機器人開放性實驗改革與探索

程景萌 李姍姍 李 輝 王玉潔 周 圍

（1.河北工業(yè)大學機械工程學院,天津 300130；2.衡水科技工程學校,河北 衡水 053000）

機器人技術(shù)涉及運動控制、計算機視覺、人工智能、傳感器技術(shù)等研究領域，其代表了當今機電一體化的最高成就[1]。工程教育專業(yè)認證是高校工程教育國際化的重要途徑，也對高校工程專業(yè)實驗教學提出了新要求。已有不少學者提出，可以通過機器人實驗來培養(yǎng)學生學習能力、發(fā)展能力以及創(chuàng)造性地分析與解決問題的能力[2]。

1 機器人實驗教學國內(nèi)外研究現(xiàn)狀以及存在問題

目前，國外很多高校相繼開展機器人實驗課程，尤其是美國高校，普遍開設了機器人課程，并鼓勵學生積極參加機器人設計競賽活動[3]。日本多數(shù)高校都設有高水平機器人研究會，鼓勵和促進機器人教育、機器人技術(shù)和產(chǎn)品的不斷發(fā)展[4]。面對海外高校機器人課程的開設，國內(nèi)部分高校開始奮起直追：西安交通大學積極構(gòu)建機器人實驗教學平臺，主要包括開放源代碼的固高等國產(chǎn)機器人、具有示教手持盒的日本生產(chǎn)的商業(yè)機器人和進行二次開發(fā)的博時機器人應用于研究生和本科生教學[5]；華南理工大學廣州學院安排了工業(yè)自動化強化訓練Ⅰ和Ⅱ兩個課程，將機器人控制系統(tǒng)作為PLC和單片機強化訓練項目來開展[6]；西安科技大學構(gòu)建了“機器人創(chuàng)新實訓基地”[7]。

當今我國高校在機器人實驗教學方面雖然取得了部分成就，但是仍然存在一些問題，比如：⑴ 實驗教學手段傳統(tǒng)，往往以理論和教師講解為主，學生主動性很差；⑵ 實驗平臺過于單一，相當一部分的學校只搭建一到兩種機器人實驗平臺；⑶ 單一的考核方法，學生成績的評定基本都是由指導教師根據(jù)實驗報告進行評定；⑷ 學生實驗時間太受限制，學生只能在教師規(guī)定時間去實驗室進行實驗。

2 機器人開放性實驗教學模式改革內(nèi)容以及特點

2.1 設置階梯式開放性實驗項目

介于學生層次水平的不同，將開放性實驗項目按模塊劃分，單元模塊中項目之間的關(guān)系是階梯式的。實驗模塊分為基本技能模塊、綜合應用模塊和創(chuàng)新設計模塊，每個模塊內(nèi)部由多個實驗項目構(gòu)成?；炯寄苣K主要設置有舵機控制、機器人傳感器使用；綜合應用模塊設置有小車主動避障、示蹤，人機對話等；創(chuàng)新設計模塊需要與科研及國內(nèi)外競賽項目緊密結(jié)合，如擂臺賽機器人等。

通過對實驗項目的合理設置，可以滿足不同專業(yè)、年級的學生，構(gòu)建一個能夠滿足多層次需求的機器人開放性實驗教學體系。學生在親歷實驗的過程中，可以有效培養(yǎng)探索意識和解決復雜工程問題的能力。

2.2 實行以學生為主的預約式開放性實驗教學模式

開放性實驗教學模式是以學生為主體、而教師著重對學生進行啟發(fā)與引導的一種實踐性教學模式。該模式下，學生在一個完全自主學習與思考的環(huán)境中進行專業(yè)技能的鍛煉，當學生在實驗過程中遇到問題時，實驗老師只需給予適度的啟發(fā)和引導。學生進入實驗室的時間需提前預約，方便學生根據(jù)自己的時間進行實驗，不拘泥于以往教學中規(guī)定好的實驗學時數(shù)，從而讓其能夠充分挖掘自身潛能。競賽項目的實施更能培養(yǎng)學生的自主決策、獨立操作、分析和處理問題的能力，并能將競賽項目合理地應用到實驗室體系中來，實現(xiàn)實驗室資源高效共享。

2.3 形成閉合反饋式考核評價方法

根據(jù)每個實驗項目的性質(zhì)采用不同的考核方式，可以采取提交實驗報告或直接提交作品、上臺演示演講、公開答辯或小組自評互評等方式，老師根據(jù)掌握的情況對實驗結(jié)果給出合理評價，將考核結(jié)果反饋給學生進行改進，形成閉合反饋的考核評價方法。

3 機器人開放性實驗教學模式改革效果

工程教育專業(yè)認證從12個方面明確了本科畢業(yè)生應具備的素養(yǎng)和能力?；诠こ探逃龑I(yè)認證的先進理念，有力推動了機器人實驗教學模式改革，從輸出到輸入，對教學方式和教學模式進行革新，從而有利促進教學工作，提高教學質(zhì)量，實現(xiàn)實驗室資源的高效共享。

河北工業(yè)大學機械電子工程實驗室打破以往重復驗證為主的傳統(tǒng)實驗模式和以被動接受為主的傳統(tǒng)學習模式，以機器人為平臺，從開放性的課程設置、實驗過程、評價體系等方面進行改革和實踐，建立以學生為主實踐創(chuàng)新培養(yǎng)體系，極大地激發(fā)了學生學習的積極性。圖1和圖2為開放性實驗改革前后的實驗課程組織流程。

圖1 改革前實驗課程組織流程

圖2 改革后實驗課程組織流程

實驗教學模式改革前，實驗課程的授課方式為線性化特點，以教師講解為主，教學環(huán)節(jié)中缺少互動，課程教學內(nèi)容側(cè)重于理論課程中知識點的講授，學生自主發(fā)揮的環(huán)節(jié)比較少。實驗教學模式改革后，以學生小組為單位的研討成為課堂的重要環(huán)節(jié)。將課堂時間交給學生，要求學生以小組為單位針對具體實驗項目，以問題為導向，利用教材、小組頭腦風暴以及網(wǎng)絡等多種形式，自主完成實驗項目，并清晰地將實驗過程闡述出來。實驗結(jié)束后，教師將考核結(jié)果反饋給學生，采用閉合式考核方式。這種方式使學生真正成為課堂的主體，而不再是被動的接受者，如此一來學生的自主性和積極性將得到大幅提高。

4 提高教學質(zhì)量作用和意義

以模塊化機器人為實驗平臺，通過機器人開放性實驗激發(fā)學生的主動探索的積極性，對促進教學工作，提高教學質(zhì)量的具有非常重要的作用和意義。

4.1 提高學生自主學習的主動性和創(chuàng)新能力

傳統(tǒng)的機器人實驗教學，往往以理論和教師講解為主，學生則參照實驗指導書的操作步驟進行實驗操作，學生主動性很差，難以激發(fā)學生對機器人進行學習和操作的積極性。本項目打破傳統(tǒng)實驗驗證性的封閉性和學生被動學習的學習模式，提高了學生自主學習的主動性和創(chuàng)造性。

4.2 增加機器人實驗教學的廣度

搭建機器人實驗平臺所需的器材費用非常高，相當一部分的學校只能購買并搭建一到兩種機器人實驗平臺，因而能夠讓學生動手操作、親身體驗的實驗資源非常有限，導致機器人實驗的教學內(nèi)容比較單調(diào)。本項目通過模塊化機器人實驗教學降低實驗成本，使更多的學生參與到實驗中來，拓寬了實驗教學的廣度。

4.3 促進機械電子工程專業(yè)教學模式的改革與創(chuàng)新具有重要的意義與作用

本項目研究試圖將機器人開放性實驗有機嵌合到整個機器人技術(shù)、機電一體化等相關(guān)課程的教學過程中，改變傳統(tǒng)教學中存在的重理論輕實踐的傾向，體現(xiàn)以學生能力培養(yǎng)為核心、以學生為教學主體的教學理念。

5 機器人開放性實驗教學模式改革遇到的關(guān)鍵問題

5.1 構(gòu)建良好可用的機器人開放教學實驗平臺

建立實用性比較強的開放性實驗課程管理平臺，內(nèi)容包含教師提交教學任務、學生開放預約、學生信息管理、成績反饋等等。通過教學實驗平臺的使用可以將預約式開放性實驗在管理上更加規(guī)范。

5.2 設置合理的開放性實驗項目

開放性實驗項目的選擇需要面對不同專業(yè)、年級的學生，就需要教師設定不同階梯式的實驗項目，以激發(fā)學生的興趣，否則學生無法真正達到訓練其獨立設計、動手能力的目的，而指導教師也被迫不斷降低開放性實驗的要求。

5.3 建立強有力的支持體系

預約式開放性創(chuàng)新實驗的可持續(xù)開展，有賴于自學校管理層面到教師個體的完整有效的支持體系和制度保證。本科實驗教學管理辦法、開放性實驗管理辦法等全面覆蓋的制度。在激勵機制上體現(xiàn)激勵教師貢獻、認定學生學分，同時制定支持主講教師、學生便捷進入實驗室利用實驗室教學資源的預約制度。

6 結(jié)語

通過改變實驗教學模式，可以培養(yǎng)學生解決復雜問題的能力，保證畢業(yè)生達到行業(yè)認可的既定質(zhì)量標準要求，并且將開放性實驗應用于實驗室，實現(xiàn)實驗室資源的高效共享。根據(jù)畢業(yè)要求指標配置實驗課程內(nèi)容，利用模塊化的機器人實驗降低實驗入門的難度，減少實驗成本。開放性機器人實驗教學模式能激發(fā)學生主動探索的積極性，對促進教學工作、提高教學質(zhì)量具有非常重要的作用和意義。