新工科背景下機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制課程教學(xué)改革研究

摘 要：借鑒新工科的理念，尤其是跨學(xué)科融合和工程實(shí)踐導(dǎo)向的特點(diǎn)，提出了以項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)為核心的教學(xué)方法，以提升學(xué)生的實(shí)際問題解決能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神的培養(yǎng)。結(jié)合最新的技術(shù)趨勢和應(yīng)用場景對課程內(nèi)容進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，使課程更貼近工業(yè)實(shí)踐和前沿技術(shù)。在教學(xué)評估方面，引入多維度評價(jià)體系，全面考查學(xué)生的綜合能力和創(chuàng)新潛力。通過教學(xué)實(shí)踐，證明了新工科背景下機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制課程教學(xué)改革的有效性與可行性，為未來機(jī)器人教育提供有益的經(jīng)驗(yàn)和啟示。

關(guān)鍵詞：新工科；機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制課程；教學(xué)改革

在新工科背景下，機(jī)器人控制技術(shù)作為前沿領(lǐng)域備受關(guān)注，這對于培養(yǎng)工程技術(shù)人才提出了更高的要求。在這一背景下，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制課程的教學(xué)改革顯得尤為重要和迫切。傳統(tǒng)的工科教育側(cè)重于理論知識的傳授，而新工科則倡導(dǎo)更加注重實(shí)踐應(yīng)用、跨學(xué)科融合的教學(xué)模式。隨著機(jī)器人技術(shù)的飛速發(fā)展，對工程技術(shù)人才的要求不再僅停留在理論層面，而是更加注重學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力、問題解決能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作及創(chuàng)新能力。新工科的核心理念強(qiáng)調(diào)跨學(xué)科融合和實(shí)踐導(dǎo)向，要求工程技術(shù)人才具備更為全面的素養(yǎng)。因此，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制課程的教學(xué)改革需從傳統(tǒng)的知識灌輸模式轉(zhuǎn)變?yōu)樽⒅貙?shí)踐應(yīng)用和創(chuàng)新能力培養(yǎng)的模式。

當(dāng)前，工業(yè)界對機(jī)器人技術(shù)的應(yīng)用需求也在不斷拓展，其范圍已不再僅限于傳統(tǒng)的制造業(yè)，還涉及醫(yī)療、服務(wù)業(yè)等多個(gè)領(lǐng)域。因此，我們需要重新評估課程設(shè)置，以確保學(xué)生在深刻理解運(yùn)動(dòng)控制理論的同時(shí)，能夠?qū)⑦@些知識靈活運(yùn)用于不同領(lǐng)域。本研究的背景正是基于對新工科背景下機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制課程教學(xué)的迫切需求，目的是通過系統(tǒng)性的研究與改革，探討如何更好地滿足學(xué)生的知識需求、提高其實(shí)際應(yīng)用能力，為新工科教育提供具有實(shí)質(zhì)性意義的經(jīng)驗(yàn)與啟示。在此背景下，我們需要審視傳統(tǒng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制課程的局限性，諸如過于理論化、脫離實(shí)際應(yīng)用、難以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣等問題。通過深入理解新工科教育理念，我們可以更好地制定適應(yīng)時(shí)代發(fā)展需求的教學(xué)目標(biāo)和方法。這包括引入先進(jìn)的教學(xué)技術(shù)，如虛擬仿真環(huán)境，提供更貼近實(shí)際的案例教學(xué)，以及強(qiáng)調(diào)學(xué)科之間的融合，培養(yǎng)學(xué)生的綜合素養(yǎng)。

一、計(jì)算機(jī)組成原理課程教學(xué)現(xiàn)狀

機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制課程作為工程學(xué)、自動(dòng)化、機(jī)械工程、電子工程等相關(guān)專業(yè)的核心課程之一，課程旨在介紹機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制的基本原理、算法和技術(shù)，同時(shí)還涉及實(shí)際應(yīng)用和系統(tǒng)開發(fā)。

（一）課程內(nèi)容與行業(yè)需求不匹配

隨著機(jī)器人技術(shù)的迅速發(fā)展，行業(yè)對于具備更廣泛技能的工程師的需求不斷增長。然而，一些傳統(tǒng)的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制課程仍偏重于理論教學(xué)，而忽略了對實(shí)際應(yīng)用技能的培養(yǎng)?，F(xiàn)代工業(yè)和服務(wù)機(jī)器人需要工程師能夠靈活應(yīng)對各種復(fù)雜環(huán)境和任務(wù)，但當(dāng)前的課程仍停留在傳統(tǒng)的控制算法和理論模型上。這種教學(xué)模式在一定程度上忽略了學(xué)生對實(shí)際問題解決能力的培養(yǎng)，缺乏對工程實(shí)踐的引導(dǎo)，難以激發(fā)學(xué)生的學(xué)科興趣和創(chuàng)新思維。在這種環(huán)境中，學(xué)生往往只能被動(dòng)地接受知識，難以主動(dòng)地掌握知識并將其應(yīng)用于解決實(shí)際問題。同時(shí)，計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的快速發(fā)展導(dǎo)致傳統(tǒng)課程內(nèi)容顯得陳舊。新興技術(shù)如邊緣計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等，在計(jì)算機(jī)組成原理課程中未能得到充分體現(xiàn)，這可能導(dǎo)致學(xué)生在畢業(yè)后難以適應(yīng)新技術(shù)環(huán)境。此外，傳統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和體系結(jié)構(gòu)課程內(nèi)容主要聚焦于機(jī)器人的基本組件和原理，未能充分關(guān)注當(dāng)前熱門領(lǐng)域，使得畢業(yè)生缺乏對行業(yè)最新趨勢的了解。

（二）課程教學(xué)資源與平臺建設(shè)滯后

隨著機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域的迅猛發(fā)展，部分教材未能及時(shí)更新，無法反映最新的研究成果、工程實(shí)踐和技術(shù)趨勢。這使得學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中難以接觸最新的運(yùn)動(dòng)控制算法、實(shí)用工具和最佳實(shí)踐，進(jìn)而影響了他們在面對實(shí)際機(jī)器人工程挑戰(zhàn)時(shí)的信心。同時(shí)，課程教學(xué)資源普遍缺乏實(shí)踐性和互動(dòng)性。機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制不僅要求學(xué)生掌握理論知識，更需要其具備實(shí)際操作和解決問題的能力。然而，一些課程可能過于側(cè)重理論講解，而缺乏實(shí)際操作和互動(dòng)性。機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制是一門注重實(shí)際問題解決的學(xué)科，但有些課堂可能缺乏實(shí)際案例、實(shí)驗(yàn)或項(xiàng)目的引入，導(dǎo)致學(xué)生對于理論知識的應(yīng)用能力不足。此外，傳統(tǒng)的課堂教學(xué)方式可能尚未充分利用現(xiàn)代教育技術(shù)，如虛擬實(shí)驗(yàn)平臺、仿真軟件和在線協(xié)作工具等，從而無法為學(xué)生提供更加生動(dòng)、具體的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。

（三）課程考核方式單一

評估方法的單一性是當(dāng)前教學(xué)現(xiàn)狀中一個(gè)顯著的問題。一方面，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制課程的考核方式過度側(cè)重傳統(tǒng)的筆試形式，這種考核方式往往只關(guān)注學(xué)生對理論知識的掌握情況，未能充分評估他們在實(shí)際應(yīng)用和解決實(shí)際問題中的能力。機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制涉及實(shí)際操作、編程、問題解決和工程實(shí)踐等，但傳統(tǒng)的筆試形式顯然難以全面反映學(xué)生在這些方面的技能。另一方面，實(shí)踐性評估的缺失也是一個(gè)不容忽視的問題?，F(xiàn)有的考核方式可能未充分利用實(shí)驗(yàn)報(bào)告、項(xiàng)目作業(yè)、仿真實(shí)踐等形式來評估學(xué)生在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制中的應(yīng)用能力。機(jī)器人領(lǐng)域需要學(xué)生具備實(shí)際操作的能力，因此，若缺乏實(shí)踐性評估，可能使得學(xué)生在理論與實(shí)際應(yīng)用之間存在脫節(jié)。

另外，考核方式可能缺乏個(gè)性化和綜合性。因?yàn)槊總€(gè)學(xué)生的學(xué)習(xí)方式和背景各不相同，而過于單一的考核形式可能無法全面展現(xiàn)學(xué)生的潛力和優(yōu)勢。同時(shí)，缺乏綜合性評估可能導(dǎo)致無法全面評估學(xué)生在知識、技能、團(tuán)隊(duì)協(xié)作等方面的表現(xiàn)。為解決這一問題，可以考慮引入多元化的評估手段，如開放式問題解答、實(shí)際項(xiàng)目報(bào)告、實(shí)驗(yàn)操作與報(bào)告、團(tuán)隊(duì)協(xié)作項(xiàng)目等。這些方式能更有效地評估學(xué)生在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域的實(shí)際操作能力和創(chuàng)新思維。此外，采用個(gè)性化的評估方式，如學(xué)生自主選題或個(gè)性化項(xiàng)目，不僅能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，還能更好地展現(xiàn)他們的特長和優(yōu)勢。通過這樣的考核方式能更好地適應(yīng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域的教學(xué)需求，促進(jìn)學(xué)生的全面發(fā)展。

本文對原有的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制課程進(jìn)行了教學(xué)資源的優(yōu)化整合，并更新了教學(xué)方法，以期實(shí)現(xiàn)該課程與機(jī)器人工程專業(yè)課程的緊密銜接。

二、教學(xué)改革的內(nèi)容和主要措施

機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制課程教學(xué)改革旨在提升教學(xué)質(zhì)量和培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際應(yīng)用能力。首先，課題組更新了課程內(nèi)容，將最新的運(yùn)動(dòng)控制理論和實(shí)踐案例融入教學(xué)，確保學(xué)生能夠緊跟領(lǐng)域的發(fā)展趨勢。其次，注重實(shí)踐，引入豐富的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和仿真演練，讓學(xué)生在實(shí)際操作中深化對運(yùn)動(dòng)控制原理的理解，提高解決實(shí)際問題的能力。同時(shí)，為了激發(fā)學(xué)生團(tuán)隊(duì)協(xié)作和創(chuàng)新思維能力，課題組推行了團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目制，讓學(xué)生在小組中共同解決真實(shí)的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制問題。此外，采用多元化評估方法，包括期中期末項(xiàng)目報(bào)告、實(shí)際操作成績和參與度評估等，全面了解學(xué)生在知識掌握和實(shí)際運(yùn)用方面的能力與水平。通過這一系列的改革措施，旨在打造更富挑戰(zhàn)性和實(shí)用性的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制課程，培養(yǎng)具備創(chuàng)新精神和實(shí)際操作技能的機(jī)器人工程專業(yè)人才。具體研究內(nèi)容如圖1所示。

（一）錨定課程建設(shè)目標(biāo)

機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制課程是機(jī)器人工程專業(yè)的核心主干課程之一，融合了公共基礎(chǔ)課和專業(yè)基礎(chǔ)課的基本理論與技術(shù)。作為重要的專業(yè)核心課程之一，旨在培養(yǎng)學(xué)生具備機(jī)器人工程問題分析、機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、運(yùn)行和維護(hù)等方面的初步能力。因此，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制課程的教學(xué)目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生以下能力。

理解機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制理論：學(xué)生應(yīng)能夠深入理解機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制的基本理論，包括運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、軌跡規(guī)劃等方面的知識。掌握運(yùn)動(dòng)控制算法：學(xué)生需要掌握不同的運(yùn)動(dòng)控制算法，例如PID控制、模型預(yù)測控制（MPC）等，以實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的精準(zhǔn)控制。應(yīng)用傳感器技術(shù)：學(xué)生應(yīng)能夠熟練應(yīng)用各類傳感器，如編碼器、慣性傳感器、視覺傳感器等，用于實(shí)時(shí)感知和反饋機(jī)器人的姿態(tài)和位置信息。系統(tǒng)設(shè)計(jì)與調(diào)試：學(xué)生需要具備設(shè)計(jì)機(jī)器人控制系統(tǒng)的能力，包括硬件和軟件的整合，并能夠進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試和優(yōu)化。仿真與實(shí)驗(yàn)技能：學(xué)生應(yīng)具備使用仿真工具進(jìn)行機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和驗(yàn)證的能力，并在實(shí)驗(yàn)環(huán)境中實(shí)施相應(yīng)的控制策略。團(tuán)隊(duì)協(xié)作與溝通：通過團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目，培養(yǎng)學(xué)生在團(tuán)隊(duì)中協(xié)作和溝通的技能，以共同解決機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域的實(shí)際問題。應(yīng)用與實(shí)踐能力：學(xué)生應(yīng)了解機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制在工業(yè)、服務(wù)、醫(yī)療等領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用，并能夠?qū)⑺鶎W(xué)知識應(yīng)用到實(shí)際工程項(xiàng)目中。該課程旨在為學(xué)生提供全面的理論基礎(chǔ)和實(shí)踐技能，使其能夠在機(jī)器人工程領(lǐng)域具備初步的問題解決和工程實(shí)踐能力。

（二）根據(jù)教學(xué)目標(biāo)更新教學(xué)內(nèi)容

根據(jù)機(jī)器人工程專業(yè)的建設(shè)目標(biāo)，我們主要通過以下三個(gè)方面更新教學(xué)內(nèi)容。緊密結(jié)合機(jī)器人工程領(lǐng)域的實(shí)際需求。隨著科技不斷發(fā)展，機(jī)器人應(yīng)用范圍日益擴(kuò)大，從制造業(yè)到醫(yī)療保健，從服務(wù)業(yè)到日常生活，機(jī)器人在各個(gè)領(lǐng)域都發(fā)揮著關(guān)鍵作用。因此，課程內(nèi)容應(yīng)緊密聯(lián)系行業(yè)實(shí)際，注重培養(yǎng)學(xué)生實(shí)際解決問題的能力，強(qiáng)調(diào)跨學(xué)科知識的融合，使學(xué)生能夠適應(yīng)多樣化的工作場景。緊跟機(jī)器人領(lǐng)域最新發(fā)展趨勢。隨著人工智能、深度學(xué)習(xí)、云計(jì)算等前沿技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域也在不斷演進(jìn)。新的傳感器技術(shù)、智能控制算法以及模塊化設(shè)計(jì)理念，都將對機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制帶來全新的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。因此，課程內(nèi)容應(yīng)不斷更新，涵蓋最新的技術(shù)動(dòng)態(tài)，關(guān)注未來機(jī)器人領(lǐng)域的發(fā)展趨勢，如自主導(dǎo)航、人機(jī)協(xié)作、智能感知等，從而培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和快速學(xué)習(xí)能力的素養(yǎng)，確保學(xué)生能夠迎接未來的挑戰(zhàn)。創(chuàng)新課堂教學(xué)形式。教學(xué)形式的創(chuàng)新是更新機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制課程的關(guān)鍵一環(huán)。因此，引入項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)室實(shí)踐、遠(yuǎn)程協(xié)作和虛擬實(shí)景等創(chuàng)新教學(xué)形式至關(guān)重要。通過設(shè)計(jì)與實(shí)施實(shí)際項(xiàng)目，學(xué)生可以將理論知識應(yīng)用到實(shí)際問題中，培養(yǎng)他們解決實(shí)際問題的能力。同時(shí)，邀請行業(yè)專家擔(dān)任導(dǎo)師，引入企業(yè)實(shí)踐項(xiàng)目，能夠幫助學(xué)生更好地了解行業(yè)需求和應(yīng)用場景。

（三）打造基于案例教學(xué)的生動(dòng)課堂

通過案例教學(xué)，可以為機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制課程注入更多生動(dòng)且真實(shí)的元素。例如，在陌生環(huán)境中對無人駕駛車進(jìn)行路徑規(guī)劃。路徑規(guī)劃是指在一定的環(huán)境模型基礎(chǔ)上，給定無人駕駛汽車起始點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)后，按照性能指標(biāo)規(guī)劃出一條無碰撞、能安全到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)的有效路徑。路徑規(guī)劃主要包含兩個(gè)步驟：建立包含障礙區(qū)域與自由區(qū)域的環(huán)境地圖，以及在環(huán)境地圖中選擇合適的路徑搜索算法，快速實(shí)時(shí)地搜索可行駛路徑。路徑規(guī)劃結(jié)果對車輛行駛起著導(dǎo)航作用，它引導(dǎo)車輛從當(dāng)前位置行駛到達(dá)目標(biāo)位置。

給定汽車起始位置P點(diǎn)和汽車終點(diǎn)位置Q點(diǎn)。路徑規(guī)劃的任務(wù)是尋找一條最優(yōu)路徑使汽車從起始位置P，不與障礙物碰撞到達(dá)目標(biāo)位置Q。假設(shè)汽車從起始點(diǎn)總共經(jīng)過M步到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)，則目標(biāo)函數(shù)為智能汽車的無碰撞路徑長度L，并使其長度達(dá)到最短，其表達(dá)式可以表示為：

式子中，d（m）為歐式距離。課題組主要采用蟻群算法搜索策略，通過蟻群算法我們可以得到其行駛路徑圖。

（四）進(jìn)行多元化的教學(xué)考核

為了實(shí)現(xiàn)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制課程的多元化教學(xué)考核，采用綜合考核手段。除了傳統(tǒng)的理論知識測試，還鼓勵(lì)學(xué)生積極參與實(shí)際編程項(xiàng)目，通過完成機(jī)器人路徑規(guī)劃等任務(wù)來評估他們的實(shí)際操作和編程技能。通過小組項(xiàng)目與演示培養(yǎng)他們的團(tuán)隊(duì)協(xié)作與溝通能力，實(shí)驗(yàn)報(bào)告評估實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和報(bào)告撰寫能力。引入案例分析與問題解決，檢驗(yàn)學(xué)生的分析能力。參與度與討論評估學(xué)生的主動(dòng)學(xué)習(xí)程度，而開卷考試注重理解和運(yùn)用。實(shí)地考察、技術(shù)展示、開放式項(xiàng)目等形式則拓展了考核維度，鼓勵(lì)學(xué)生應(yīng)用知識于實(shí)際場景。通過多元化的考核方式，旨在全面了解學(xué)生在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域的綜合素養(yǎng)，培養(yǎng)其創(chuàng)新、合作、解決問題的能力。

三、結(jié)語

在新工科的大背景下，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制課程的改革是對傳統(tǒng)教學(xué)模式的有益補(bǔ)充。本研究致力于打破學(xué)科之間的界限，使課程更具前瞻性和實(shí)用性。這次改革的成功得益于師生的共同努力，同時(shí)，也離不開學(xué)校對新工科理念的積極落實(shí)。期望通過這次研究，可以為其他相關(guān)課程的改革提供經(jīng)驗(yàn)和啟示。

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