综合性大学自动化专业机器人实践教学体系探索

郭东亮， 保延翔, 刘树郁， 常莉莉

(中山大学 公共实验教学中心， 广州 510006)

综合性大学自动化专业机器人实践教学体系探索

郭东亮， 保延翔, 刘树郁， 常莉莉

(中山大学 公共实验教学中心， 广州 510006)

针对综合性大学自动化专业存在的问题，中山大学探索构建基于机器人系统设计与实现的实践教学体系，通过在专业课程中引入机器人技术，并布置课程设计实现对应的功能模块，将综合性大学自动化专业的主要专业课程相互贯通，整合成一体化的机器人创新实践教学体系，学生最终有能力实现完整的机器人系统。通过该体系的实施，一方面使大学生能宏观把握各门专业课程之间的联系，调动学习兴趣，另一方面可以培养大学生的动手能力和创新意识，提高创新水平。该创新性实践教学体系取得了良好的教学效果。

综合性大学； 自动化专业； 实践教学体系； 机器人

0 引 言

教育部等有关部门已明确增加实践教学在高校教学中的比重，教育部财政部《关于实施高等学校本科教学质量与教学改革工程的意见》中强调：要大力加强实践教学改革，推进高校实践教学模式的改革与创新，促进学生自主创新兴趣和能力的培养。综合性大学自动化专业作为典型的工科专业，专业课程多、难度大。中山大学公共实验教学中心电子电工平台依托中山大学在学科建设、师资力量、科学研究和人才培养等方面的综合优势，本文在前期教学改革的基础上[1-5]，通过借鉴国内高校在实践教学改革方面的成功经验[6-16]，以培养自动化创新型拔尖人才为目标，构建了以机器人系统设计与实现为核心的实践教学体系，将自动化专业的主要专业课程相互贯通，在不同的课程中体现机器人技术，并分别实现对应的功能模块，最终实现一个完整的机器人系统。

1 自动化专业课程体系及存在的问题

1.1 自动化专业课程设置

自动化技术已经深入到工农业生产和国防科技等各个方面，要求学生基础扎实、知识面宽、综合素质高、实践能力强，适应21世纪社会和经济发展的需要，能系统掌握控制科学与工程学科扎实的基础理论、基本技能和方法，具有对电子电气电路、控制系统、智能系统进行分析、设计和研究开发的能力；掌握信号自动检测、模式识别、人工智能、数据处理的基础知识与技能；掌握计算机与网络控制技术；有严谨的科学作风和创新能力；具有独立进行科学研究、应用研究、分析和解决实际问题的能力。

我校自动化专业的主要专业课程按内容分类，主要有如下几个课程群：

(1) 电子电路课程群：电路基础理论及实验、模拟电子技术及实验、数字电路与逻辑设计及实验、电子技术综合设计、传感器技术；

(2) 程序设计课程群：程序设计I(C语言)、程序设计II(C++)；

(3) 计算机课程群：微机原理与接口、单片机原理及接口技术、计算机通信与网络、人工智能；

(4) 电力电子课程群：电力电子技术、电机与电机控制；

(5) 信号处理课程群：信号与系统、数字信号处理；

(6) 图形图像课程群：数字图像处理、计算机视觉；

(7) 自动控制课程群：控制原理I(自动控制原理)、控制原理II(计算机控制技术)、电气与可编程控制器、过程控制工程、自动化综合设计、机器人创新实践训练、机器人技术。

1.2 存在的问题

在自动化专业教学实践中，发现以下两方面突出问题：

(1) 课程多，难度大，学生对课程设置存在困惑。

由于专业的特点和技术的飞速发展，该专业课程多、难度大，在大学二、三年级每学期开设10门左右课程，容易导致教学效果下降。学生对专业课程设置、课程之间的关联存在困惑，学习效果容易受主观因素影响。

(2) 课程体系缺少明确的主线，创新实践水平难以提高。

该专业的课程体系缺少明确的主线，各门课程相对独立，技术积累、总结和提升不够，创新实践水平难以提高。

2 机器人实践教学及教育机器人的局限

2.1 机器人是自动化专业实践教学的理想平台

机器人技术综合了广泛学科的先进技术，它涉及计算机、电子、材料、人工智能等众多学科领域，其综合性强、技术新、应用领域广。2013年2月，微软公司创始人比尔·盖茨预言机器人、自动化技术及新交互技术将成为改变世界的新科技革命。2013年5月，全球最著名的管理咨询公司麦肯锡公司评出有望改变生活、商业和全球经济的12大颠覆技术，机器人技术位列第5位；2014年9月，美国高通公司于美国旧金山举行的2014移动开发者大会上，机器人成为亮点。

机器人教育在大学也越来越受到重视，并已经引入到实践教学中。机器人教育具有创新实践性和高度的综合性，能引导学生积极探索未知领域，提高学生的逻辑思维能力、分析和解决问题的能力、创新能力和团队协作能力。总之，机器人是自动化科技的融合和集成，是自动化专业实践教学的理想平台。

2.2 机器人创新实践提升自动化专业课程教学

图1是典型机器人系统原理框图，整个系统可分为传感器、主控制器、执行机构3个模块。

图1 典型机器人系统原理框图

机器人系统各模块与自动化专业课程的对接关系及机器人实践教学中机器人所起的主干作用如表1所示。由表可见，自动化专业现有课程体系中课程之间相对独立，向大学生传授的知识存在 “碎片化”倾向，一些课程应用面广，但又缺少具体、明确的应用需求。

在以机器人系统实现为主干的新的实践教学体系中，一方面，机器人应用为各门专业课程提供了需求，专业课程的目的性明确，创新实践有了具体、稳定的应用对象，有利于提高创新实践水平；另一方面，教学过程中大学生的学习兴趣也起到很大作用，机器人能有效激发学生的好奇心和学习兴趣，带动学生主动学习。因此，以兴趣为导向、以项目为框架的新教学体系将会收到良好的教学效果。

表1 机器人系统对接课程及机器人的主干作用

2.3 现有教育机器人无法满足自动化专业本科生的创新实践需求

国内已有很多品牌的教育机器人产品，教育机器人厂商为机器人技术的科普和技术创新做出了巨大贡献，但是，目前市场上的教育机器人尚存在如下问题：

(1) 底层软硬件不开放、给大学生的创新实践空间不够。以某品牌机器人创新设计套件为例，该套件以单片机为控制核心，以舵机为主要执行器，在图形化编程环境下编写控制程序，让机器人运动起来。该套件的核心硬件设备(主控制器、多功能调试器)是对外封闭的，学生无法深入了解硬件设备的技术细节，无法进行功能扩展，该实验平台的控制程序开发环境是图形化开发软件，使用简单，但对编程能力训练少。总体上，该套件简单易用，但不开放底层的软、硬件，功能相对固定，无法进行系统扩展，无法针对大学生层次设计创新性实验，给大学生的创新实践空间不够，学生无法将专业知识应用到机器人系统中。该套设备实际上是一套“高级积木”，用于机器人技术入门尚可，对于自动化专业的大学生，该平台不能满足深入学习和创新设计的需求。

(2) 价格昂贵，主要用于竞赛，学生受益面不够大。机器人教学需要有一个可操作的平台。目前，市场上各种品牌的教育机器人的价格普遍昂贵，动辄几万元的套件，其核心控制部件常是价格较低的单片机，其他的传感器、舵机部件、结构件的成本也较低廉，以红外测距传感器为例，国内厂商常采用日本SHARP公司的GP2D系列传感器，仅设计了外壳，相对而言，其市场售价过于昂贵。教育机器人昂贵的价格催生出一个现象：教育机器人的使用主体是大学生，但购买主体却是高校，教育机器人厂商通过各种形式的机器人竞赛、创新比赛推广自己的产品，教育机器人的使用者主要是参赛学生，整个大学生群体的受益面不够大。

3 机器人实践教学体系设计

3.1 总体实施计划

机器人是自动化专业实践教学的理想平台，而市场上现有的教育机器人无法满足自动化专业本科学生深入学习专业知识、将专业知识创造性应用的需求，因此，学校公共实验教学中心电子电工平台围绕机器人系统实现，对自动化专业实践教学体系进行改革和实践，一方面提高水平，一方面扩大受益面，具体实施步骤如下：

(1) 在大学一年级的专业导论课中提出大学四年专业实践总体规划，介绍自动化专业课程体系，并确立实现机器人系统的明确目标；

(2) 在之后的专业课程学习阶段，布置课程设计题目，要求学生运用所学专业知识设计制作机器人模块；

(3) 在本科高年级阶段，将机器人模块整合，实现一个整体的机器人系统。

3.2 具体实施步骤

表2是实践教学体系中各年级依托课程及教学目标。通过对机器人系统由浅入深的专业学习和创新设

计，激发学生的学习兴趣，培养创新性思维能力和动手实践能力，也可以为各类机器人竞赛储备人才。

合理设计实验项目，可以将专业课、毕业设计、综合设计对接到机器人系统中。表3所示为围绕机器人系统，部分专业课、毕业设计、综合设计布置的设计题目举例。

3.3 机器人实践教学体系与现有课程体系的比较

表4所示为以机器人为核心的实践教学体系与自动化专业现有课程体系的比较。由表可见，以机器人为核心的实践教学体系在教学环节的多个方面相对自动化专业现有课程体系均有优势。

表2 各年级依托课程及教学目标

表3 设计题目举例

表4 机器人实践教学体系与现有课程体系的比较

3.4 满足多层次需求

新教学体系是满足学生知识、能力、素质培养需求的多层次的实践教学体系(见图2)。按照入门学习、强化提高、创新竞赛、科学研究多个层次，为学生提供创新实践的软硬件条件，满足不同层次的需求。

图2 多层次创新实践教学体系

(1) 入门学习阶段。在低年级(大学一年级)阶段，学生在使用机器人实验套件过程中，需要查阅相关的技术文献，了解平台的硬件和软件情况，学习使用硬件设备(主控制器、传感器、舵机、结构件、调试器的连接和使用)和开发软件(控制程序开发软件、机器人舵机调试系统)，通过学习和实践打下良好基础。

(2) 强化提高阶段。在高年级的单片机技术、机器人技术等课程中完成课程设计，强化基本技能和动手能力，同时对已学的基本理论进行实验验证。

(3) 创新竞赛阶段。完成创新性实验项目、参加机器人竞赛，让大学生通过实验培养批判精神、探索精神和创新精神，学习获取知识、进行科学研究的方法，扩展和加深本科生的专业知识，训练创新思维。

(4) 科学研究阶段。提供本科毕业设计、大学生科创项目的项目支持，通过学生自主选题、项目立项、自主研究、自主管理、结题验收等步骤，充分调动学生参与科研的主观能动性，为学生提供科研环境和创新实践的舞台。

3.5 持续建设，服务产学研

机器人开发实验平台服务于产学研的实践教学体系示意图如图3所示。

(1) 实践教学持续建设。近年来，实验教学中心积极探索并实践以机器人为核心的实践教学体系。实验中心电子电工平台自动化专业实验室承担我校本科学生的机器人创新实践训练、机器人技术实验等自动化本科专业课程，取得良好的教学效果。实验中心积极为各类大学生机器人竞赛提供设备和场地，在全国机器人大赛等各类赛事中，我校代表队均取得优异成绩。

(2) 实践教学向科研延伸。充分利用学校智能科学与自动化专业博士学位授权点的软、硬件条件，将实践教学向科学研究方向延伸，积极引导大学生参加教师科研项目，依托“大学生科技创新大赛”等项目，征集教师提出的科研训练课题，学生根据研究内容组队提出申请，经审批后进入教师课题组开展相关研究，并充分利用实验教学中心电子电工平台自动化专业实验室的设备和场地条件，将教师科研团队的研究成果和实验室的软、硬件资源相结合，进行算法验证和样机试制，使教师科研团队的科研成果得以转化为生产力。

(3) 实践教学向产业化延伸。整合实验教学中心电子电工平台的技术力量，将开发的机器人实验教学平台推向科教仪器市场，在各类本科高校、高职院校中推广，一方面可根据市场需求优化设计产品，提升实验平台的品质，另一方面可以树立我校自动化学科的品牌，获得经济效益和社会效益。此外，基于已有技术积累，可以承接企业界的横向课题，直接服务于广东省区域经济发展。

图3 机器人开发实验平台服务于产学研

4 结 语

我校公共实验教学中心在实践教学的教学理念、教学内容与方法、资源整合与利用等方面进行了长期探索与建设，中心电子电工平台确立了面向自动化专业的机器人实践教学体系。该实践教学体系在教学方面对专业课程的教学起到引导和启蒙作用，通过合理设计实验项目可以对接多门主干专业课程，同时由于有了机器人创新实践这一明确的主线，可以整合各方面技术资源，不断提高创新实践水平。该教学体系面向多层次、多方面创新实践需求，并立足于服务产学研，使综合效益最大化。

[1] 郭东亮.“模拟电子技术”课程实践性教学改革探索[J].中国电力教育，2014，(29)：81，86.

[2] 刘树郁. 高校实践教育的探索与思考[J]. 实验室研究与探索，2012，31(6):103-105.

[3] 程 璐，刘树郁.综合性基础教学实验中心的构建与发展[J].实验室研究与探索，2009，28( 6): 99-102．

[4] 程 璐，刘树郁.打造学生工作团队，突出中心管理特色.实验室研究与探索[J].2012，31(4):100-102.

[5] 王变琴，刘树郁，许海州，等.计算机信息类综合实验课程设计与实践[J].实验技术与管理，2015，32(4)：213-215.

[6] 李晓春，曲晓海，杨 洋，等.工程训练教学改革探索与实践[J].实验室研究与探索，2014，33(1): 229-232.

[7] 王 丽，周 玲，尹丽丹，等.创新型实践教学在大学生能力培养中的作用[J].实验室研究与探索，2013，32(3): 143-146.

[8] 汪建利，陈国平，于丰园.大学实践教学的协同创新机制[J].实验室研究与探索，2013，32(3): 138-140，184.

[9] 张红光，李雨竹，袁亚丽，等.加强实践教学内涵建设,培养应用型创新人才[J].实验室研究与探索，2011，30(8): 139-142.

[10] 何万国，何华敏.应用型人才培养的瓶颈——实践教学[J].实验室研究与探索，2011，30(6):130-133.

[11] 朱金秀，范新南，朱昌平. 电气信息类人才实践创新能力培养体系[J].实验室研究与探索，2011，30(10):129-131.

[12] 鲁嘉华，成 琼，张 燕.开放式实践教学模式促进机制的构建[J].实验室研究与探索，2014，33(3):172-175.

[13] 李 利，陈 刚，田雪莲.项目驱动在“数字信号处理”课程教学中的应用[J].实验室研究与探索，2015，34(12):168-170,178.

[14] 张宝昌，刘海峰.构建综合性实践教学体系，加强实践能力培养[J].实验技术与管理，2012,29(4):248-250,253.

[15] 黄大乾，张少翃，陈建军.基于学生自主学习的实践教学体系和平台构建[J].实验技术与管理，2013，30(8)：179-182.

[16] 郭栋才，詹拥共，旷亚非，等.基于创新型人才培养的实践教学新体系的探索与实践[J].实验技术与管理，2013，30(11)：141-143.

·名人名言·

用一个大圆圈所学到的知识，但是圆圈之外是那么的空白，对我来说就意味着无知。由此可见，我感到不懂的地方还大得很呢。

——爱因斯坦

Exploration of the Practical Teaching System of Robots for Automation Specialty in the Comprehensive Universities

GUODongliang,BAOYanxiang,LIUShuyu,CHANGLili

(Public Experimental Teaching Center, Sun Yat-sen University, Guangzhou 510006, China)

Due to the professional characteristics and the rapid development of technology, the courses of automation specialty in comprehensive universities increase and become difficult. Students are confused about the set and relationship of the professional courses, and the learning effect is easily influenced by the subjective factors. On the other hand, the professional course system lack of clear main line, each course is independent, and it is difficult to improve the level of innovation and practice. Aiming at these problems, Sun Yat-sen University explored how to set up a practical teaching system based on the design and implementation of the robot system. Through introduction of robot technology in the professional course and curriculum design, the corresponding function module is achieved, the main professional courses of automation specialty in a comprehensive university are integrated to all-in-one innovation practice teaching system of robots, and students will eventually have the ability to achieve a complete robot system. Through the implementation of the system, on the one hand, the students can grasp the relationship among the professional courses, mobilize the learning interest, on the other hand, it can cultivate the students' ability and innovation consciousness, improve the level of innovation. The innovative practical teaching system has achieved good teaching effect.

comprehensive universities; automation specialty; practical teaching system; robots

2016-04-25

中山大学信息技术国家级实验教改示范中心实验教学改革项目(2013008)；2015年中山大学校级教改项目(02088-16310010)

郭东亮(1976-)，男，黑龙江北安人，博士，讲师，主要研究方向：数字信号处理，电路与系统设计的科研和实验教学。

Tel.：13533451885； E-mail: guodl@mail.sysu.edu.cn

G 642.0

A

1006-7167(2017)03-0212-05