理論，可以降低學(xué)生的理解難度，提高學(xué)習(xí)效率。[3]理論教學(xué)環(huán)節(jié)可主要集中在對機(jī)器人學(xué)的前沿發(fā)展、特點(diǎn)、應(yīng)用等方面進(jìn)行較為完善且容易入門的介紹，理論性較強(qiáng)的部分可適當(dāng)刪減或加以網(wǎng)絡(luò)課程輔助，為感興趣的學(xué)生提供相應(yīng)學(xué)習(xí)渠道，實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)要盡量以現(xiàn)場教學(xué)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的課堂講授，給予學(xué)生充分的動(dòng)手機(jī)會(huì)，在案例教學(xué)部分則選取遷移性較強(qiáng)的經(jīng)典案例，使學(xué)生更易理解。

4.搭建新型教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，豐富實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容。課堂教學(xué)主要為理論知識方面的教學(xué)，而實(shí)踐教學(xué)對學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手操作能力、自學(xué)能力、基本實(shí)踐技能以及創(chuàng)新思維能力會(huì)有較大的提升，實(shí)踐教學(xué)在機(jī)器人學(xué)的教學(xué)環(huán)節(jié)中屬于重要的組成部分。學(xué)校應(yīng)根據(jù)自身情況，結(jié)合現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件，盡可能搭建新型的實(shí)用性較強(qiáng)的機(jī)器人學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，從而落實(shí)機(jī)器人學(xué)的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)。[4]

5.改革傳統(tǒng)考核方式，強(qiáng)調(diào)學(xué)生的學(xué)習(xí)過程。課程考核方式的改進(jìn)可以結(jié)合期末考核與日常作業(yè)與實(shí)踐，期末考核的重點(diǎn)可以集中在機(jī)器人學(xué)的基礎(chǔ)理論知識方面，在總成績中的占比不應(yīng)過高?？己朔绞脚c考核部分的改革可以增加學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，從而提高整體教學(xué)的質(zhì)量。

6.鼓勵(lì)學(xué)生參與機(jī)器人相關(guān)的創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)。在課程改革中，教師要注重對學(xué)生創(chuàng)新素養(yǎng)的培養(yǎng)，針對參與競賽學(xué)生不同的興趣點(diǎn)，鼓勵(lì)他們參與機(jī)器人相關(guān)的競賽，使其能夠?qū)⒄n堂知識化為己用，發(fā)揮各自擅長的部分，通過創(chuàng)新實(shí)踐加深對課堂內(nèi)容的理解。[5]

三、結(jié)論

綜上所述，本文將機(jī)器人學(xué)課程原有的教學(xué)模式與學(xué)校的實(shí)際情況相結(jié)合，對機(jī)器人學(xué)的現(xiàn)有課程進(jìn)行分析，對課程教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行了優(yōu)化與調(diào)整，并在課堂中引入新型技術(shù)，極大地優(yōu)化了原有的“教師-學(xué)生”單向教學(xué)模式，構(gòu)建了機(jī)器人學(xué)新型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，引導(dǎo)學(xué)生參與課堂、參與實(shí)踐，極大地提升了學(xué)生的實(shí)踐應(yīng)用能力以及創(chuàng)新能力，為培養(yǎng)機(jī)器人學(xué)的創(chuàng)新型人才創(chuàng)造了良好的教學(xué)條件。