“机器人技术”课程授课方法与考评体系设置研究

王新庆　高娟　崔学政　赵学进　吴宝贵

摘要：针对“机器人技术”课程授课效果不理想的现状，本文提出了一种基于实践与项目创新的课程体系，并对相应的考评方法进行了研究。该授课方法以小组为单位，以学生的自我导向式理论学习方法为基础；采用软件仿真与实验相结合的理实一体化授课方法，强化实践教学环节；引入以项目设计为载体的创新能力培养方法，以深化理论知识，提高学生的创新精神与实践能力。

关键词：计算机仿真；实践教学；考核方式

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）14-0162-02

“机器人技术”是一门工科类院校普遍开设的公选课程，对激发学生的求知欲、培养学生的创新性思维具有重要作用。然而，一直以来教师往往采用“灌输”式的教学方法，学生被动接受[1]；理论教学和实践教学分别在两个不同的空间和时间完成，学生往往“就题论题”，而到了实际运用时完全不知道与实际问题的关联，再加上考核方式较为单一，很难考察学生的综合素质，也很容易“埋没”一部分具有特长的学生，更无法选拔优秀学生。

一、课程教学内容体系改革

本文之所以选择“机器人技术”中相关的内容为载体开展研究，是因为对于工科学生来说机器人是最引人入胜的，兼具理论与实践。课程授课方法主要涵盖三方面内容：课堂讲授环节、实践教学环节、项目创新设计及评比展示环节。

1.课堂讲授环节。为了克服传统教学采用的“灌输式”授课方法，本文采用以学生为主体的自我导向式学习方法，从而既能够兼顾不同学生的学习速度又允许学生在自己感兴趣的方向上深入探索。在常规讲课的基础上，引入两个模式：（1）个人专题模式。让学生讲解自己感兴趣的机器人，培养学生查阅资料、归纳总结的能力，锻炼学生的口头表达能力。通过该方法可以弥补课程教材的滞后，丰富教学内容，也有利于保持学生的兴趣。每次课讲15分钟。该部分成绩将作为期末考评的一部分。（2）小组竞争模式。课堂上提出问题，问题主要围绕每次课的重点内容，小组讨论得出答案，由于答案能够在不同的小组之间及时分享，有利于形成一种小组内的协作氛围。

2.实践教学环节。由于机器人技术中理论较为抽象，学生普遍反映内容枯燥，与机器人无法建立直观的联系。因此，本文通过实际工程应用的剖析、讲解帮助学生建立设计思维，为开展“项目创新设计环节”做准备。具体采用两种方法实施：（1）基于软件仿真方法。软件仿真在工程中的应用越来越广泛，相比于单纯的理论讲解，可以直观动态地进行演示，又弥补了单纯采用多媒体灵活性差的问题，能够极大地提高学生的认知感受性[2]。以常用的工程软件为主，例如SOLIDWORKS、MATLAB等，涵盖了三维造型、控制仿真等。针对不同章节，本文拟编制相应的演示程序，通过现场调参，深化理论知识。演示程序见表1。

软件仿真主要基于MATLAB Robotics Toolbox[3]，该工具箱由Peter Corke开发，集成了典型机器人的模型，例如：SCARA，PUMA560等不同坐标形式的机器人，并针对坐标变换、正/逆运动学、动力学、轨迹规划等编制了相应的M函数，进而可以通过可视化、交互式控制界面方便地进行机器人的建模及教学演示。以PUMA560机器人的运动学为例，只需输入PUMA560，drivebot（p560）等简单命令即可生成PUMA560的运动学模型，并可以实现如图1所示的滑块实时驱动方式。（2）基于实物演示方法。为了更为直观地理解机器人的控制方法，本文搭建一套仿人机械手的控制平台，见图2。试验平台为三关节仿人灵巧手指[4]，该手指可以简化为三连杆串联关节机器人，该手指采用直流无刷电机驱动，各关节处集成位置及力矩传感器，可以提供位置/力控制或力/位混合控制所需的信息。该机械手指以FPGA/DSP为主控芯片，以基于PC机的Platform为软件平台，通过C语言编程实现不同的控制方法，并能够实时显示各传感器信息。

在该平台基础上，结合不同章节的内容，安排了如表2所示的演示实验。

3.项目创新设计及评比展示环节。如何充分发挥每个学生的优势，协作完成一个机器人系统，对培养学生的协作能力、沟通能力具有重要的意义。考虑到不同专业学生的先修知识不同，本文在项目设计阶段分为两个层次：基础层次（机器人控制）与创新层次（自主设计机器人系统）。（1）基础层次。需要学生基于现有的硬件试验平台完成一项机器人控制实验。实验平台为图2所示。（2）创新层次。需要学生独立完成一项与机器人有关的设计，该设计可以采用现有的模块搭建一套原理样机；也可以完成一项机器人项目的原理验证、理论计算及撰写研究报告等。完成该层次的学生一般具有一定的创新潜力。教师需要对选题进行预审，因为难度过大的设计会影响学生的积极性。对本文选题主要围绕机器人结构的创新设计、传感器应用、数据采集算法编程及基本的位置/力控制编程等。

二、课程考核方式

将考核分解到日常教学中，既包括课堂知识，又涵盖一定的课外知识；既包括理论，又强调实践。具体成绩分配如下：（1）两次随堂测验（每次占20%）；（2）5次课下作业（30%）；（3）5篇外文文献阅读，并就其中的一篇作口头报告（10%）；（4）团队合作设计项目研究报告/答辩（20%）；其中，团队合作项目要求为：不少于8分钟的项目研究汇报、不少于5页的研究性论文。具体评分方法如下：由于每个学生在项目中的贡献不同，因此对其成绩的评定也应当有差别。拟采用组间互评及小组内互评的方法。组间互评采用五分制，评分依据见表3。

组间评分将作为小组内成员的基本得分，在此基础上采用组内互评的方法来区别各组员的得分；按照名次给予阶梯性的分差。设置的问题如下：（1）参与项目的动力有多大？（2）动手能力有多大？（3）在项目中的创新性贡献有多大？

三、教学改革授课效果的评价方法

一门课程改革是否有效，对授课效果的评价是重要的衡量标准。本文拟采用调查问卷的形式，设置的问题如表4：

四、结束语

通过本文提出的课程体系及考核方式改革将有助于推动学生发展更为严谨的学习态度，提高自主学习及解决问题的能力，以更大的热情投入到学习中去，后期将通过课程的具体实施检验本文所提出的方法。

参考文献：

[1]张瑜.大学生公共选修课的现状调查及对策研究[J].中国电力教育，2011，（09）：197-199.

[2]N. Rutten，W. R. van Joolingen，J. T. van der Veen. The Learning Effect of Computer Simulations in Science Education[J]. Computers & Education，2012（58）：136-153.

[3]P.I.Corke. Robotics，Vision & Control [M]. Springer，2011.

[4]樊绍巍.类人型五指灵巧手的设计及抓取规划研究[D].哈尔滨工业大学博士学位论文，2009.