机器人创新实验室的多元化模式探究

姚志凤，薛少平，陈亚娟

(西北农林科技大学机电工程学院，陕西杨凌 712100)

将机器人引入大学生实践教学环节，可以打破学科间的界线，加强计算机科学、机械制造、电子信息工程以及自动控制等几个相关学科间的横向联系，让学生能够从一个系统工程的角度，整体地理解所学的理论知识，扩展综合专业知识，提高创新实践和自主构建知识的能力［1，2］。国内许多高校都开展了与机器人相关的实验教学和课外活动。但是，如何围绕机器人来构建多元化的实践创新培养体系，真正利用好机器人这一平台，是一个值得关注的问题［3］。本文提出了机器人创新实验室多元化模式的建设方案，并从实验平台、培养模式以及管理模式等诸方面对实验室建设进行了有益的探索。

1 机器人实验平台的多元化建设

高校中机器人实验室的服务功能，大致可以分成以下几类:①机械类和电子类学生的基础训练;②非机械类、非电子类学生的工程训练;③机械类和电子类学生的课程设计和毕业设计;④大学生科学创新项目;⑤机器人竞赛等。

为了适应不同学科和不同层次学生的需要，实验室依照从简单到复杂，由入门到精通，建设了三个层次的实验平台。

(1)初级机器人平台

针对大一和大二的学生工程训练时间短和专业基础薄弱的特点，平台上主要进行认知教育，通过介绍和演示机器人的功能将学生对机器人的浓厚兴趣引向对其工作原理的了解。为此，实验室设置了扑翼飞行机器人、自主移动机器人、博思人形机器人和创意之星机器人等多个实验设备。这些实验设备具有操作简单、形象直观和适用面广的特点。其中，扑翼飞行机器人是一种仿生飞行器，它仿照鸟类扑翼飞行方式设计;自主移动机器人按照机器人足球大赛的要求和标准设计制作，通过采样传感系统追踪定位目标;博思人形机器人是一款智能化机器人，具有17个自由度，通过自身智能编程软件能自动地完成如舞蹈、行走、起卧和翻跟斗等高难度动作;创意之星机器人则有770多个高强度、高韧性的结构件，结构件间可以任意连接，可以组装成小车、多足机器人和蛇形机器人等多种不同造型的机器人。

(2)中级机器人平台

针对大三和大四的机械类和电子类学生的课程设计和毕业设计，实验室配置了工业机器人实验平台和宝贝车实验平台和模块化生产系统平台。实践教学中，侧重介绍机器人各部分的工作原理，引导学生注重相关学科知识的学习，培养学生运用多学科知识进行综合研究的科学素质。以模块化生产系统为例，它融机械、气动、传感、电气及计算机等技术于一体，既接近于工业生产实际设备，又便于学生实际操作训练。学生通过对模块生产系统的实际操作、测绘、制图、PLC编程设计和运行工作，掌握各部分的功能、结构、工作原理和设计方法，从而认识现代工业自动化生产特点和过程。

(3)高级机器人平台

针对大学生科技创新项目和机器人竞赛，实验室在初、中级机器人实验的基础上，强化了机器人的软硬件，拓展了机器人的功能，为学生提供了开放式的设计平台。例如:欧鹏的宝贝机器人是一个微型自主移动机器人设备，核心是单片机控制器。通过扩展传感器、超声波和红外等外部接口，使宝贝机器人增加了触觉避障、寻光、巡线、灭火、搬运、温湿度检测和巡游校园等功能，为机器人大赛提供了多元化的研究平台。为了培养学生协同作业和团队合作的精神，实验室将四台两自由度机械臂联成资源共享的网络控制系统，由一套8轴嵌入式网络运动控制器通过HUB对8台学生电脑联机控制。同时，机械臂又增加了多种绘图控制方式，包括:计算机编程控制绘图、鼠标绘制图形和手写板绘制图形;通过数码照相机或摄像头拍摄照片，提取图像轮廓点阵图形绘制素描图像等。改进后的两自由度机器臂人机交互界面友好，功能完备，成功支持了多项大学生科技创新项目。

2 学生培养模式的多元化

机器人教学是以培养学生的创新思维、科学品质、探索精神和实践能力为目标的［4］，因而在实验教学中，我们采用了项目式、团队竞赛式和答辩式等多元化培养模式。

(1)项目式—教师在课前下发项目书，每个项目都有一个核心任务，针对任务，提供相关的参考资料。学生可自主选择项目，也可在课程和平台可支持的范围内自立项目。学生可自行决定时间和进度，但教师通过设置项目节点的方式进行启发式督导，引导学生完成从设计、执行到论证的全过程。

(2)团队竞赛式—以团队合作的方式，开展实践教学。根据实验的难度和设备的数量，每个团队由2到4人组成，共同完成一项任务。团队竞赛的学习方式，既可以加强学生间的交流与合作，又创造了互相竞争的学习气氛。

(3)研讨答辩式— 在实验考评方面，由学生走上讲台，进行答辩和演示。学生首先进行自评，评价自己的构想设计，分享实验中的问题和收获。然后，让其他学生进行提问，问题涉及实验方案、过程论证和实验结论等各个环节。最后，由教师进行总体评价。这种评价方式可以真实反映学生水平。

3 实验室管理模式的多元化

为提高设备的利用率，增加学生的实践机会，根据创新设计特点和需求，机器人实验室实行多元化和开放式管理［5］。

(1)布局多样化—传统实验模式下，教师是主导，学生处于接受知识的被动地位，课堂缺乏互动和交流。为了改变这一状况，实验室打破原有教室的布局，在摆放桌椅时，考虑到学生的讨论与互动的便利，改成圆桌式布局，让学生成为课堂的主人，以研讨的方式进行问题分析、方案设定和实施论证。

(2)时间开放式—实验室全天候开放，学生提前预约，尽量满足学生的合理要求，保证学生有足够的时间完成实验或是科技创新项目。

4 结语

我校机器人创新实验室支持了多项国家级、校级大学生科技创新项目和本科毕业设计。同时，它为大学生挑战杯竞赛、全国大学生电子设计竞赛提供了实验平台和技术指导，使参赛的我校学生取得了全国二等奖1项和省级奖多项的好成绩。

机器人创新实验室的多元化建设是我校实践教学改革的一次有益尝试，激发了学生科技研发的兴趣和爱好，培养学生的创新精神和团队合作精神，同时也为活跃校园科技，培养科技创新人才提供了一个有益的平台。

［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，2005，(04)

［2］ 薛子云.以“Future Star”为平台的机器人课程的研究与创新［A］.北京;高教学会实验室工作研究会2010年学术研讨会论文集(上册)［C］，2010

［3］ 陈小平，罗文坚.以机器人实验为载体的实践创新培养体系研究［J］.合肥:研究生教育研究，2011，(03)

［4］ 李彦林，郭建新，胡蓉.工程训练课程体系中机器人模块教学改革［J］.成都:实验科学与技术，2010，(05)

［5］ 王咏梅，葛建宏，王炳谦.机器人创新开放实验室建设［J］.上海:实验室研究与探索，2009，(11)