“機(jī)器人學(xué)基礎(chǔ)”課程案例式教學(xué)改革

杜 群，袁明新，江亞峰

（江蘇科技大學(xué) 蘇州理工學(xué)院，江蘇 張家港 215600）

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)和工程技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)今社會中一項(xiàng)重要且快速發(fā)展的技術(shù)，在工業(yè)、醫(yī)療、軍事、家庭服務(wù)等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用[1]。因此，對于機(jī)器人學(xué)領(lǐng)域?qū)W術(shù)型及應(yīng)用型人才的要求及需求也越來越高。機(jī)器人學(xué)是一門以計(jì)算機(jī)科學(xué)和工程學(xué)為基礎(chǔ)的交叉學(xué)科，研究如何進(jìn)行機(jī)器人的設(shè)計(jì)、制造、控制和維護(hù)，面向機(jī)械類和控制類工科學(xué)生開設(shè)，是機(jī)器人工程類專業(yè)的重要理論教學(xué)環(huán)節(jié)[2]。對于機(jī)器人學(xué)基礎(chǔ)的教學(xué)，全國高校主要分為學(xué)術(shù)型和應(yīng)用型兩種不同的教學(xué)模式開展教育，而以應(yīng)用為教育導(dǎo)向的本科院校，有別于學(xué)術(shù)型本科院校理論為主導(dǎo)的教學(xué)方式，應(yīng)加強(qiáng)仿真或?qū)嵺`等教育教學(xué)環(huán)節(jié)，精簡理論學(xué)習(xí)，意在培養(yǎng)出具有操作技能及工程問題解決能力的復(fù)合型人才[3]。如何根據(jù)不同的教學(xué)定位及社會需求，把握理論與實(shí)踐間的“度”，是機(jī)器人學(xué)基礎(chǔ)教學(xué)改革的關(guān)鍵[4]。

1 傳統(tǒng)教學(xué)的現(xiàn)狀和不足

傳統(tǒng)的機(jī)器人學(xué)基礎(chǔ)教育包括理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)兩部分，而機(jī)器人學(xué)基礎(chǔ)課程主要由線性代數(shù)和矩陣論等基礎(chǔ)數(shù)學(xué)知識構(gòu)成，傳統(tǒng)的教學(xué)方式應(yīng)用于該課程，造成以下不足：

1.1 課程理論知識引入效果欠佳

機(jī)器人學(xué)除涉及機(jī)械相關(guān)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工程力學(xué)外，還因?qū)傮w進(jìn)行數(shù)學(xué)建模而存在大量的矩陣計(jì)算。由于牽扯到矩陣及線性代數(shù)等數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，學(xué)生前置課程學(xué)習(xí)效果不佳，由數(shù)學(xué)基礎(chǔ)知識講解引入該課程的學(xué)習(xí)，易造成知識點(diǎn)枯燥乏味，學(xué)生較為被動，學(xué)習(xí)效果欠佳，從而喪失學(xué)習(xí)動力[5]。

1.2 課程理論知識占比過重

機(jī)器人學(xué)課程主要包含機(jī)器人結(jié)構(gòu)概述、機(jī)器人數(shù)學(xué)基礎(chǔ)、正運(yùn)動學(xué)、逆運(yùn)動學(xué)、機(jī)器人動力學(xué)、機(jī)器人控制等章節(jié)內(nèi)容，每章節(jié)涉及的理論知識篇幅過長，導(dǎo)致大部分教學(xué)內(nèi)容集中在理論知識部分，而實(shí)驗(yàn)課往往占比較小，只能選則較簡單的實(shí)驗(yàn)課題，無法真正達(dá)到應(yīng)用型人才培養(yǎng)教學(xué)效果[6]。

1.3 理論與實(shí)踐割裂感較重

傳統(tǒng)的機(jī)器人基礎(chǔ)教學(xué)過程中，實(shí)驗(yàn)課程往往滯后于理論課程，內(nèi)容往往基于課本，且在理論知識占比較大的情況下，實(shí)驗(yàn)的教學(xué)與理論知識間的銜接不夠順暢，由數(shù)學(xué)到實(shí)物操作間存在認(rèn)知差距，容易讓學(xué)生感到較強(qiáng)的割裂感，從而降低實(shí)踐學(xué)習(xí)的效果[7]。

2 教改思路

2.1 案例引導(dǎo)式教學(xué)模式

由于“機(jī)器人學(xué)”傳統(tǒng)的課程教學(xué)往往基于書本，由書本中的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)知識部分引入，將降低學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和動力[8]。案例式教學(xué)由項(xiàng)目或案例為切入點(diǎn)，以真實(shí)的機(jī)器人為工程案例為背景，以解決技術(shù)難題為目標(biāo)，提供另一種學(xué)習(xí)動力，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣；以詳盡的任務(wù)書模式為驅(qū)動，幫助學(xué)生在實(shí)際案例中梳理機(jī)器人的結(jié)構(gòu)、數(shù)學(xué)基礎(chǔ)等課程前置學(xué)習(xí)內(nèi)容，以任務(wù)打卡的形式進(jìn)一步學(xué)習(xí)機(jī)器人知識要點(diǎn)，降低理解難度，提升學(xué)習(xí)效果；以案例為主導(dǎo)，引導(dǎo)學(xué)生提出問題并思考，化被動為主動，改善課堂氛圍，如圖1 所示。

圖1 案例式教學(xué)改革思路

2.2 理論實(shí)踐同步教學(xué)

以真實(shí)案例為教學(xué)框架，將案例進(jìn)行知識點(diǎn)的細(xì)化與拆解，與課程中的理論知識一一對應(yīng)，實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐同步教學(xué)。課程中，課堂可在教室與實(shí)驗(yàn)室之間來回切換，在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)并思考理論問題，在理論中學(xué)習(xí)實(shí)踐，在實(shí)踐中鞏固理論，形成“教-學(xué)-做-思”四位一體的學(xué)習(xí)閉環(huán)，如圖1 所示，真正做到在學(xué)中做，在做中學(xué)。課程側(cè)重由輕實(shí)踐重理論，轉(zhuǎn)換到重實(shí)踐重理論的教學(xué)模式，提升學(xué)生操作技能，引導(dǎo)學(xué)生養(yǎng)成遇到問題思考并解決問題的習(xí)慣。

2.3 案例同步仿真教學(xué)

為解決理論學(xué)習(xí)與實(shí)踐學(xué)習(xí)之間的割裂感，采用同步仿真教學(xué)方法。該方法主要通過對相同案例的仿真教學(xué)，將理論知識中的原理具象化，采用“理論學(xué)習(xí)-仿真模擬-實(shí)踐實(shí)驗(yàn)”三位一體的教學(xué)組織模式，如圖1 所示，建立完整的仿真模擬平臺，搭建理論與實(shí)踐之間的橋梁，增加學(xué)生學(xué)習(xí)深度的同時(shí)，讓學(xué)生更容易理解和掌握各知識點(diǎn)間的銜接，避免出現(xiàn)因知識點(diǎn)間的割裂而造成的學(xué)習(xí)效果下降。

3 課程改革的實(shí)施過程

以“GLUON-613”機(jī)械臂作為工程案例進(jìn)行教學(xué)及說明。通過工程案例，以任務(wù)為導(dǎo)向，分析系統(tǒng)運(yùn)作流程，從具體的任務(wù)要求到知識點(diǎn)的細(xì)化與分析，在由知識點(diǎn)的學(xué)習(xí)到虛擬平臺的仿真，最后再通過實(shí)踐實(shí)驗(yàn)進(jìn)行知識點(diǎn)的驗(yàn)證，形成學(xué)習(xí)閉環(huán)，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力。

3.1 案例式教學(xué)框架設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)以“GLUON-613 機(jī)械臂空間中畫圓”為最終教學(xué)任務(wù)的任務(wù)書，驅(qū)動學(xué)生思考目標(biāo)任務(wù)所需的前置知識內(nèi)容。通過對目標(biāo)任務(wù)的思考，原任務(wù)應(yīng)被拆解為“機(jī)械臂運(yùn)動”“空間中畫圓”等初步問題。而機(jī)械臂的運(yùn)動又可以分為運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)進(jìn)行運(yùn)動控制，運(yùn)動學(xué)又可分為正運(yùn)動學(xué)和逆運(yùn)動學(xué)，而對機(jī)械臂進(jìn)行運(yùn)動學(xué)或動力學(xué)分析的基礎(chǔ)則是對機(jī)械臂進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，空間中畫圓可進(jìn)一步任務(wù)是機(jī)械臂的軌跡規(guī)劃。將目標(biāo)任務(wù)進(jìn)行任務(wù)的細(xì)分后進(jìn)行層次的梳理，可根據(jù)知識點(diǎn)的遞進(jìn)關(guān)系，選擇合適的內(nèi)容進(jìn)行理論知識教學(xué)順序，如圖2 所示。

圖2 案例式教學(xué)改革框架

3.2 案例式教學(xué)方式優(yōu)化

進(jìn)行“理論-仿真-實(shí)踐”三位一體及“教-學(xué)-做-思”四位一體的教學(xué)方式優(yōu)化，以案例GLUON-613為依托，通過設(shè)計(jì)不同的實(shí)驗(yàn)任務(wù)及仿真任務(wù)與拆解后的理論學(xué)習(xí)任務(wù)一一對應(yīng)（表1），做到理論知識、仿真模擬及實(shí)驗(yàn)實(shí)踐的同步進(jìn)行。

表1 教學(xué)方式優(yōu)化后的任務(wù)對照表

3.3 案例式教學(xué)仿真設(shè)計(jì)

仿真實(shí)驗(yàn)以MATLAB 與SOLIDWORKS 聯(lián)合仿真為基礎(chǔ)。將GLUON-613 機(jī)械臂的三維模型導(dǎo)入到三位畫圖軟件SOLIDWORKS 中，通過各同學(xué)案例引導(dǎo)下自行分析的數(shù)學(xué)模型，通過SW2URDF 插件，在各關(guān)節(jié)建立不同的坐標(biāo)系，并設(shè)立不同的關(guān)節(jié)運(yùn)動關(guān)系后，導(dǎo)出為URDF 文件，使用機(jī)器人工具箱導(dǎo)入到MATLAB 中，使用SIMULINK 搭建對應(yīng)知識點(diǎn)仿真系統(tǒng)，進(jìn)一步通過仿真理解理論知識與實(shí)踐之間的關(guān)系，如圖3 所示。通過教學(xué)框架中的知識點(diǎn)設(shè)置，建立對應(yīng)的仿真實(shí)驗(yàn)。

圖3 仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4 教學(xué)改革效果

以上述案例進(jìn)行教學(xué)改革的初步測試，針對該課程在學(xué)期結(jié)束后對學(xué)生進(jìn)行回訪調(diào)查，總結(jié)出改革前理論為主教學(xué)與改革后案例式教學(xué)在教學(xué)方法、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段滿意程度及期末成績的對比，見表2。

表2 教學(xué)改革前后對比

通過對比教學(xué)改革前后教改指標(biāo)的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，案例式教學(xué)法在教學(xué)方法、內(nèi)容、手段滿意度都高于改革前的教學(xué)方式，尤其是在實(shí)操合格率上有較大的改善，說明案例式教學(xué)法更容易提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，三位一體的教學(xué)方式增加了學(xué)生理論與實(shí)踐之間的理解，提高理論成績的同時(shí)，也提高了實(shí)踐實(shí)驗(yàn)的質(zhì)量。

5 結(jié)語

為了改善機(jī)器人學(xué)基礎(chǔ)課程教學(xué)中存在的重理論而輕實(shí)踐、理論知識晦澀難懂、課堂與實(shí)際應(yīng)用割裂嚴(yán)重等問題，提出一種機(jī)器人學(xué)基礎(chǔ)案例式教學(xué)改革方案。主要通過以GLUON-613 機(jī)器人為案例框架的案例引導(dǎo)式教學(xué)模式、理論實(shí)踐同步教學(xué)、案例同步仿真教學(xué)等方法，進(jìn)行案例式的教學(xué)框架設(shè)計(jì)、教學(xué)仿真設(shè)計(jì)、教學(xué)方法優(yōu)化，從而改善學(xué)生學(xué)習(xí)效果，提升學(xué)生解決綜合問題的能力，為培養(yǎng)應(yīng)用復(fù)合型人才打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。