关于本科教育机器人教学的思考

王 剑,马宏绪,黄茜薇,刘建平

(国防科技大学机电工程与自动化学院,湖南长沙 410073）

关于本科教育机器人教学的思考

王 剑,马宏绪,黄茜薇,刘建平

(国防科技大学机电工程与自动化学院,湖南长沙 410073）

智能机器人在高等院校工科信息类专业教育中具有重要作用。本文首先简要介绍了我校在机器人教学和竞赛组织方面的基本情况,特别针对目前面向自动化、仿真和机械专业本科生所开设的“军用机器人技术”课程,详细介绍了它的教学目标、教学内容、教学方法、实验以及考核方式。最后,我们结合教学实践,从教学内容、方法和实验以及与竞赛的结合等方面提出了“军用机器人技术”的课程建设与改进的意见。

机器人教学;课程建设;机器人实验;机器人竞赛

0 引言

智能机器人是当今技术前沿之一,集成了生物、机械、电子、材料、能源、计算机硬件、软件、人工智能、多媒体技术、通讯技术和网络技术等众多领域的尖端科技。因此,以机器人作为研究对象建设教学平台具有很高的学术价值,有利于从系统角度开拓学生视野,培养学生的科学素质和团队意识[1-3]。

国内外许多高等院校都已开展了机器人教学工作。麻省理工学院开设了“认知机器人学”、“机器人学导论”、“自控机器人设计竞赛”和“机器人编程竞赛”等课程,分别在航空航天学、机械工程学和电气工程与计算机科学专业中开设;俄勒冈州立大学电子工程与计算机科学系分别在“电子设计概念导论”、“计算机原理与汇编语言”和“机械设计”等多门课程中,使用TekBots机器人作为学习平台;北京邮电大学为本科生开设了“工业机器人技术”,相应的实验课为“机器人系统综合性试验”[4];浙江大学自动控制系为本科生开设了“机器人学”,在校内组织了多种形式的机器人竞赛活动,包括FIRA小型组足球机器人竞赛、开放性公共目标机器人竞赛。总之,国内外高校广泛开展了以机器人为对象的教学平台建设,开设机器人技术课程、开展本科毕业设计的机器人实践活动以及多层次机器人竞赛活动。

我校很早开设了面向研究生的“机器人控制”课程,2000年以后,为机械、自动化和仿真专业的本科生开设了“军用机器人技术”课程,并针对相关专业的硕士和博士研究生增设了机器人设计高级专题研讨。此外,我校还组织参加国内外各种机器人竞赛,包括本科生层次的CCTV机器人大赛、智能车大赛以及面向研究生的FIRA小型组、仿真组足球机器人比赛和RoboCup中型组足球机器人和救援机器人比赛等。

1 本科机器人课程情况

我校本科生“军用机器人技术”课程安排在第6学期。通过课程内容的合理拓展,充分挖掘学生的潜力,培养学生的创新意识和创新能力,实现了学生的个性化发展。

1.1 课程开设目标

“军用机器人技术”课程开设的目标主要有以下三个方面:①使学生了解机器人技术的基本发展历程及其综合性特点;②突出军事特色,使学生了解军用机器人目前的发展现状与基本技术水平;③使学生掌握军用机器人原理和关键技术。

1.2 教学内容与基本教学方法

“军用机器人技术”课程的内容包含五大部分:①机器人的基本概念、分类方法与发展历程;②军用机器人的分类及战场作用与使用特点;③以典型军用机器人系统为例,介绍机器人系统原理与建模方法;④军用机器人感知技术;⑤机器人控制技术。

第①和第②部分主要用于帮助学生建立机器人的基本概念。课程的重点内容在第③至第⑤部分,是学生进行机器人系统分析、设计和应用的基础[5]。

教学方法上,一方面要能反映当前军用机器人技术的发展现状与趋势,结合动画和录像的演示,增强教学的时效性;另一方面突出基本概念,特别是机器人系统的概念,帮助学生真正理解机器人技术。

1.3 实验与考核

“军用机器人技术”课程目前只有演示性实验,尚无学生动手参与的专项实验和设计性实验。后续教学计划中,已经对部分教学内容进行调整,增加相应的专项实验,而设计性的实验则主要通过相应的机器人竞赛逐步开展,如央视机器人大赛和智能车大赛等。

“军用机器人技术”课程在考核方式上,主要考察学生自主学习和积极思考的能力。因此,笔者在实际的教学过程中,采用了学生组队自主选题进行系统设计和机器人相关技术探讨并撰写论文的方式。我们按照自愿报名的原则,用2学时左右的时间,让部分学生上讲台宣读其研究成果或者探讨问题,然后大家一起提问讨论。对学生经过调研、分析和设计所形成的论文进行综合评审。实践表明,这一教学形式能够较好地调动学生学习的积极性,培养其主动学习的能力。

2 课程建设与改进的思考

2.1 教学内容的更新

从工科本科生的培养目标来看,机器人课程的教学内容应围绕机器人系统进行增补和删减,明确哪些内容是本科阶段需要掌握的,哪些内容可以留待研究生阶段进一步深入学习。

例如,在机器人建模方法中,不必深究动力学建模和逆运动学计算方法等,而宜将重点放在前向运动学原理与计算中。当学生应用这些知识进行典型机器人的规划与控制实验时,自然会联想到逆运动学问题;当进行高速运动控制实验时,学生会通过实验现象认识到动力学特性对于控制的影响。

另外,在传感器原理讲述中,应侧重于目前机器人系统中应用较多的一些传感器,如测速码盘、测角位置用的电位计和局部定位的激光测距仪等,而应用较少的传感器,如测速发电机等内容可以删减。同时,每一学期都应对各种类型的传感器案例进行整理,补新删旧,这有利于学生获取最新的知识和信息,这对于后续的传感器选型和系统设计等都是至关重要的。

2.2 机器人技术的实验教学

(1)增加机器人的专项实验

专项实验主要包括虚拟仿真实验和实际系统的专项实验。如针对运动学问题的典型机器人系统的规划控制实验和针对传感器基本原理的机器人单关节控制实验或双轮差速小车速度伺服实验。

(2)开设开放性的机器人实验

我们结合了某几类竞赛的系统设计,作为主要的实验内容。随着实验的逐步开展,也可以设定某几类共同的设计目标。在控制技术实验室里,我们面向学生开设开放性实验项目。学生首先提交相关的设计论证报告,指导教师给出相应的意见。在设计论证报告通过后,实验室将提供一定的技术支持,在元器件和加工制作上给与经费支持,最终指导学生完成相应的系统设计与制作,实现其预期功能。

2.3 实验指导老师的培训

由于机器人系统本身的特殊性和综合性,实验指导和管理的难度比较大,对实验指导教师的能力有较高的要求。因此,需要加强实验指导教师的相关知识与技能培训,使他们具有自己独特的专长,如机构设计与故障诊断排除、电路设计和系统设计等方面的专长。

2.4 加强课程教学与竞赛的结合

从本科机器人教学的目标来看,使学生掌握机器人技术基本原理,并应用于系统设计以完成某些功能最为重要。而机器人竞赛可以展现学生这些能力,要求学生在明确目标和规则下完成指定的系统分析、设计任务与功能实现。

例如,笔者在讲授传感器原理部分时,结合智能车速度控制精度与光电码盘的选型这一竞赛中的具体问题展开,发现学生很快就能理解码盘工作的基本原理,证明这是一个可供参考的、直观的案例,既有利于教学任务的实施,又有利于今后竞赛的开展。

3 结语

本文从机器人教学的重要性出发,简单介绍了我校机器人教学开展的基本情况,具体分析了我校本科机器人技术课程的现状和特点,结合笔者自身的实践经验,提出了本科机器人课程建设与改进的几点意见。其中部分意见已在教学活动中得到体现,取得了良好的效果。笔者期望在今后的机器人教学实践活动中,能够利用各种有利条件和资源,积极创新,为我校机器人教学获取更大的成绩。

[1] 万佑红,蒋国平.机器人教育与大学生创新能力培养的探索[J].南京:电气电子教学学报,27(4):6-9

[2] 陆承景.对机器人学科教学目标和内容的实践与思考[J].北京:中国电化教育,27(12):72-73

[3] 吴献钢.智能机器人创新实验的实践与改革[J].成都:实验科学与技术,6(5):102-103,121

[4] 魏世民.北京邮电大学机器人教学与竞赛实践[J].北京:机器人技术与应用,21(5):31-33

[5] 白井良明(日)编著,王棣棠译.机器人工程[M].北京:科学出版社.2006

Study on Robotics Teaching for Undergraduates Education

WANG Jian,MA Hong-xu,HUANG Qian-wei,LIU Jian-ping

(Co llegeo f Mechtronic and Automa tion,NationalUn iversity o f De fense Techno logy,Changsha 410073,China)

Intelligent robot p lays an im portant role in modern engineering education in institute of high learning.This paper introduces robot teaching and robot competition organization in our university firstly.Then themain objective,content,teachingmethod,experiments and forms of examination of Technology of Military Robots course,w hich is set up for undergraduatesmajoring in automation,simulation and mechanical engineering,are exp lained in detail.Finally,com bined w ith personal teaching activities,several suggestions are proposed,which are related to content,teaching techniques,experimentsand combination with robot competitions.

robot teaching;construction of course;robot experiments;robot competition

TP242

A

1008-0686(2011)02-0019-03

2010-07-21;

2010-11-28

王 剑(1978-),男,博士,讲师,主要从事机器人技术、非线性系统控制等教学科研工作,E-mail:jianw ang12@nudt.edu.cn

马宏绪(1966-),男,博士,教授,主要从事智能机器人系统、空中机器人、仿人机器人等相关方向的教学科研工作,

E-mail:mhx1966@163.com