智能機器人在實驗教學(xué)中的應(yīng)用

張貴生，朱艷娜

(1.安徽理工大學(xué)深部煤礦采動響應(yīng)與災(zāi)害防控國家重點實驗室 安徽淮南 232001；2.安徽理工大學(xué)經(jīng)濟與管理學(xué)院，安徽淮南 232001)

隨著電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，控制芯片集成度越來越高，以控制芯片為核心的人工智能應(yīng)時而生[1]，近年來發(fā)展成了高校較為熱門的學(xué)科。其中，智能機器人高度融合了物聯(lián)網(wǎng)、機電控制等多種智能技術(shù)[2]，具有較深的科研價值與教學(xué)功能，企業(yè)應(yīng)用亦可產(chǎn)生較高的經(jīng)濟效益[3]，已然成為了工廠革新、企業(yè)研發(fā)、高校教研的重要設(shè)備。根據(jù)應(yīng)用場景不同，智能機器人具有多種外貌形狀、感官知覺、功能響應(yīng)及復(fù)雜結(jié)構(gòu)，例如傳感機器人、教學(xué)機器人、工業(yè)機器人等。

近年來，國家大力支持人工智能進入校園[4]，《國家教育事業(yè)發(fā)展“十三五”規(guī)劃》《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》等政策文件皆明確指出，在高校內(nèi)要全方位應(yīng)用、推動“機器智能”。教學(xué)機器人既可以作為應(yīng)用科學(xué)研究[5]，又能夠為學(xué)生提供良好的實踐平臺，是高校發(fā)展人工智能的有力保障。因此，本文以國家方針政策為指導(dǎo)，結(jié)合我校實驗教學(xué)條件和學(xué)生實踐情況，深入探討教學(xué)機器人在我校實驗教學(xué)中的具體作用。

傳統(tǒng)基礎(chǔ)理論學(xué)習(xí)是以課堂教學(xué)為主、動畫演示或簡易實驗為輔的教學(xué)模式。然而，通過教學(xué)經(jīng)驗及調(diào)查發(fā)現(xiàn)，教師的教、學(xué)生的學(xué)、實踐的用三者無法形成有效統(tǒng)一，教師的教是循循善誘、苦口婆心，學(xué)生的學(xué)往往是對基礎(chǔ)理論知識的硬性搬運或想當然的理解，兩者之間形成了一種灌輸與被動接受的現(xiàn)象；此外，教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，多數(shù)學(xué)生會出現(xiàn)識物盲區(qū)，例如部分電氣專業(yè)本科生無法辨識元件實物、熟悉電路圖卻看不懂連接電路等現(xiàn)象，這就從正面反映出學(xué)生的學(xué)與實踐的用無法得到及時銜接，所學(xué)基礎(chǔ)理論知識更無法在第一時間于實踐中加深理解，甚至無法得到認知實物的機會。教學(xué)經(jīng)驗證明，當書本知識缺少有效延伸空間時，學(xué)習(xí)過程極易出現(xiàn)記憶不深和理解偏差。因此，只有在實踐中學(xué)習(xí)、鞏固、加深基礎(chǔ)理論知識才能革新傳統(tǒng)教學(xué)模式，使學(xué)生更加清晰地了解實物本身，明確所學(xué)基礎(chǔ)理論知識在實踐中的具體應(yīng)用。

本文以某科技有限公司研發(fā)、包含15 臺教學(xué)機器人的“基于機器視覺機電綜合創(chuàng)新平臺”（統(tǒng)稱“視覺機器平臺”）為探討對象，深入剖析智能機器人在實驗教學(xué)中的啟發(fā)作用，包括知識擴展、實物認知、實踐操作、功能研發(fā)四層結(jié)構(gòu)，層次之間相輔相融、互為補充，又循序漸進、逐層深入，以形象記憶強化邏輯記憶，擴展理論知識，提高理論融入實踐的實驗教學(xué)質(zhì)量和效果。

一、知識擴展

人工智能是一種復(fù)雜的機電綜合系統(tǒng)、是未來的發(fā)展趨勢，這就意味著任何單打獨斗、單一專業(yè)都無法滿足當今社會對知識的需求，終將被時代所摒棄，PI 團隊、知識交叉融合才是主流。科技的全面發(fā)展決定了企業(yè)越來越傾向于招攬復(fù)合型人才，因此，當代大學(xué)生既要掌握自身專業(yè)課程，又須補充相近專業(yè)基礎(chǔ)理論知識，采取“自身專業(yè)為主、相近專業(yè)為輔”的學(xué)習(xí)模式，加深理論深度、擴展知識寬度，構(gòu)建共性系統(tǒng)，實現(xiàn)共性知識的相互補充、交叉融合。

本視覺機器平臺深度融合了機械結(jié)構(gòu)設(shè)計、智能控制系統(tǒng)、機電傳動技術(shù)、運動學(xué)等多種智能技術(shù)，涵蓋了機械學(xué)院、電氣學(xué)院、計算機學(xué)院、人工智能學(xué)院等相關(guān)教學(xué)單位，技術(shù)容納量高、服務(wù)范圍廣，是一種跨專業(yè)、多學(xué)科的系統(tǒng)綜合性學(xué)習(xí)平臺。

指導(dǎo)老師通過講解本視覺機器平臺中各教學(xué)機器人的結(jié)構(gòu)布置、工作原理、設(shè)計思想等基礎(chǔ)內(nèi)容，將專業(yè)課程融入其中，加深學(xué)生對基礎(chǔ)理論知識的全方位理解，讓學(xué)生在實物認知和實踐操作中探尋問題的產(chǎn)生思路、分析方法與解決路徑，培養(yǎng)學(xué)生靈活多變、因地制宜的創(chuàng)新思維，同時擴展知識層面、開拓視野格局、提升專業(yè)素養(yǎng)，實現(xiàn)多學(xué)科寬知識的交叉融合，為今后的科研道路和事業(yè)發(fā)展做出強有力的技術(shù)鋪墊。

二、實物認知

實物認知是實驗教學(xué)的重要組成部分，實物認知教學(xué)符合學(xué)生對陌生事物認知的特點，實物認知可以讓學(xué)生建立從無到有或從淺到深的抽象思維，并使抽象思維具體化，啟發(fā)學(xué)生思考所學(xué)課本中專業(yè)名詞，使專業(yè)名詞與實物之間形成有效對應(yīng)，進而穩(wěn)固知識。相比于基礎(chǔ)理論知識教學(xué)，本視覺機器平臺的實物認知教學(xué)更有利于大學(xué)生的成長與就業(yè)，尤其是直接面向機械裝置、自動化設(shè)備、智能產(chǎn)品等加工制造類企業(yè)的就業(yè)學(xué)生，這部分學(xué)生畢業(yè)后往往從一線技術(shù)類崗位起步，發(fā)展方向以軟、硬件工程師為主，對各部件結(jié)構(gòu)、電路元器件等實物的認知更為必要。

本視覺機器平臺可以很好地提供裝置結(jié)構(gòu)、機械部件、電氣元器件及電路系統(tǒng)等硬件結(jié)構(gòu)的實物展示功能，其中，裝置結(jié)構(gòu)包括氣泵、交直流伺服電機、減速機、PC 主機、步進電機、3D 打印機、激光雕刻機、XYZ 坐標機器人、六自由度機器人等；機械部件主要包括手爪、皮帶、滾珠絲桿、吸盤、機械手臂等；電氣元器件及電路系統(tǒng)主要包括液晶屏、工業(yè)相機、限位開關(guān)、運動控制器、光電編碼器、電路板及多種電子元件、傳感器等電路系統(tǒng)常用元器件。

在實物認知教學(xué)中，指導(dǎo)老師要提前規(guī)劃各種元器件所屬范圍及輪廓，有序地講解各種元器件的結(jié)構(gòu)特點、性能參數(shù)及在系統(tǒng)中的各項功能。為獲取更加直觀、清晰的教學(xué)效果，特將實物認知教學(xué)環(huán)節(jié)歸納為結(jié)構(gòu)認知和電路認知兩部分講解內(nèi)容。

（1）結(jié)構(gòu)認知教學(xué)。結(jié)構(gòu)認知教學(xué)需結(jié)合基礎(chǔ)課程名詞，從各零部件具體功能、結(jié)構(gòu)設(shè)計、連接方式、維護保養(yǎng)等方面綜合探討，再擴展至結(jié)構(gòu)設(shè)計方法、常用軟件說明、創(chuàng)新思路流程等深層內(nèi)容，用簡易明了語句講解常用機械結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)理論知識，讓學(xué)生多方位進行結(jié)構(gòu)認知。

（2）電路認知教學(xué)。電路認知教學(xué)是以電路圖和接線圖為指導(dǎo)，從工作原理、控制電路結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)布局入手，組成知識輪廓架構(gòu)，明確設(shè)計思想，再細化至芯片選型方法、主要元器件在整個電路中的具體功能及其相互間連接關(guān)系、信號傳輸路徑、用電安全等細節(jié)，讓學(xué)生在了解設(shè)計電路流程的同時將各元器件逐一認知。此外，指導(dǎo)老師應(yīng)因材施教，針對不同年級學(xué)生，適當調(diào)節(jié)實物認知深度與寬度，探尋適宜教學(xué)路徑。

三、實踐操作

知識是由認知主體主動構(gòu)建起來的，學(xué)習(xí)興趣是掌握知識的動力源，實踐操作是激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的重要途徑。實踐操作不僅能夠加深對專業(yè)基礎(chǔ)知識的理解，而且能夠讓學(xué)生自我感知有趣動作，在探索中發(fā)現(xiàn)各部件的內(nèi)在關(guān)系，探尋教學(xué)機器人中“七分機械、三分電氣”及運動學(xué)的本質(zhì)規(guī)律，提高理解深度。

本視覺機器平臺功能多樣、模塊性強，可以很好地為學(xué)生提供實踐操作平臺，具體包括氣動手夾、氣動吸附、繪畫、寫毛筆字、激光雕刻、3D 打印、圖像識別等功能，系統(tǒng)綜合性強、知識覆蓋面廣，且每個功能模塊皆具備一個完整的機電控制系統(tǒng)。在指導(dǎo)老師的講解下，能夠幫助學(xué)生快速記憶理論知識、深入理解設(shè)計思想、不斷擴充知識寬度、有效構(gòu)建共性系統(tǒng)。以圖像識別為例，課堂上學(xué)生以人臉為拍攝對象，通過軟件將人臉圖像進行識別處理，最終呈現(xiàn)出完整、清晰的人臉圖像，全程實踐操作讓學(xué)生更加熟悉相關(guān)軟件的使用技巧與操作步驟，整個操作過程有效融合了圖像識別基礎(chǔ)理論、實物認知等內(nèi)容；此外，在指導(dǎo)老師的配合下，可以讓學(xué)生更加清晰地了解圖像識別理論課程中所講內(nèi)容，解答心中存留的疑惑，擴充電氣控制、機械結(jié)構(gòu)等方面知識，了解系統(tǒng)工作原理、設(shè)計思想，最終讓學(xué)生在腦海中形成穩(wěn)固的圖像識別系統(tǒng)。

由于不同年級學(xué)生的知識儲存量不同、對實踐操作的理解程度不同，指導(dǎo)老師在實踐操作環(huán)節(jié)中要因人而異、因材施教，提前制定好適宜的教學(xué)計劃。根據(jù)教學(xué)經(jīng)驗可知，大一、大二學(xué)生專業(yè)知識接觸較少，實踐操作以興趣培養(yǎng)、專業(yè)引入為主；大三、大四學(xué)生專業(yè)課程逐步深入，實踐操作以理論鞏固、應(yīng)用認知、模塊搭建為主；碩士研究生課程深入、領(lǐng)域?qū)Ｑ?，實踐操作以應(yīng)用開發(fā)、軟件編程、功能創(chuàng)新為主；此外，針對個別極富興趣學(xué)生，應(yīng)單獨培養(yǎng)。

事實證明，實踐操作過程中，科幻有趣的機械動作會給學(xué)生留下深刻印象，開拓視野，培養(yǎng)創(chuàng)新思維，激發(fā)學(xué)生探尋真理的熱情；此外，本視覺機器平臺的深入學(xué)習(xí)還可以讓學(xué)生明白“知行合一、學(xué)以致用”的道理，在實踐中主動自我認知、轉(zhuǎn)變觀念、改進不足。

四、功能研發(fā)

硬件電路與機械結(jié)構(gòu)是教學(xué)機器人控制系統(tǒng)的執(zhí)行單元，軟件是控制核心、技術(shù)源泉，學(xué)習(xí)軟件編程可使學(xué)生更加清晰地認知模塊結(jié)構(gòu)、明晰控制流程，從系統(tǒng)整體框架到獨立參數(shù)設(shè)置全程把控模塊功能，有利于學(xué)生積累實戰(zhàn)經(jīng)驗、開拓創(chuàng)新思路。學(xué)會軟件編程就等同于掌控技術(shù)核心，就可以不再局限于現(xiàn)有功能模塊，主動搭建新系統(tǒng)、研發(fā)新產(chǎn)品，從而提高學(xué)生創(chuàng)新思維和自信心，為學(xué)生參加比賽、撰寫論文、專利等科研做好技術(shù)鋪墊，為今后繼續(xù)深造、事業(yè)發(fā)展打下堅定基礎(chǔ)。

本視覺機器平臺預(yù)留有多種接線端口、具備模塊研發(fā)功能。對于碩士研究生或極富興趣學(xué)生，指導(dǎo)老師應(yīng)指導(dǎo)他們學(xué)習(xí)制作PCB 電路板、軟件編程、模擬仿真等深層學(xué)問，鼓勵他們在原有結(jié)構(gòu)功能的基礎(chǔ)上，設(shè)計新的電路結(jié)構(gòu)、制作新的控制系統(tǒng)、研發(fā)新的功能模塊，通過添加不同結(jié)構(gòu)的機械手臂、編寫新的軟件程序來實現(xiàn)不同的機械動作和新功能，激勵學(xué)生打開思維、敢于挑戰(zhàn)。

綜上所述，教學(xué)機器人在實驗教學(xué)中的廣泛應(yīng)用不僅能夠激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、培養(yǎng)動手能力，解答心中疑惑、主動提升自我，而且能夠加深專業(yè)基礎(chǔ)理論、擴展知識層面、提高實物認知能力，積累軟件編程實戰(zhàn)經(jīng)驗，開拓功能研發(fā)創(chuàng)新思路，使學(xué)生主動認知自我、完善自我、提高專業(yè)素養(yǎng)和自信心，在市場競爭、科技創(chuàng)新日益嚴峻的當今社會，讓我們的學(xué)生具備競爭能力。