“机器人”课程改革探索与实践

冯大鹏,李 涛,修 云,雷才洪

(湖北理工学院 机电工程学院，湖北 黄石 435003)

“机器人”课程改革探索与实践

冯大鹏,李 涛,修 云,雷才洪

(湖北理工学院 机电工程学院，湖北 黄石 435003)

介绍了国内外“机器人”课程教学现状。根据“机器人”课程的特点，针对该课程学时偏少、实验条件不足等实际情况，从教学内容、教学手段、考核方式等方面进行了改革探索与实践。实践表明，“机器人”课程的诸多改革是合理的，在教学实践中取得了良好的教学效果，实现了知识应用型人才培养目标。

机器人；课程改革；教学质量

0 引言

机器人是集机械、电子、控制、传感器等多学科技术于一体的典型光机电一体化产品，也是各科研院所研究的热点课题[1]。据联合国欧洲经济委员会(UNECE) 和国际机器人联合会(IFR) 的不完全统计，世界机器人市场前景广阔[2]。中国工程院李培根院士也指出，未来10年是中国机器人发展的黄金期。因此，在高校开设“机器人”课程具有非常重要的现实意义。

1 机器人课程现状

1.1国外高校现状

麻省理工学院(MIT)、斯坦福大学(Stanford)、卡内基·梅隆大学(CMU)等美国高校将“机器人”课程列为本科生必修课程。 MIT“机器人”课程学时安排为：理论34学时，实验22学时;Stanford“机器人”课程总学时数为43个学时，课堂讲解和阅读相结合;CMU“机器人”课程课堂讲解和实验教学学时占比为3∶2;加利福尼亚大学伯克利分校的“机器人”课程学时安排为：每周课堂讲解3个学时，实验教学1学时，课堂讨论1 学时[3]。总体上讲，美国“机器人”课程教学学时量较为饱满，且非常注重实践教学。

1.2国内高校现状

由于国内各高校师资力量和实验条件所限。据统计，开设机器人技术相关课程的高校现仅占全国工科院校的20%[4]；而“机器人”课程大多是开设在第7学期，总学时量不多，且实践学时量很少，有的高校实验课时数甚至为零[5]；另外，“机器人”课程涉及数学公式多，理论推导复杂，且难于理解。基于这些问题，传统教学方法必然会导致授课效果远离课程设置初衷。

2 提升课程教学质量的几种尝试

2.1激发学生学习兴趣

绝大多数学生对将开设的“机器人”课程是比较期待的，但学生拿到教材，看到章节铺排后，随着课程的深入，对该课程的兴趣一般会急剧下降。因此上好第1堂课至关重要。教师在课堂上应采用机器人最新发展和应用维护等方面的实例视频，再辅以国内外机器人领域现状与发展方向等信息激发学生学习热情。在课程中，还要不断地辅以多种教学手段来激发学生学习兴趣。

2.2以现有实验设备为主线贯穿整个教学过程

尽管大多数高校机器人课程实验条件有限，但基本都有配置串联式机械手。在讲解机器人的机械本体、运动学和动力学方程、驱动方式、环境感知方式、轨迹规划等每一章内容时，基于串联机械手(如图1)或者乐博益思(robotis)机器人(如图2)先抛出问题，让学生思考机器人是如何实现的，以此为核心，抽丝剥茧讲述理论知识，这种基于问题的教学方法让枯燥的教学内容有载体、有土壤，将抽象的物理概念和公式变得更加直观和易于理解，使学生的学习兴趣和学习主动性得到明显提升。

图1 六自由度串联机械手

图2 乐博益思(robotis)机器人在防守

2.3丰富教学手段

传统的教师授课、学生听课的教学方式下，难以保持学生学习兴趣，应创设丰富的教学方法和教学手段以改善现状。

当父母接收到孩子想了解自己身体的信号时，不可以因此打骂和羞辱孩子。父亲或母亲与孩子自然地一起洗澡，或者满足孩子看父母洗澡或上洗手间的欲望，坦然地回答孩子对身体提出的各种问题，这是让孩子了解成人身体的最自然的方式。一般来说，父母需要两个月左右坦然的表现来帮助孩子度过这个阶段。

2.3.1翻转课堂

以某一知识点为题，让学生查阅文献，给学生大约15 min讲解和展示，让学生根据查阅的大量知识点进行梳理、吸收、归纳、提升、展示。这种课堂教学形式让学生感到耳目一新，能够发挥学生自身学习的主动性，学生各方面能力都可以得到锻炼。实践证明，该教学方式使学生收获不小，学生的文献查阅整合能力、语言表达能力、自我展示能力等都得到了促进和提升。

2.3.2项目式教学

目前采用了3种类型的项目式教学形式，学校给学生提供项目开展所需条件，提前给出每个项目所需达到的效果，以学生为主体，让学生利用课余时间完成设计和制作环节。

1)慧鱼组

我校大学生创新基地有慧鱼机器人模型5套，可以满足机器人搭接、结构设计、动作设计和编程。学生申报并制作完成的慧鱼机械手作品如图3所示。

图3 慧鱼机械手

2)乐博益思组

图4 乐博益思机器人防守动作部分代码

3)自制组

根据课堂学习及课外学习，让学生梳理自己的兴趣点，自动组队，申报自制项目，充分发挥学生的创新意识。在教师指导下，通过申报我校开放实验室基金项目、大学生科技创新项目、自制设备项目等获得资助，让有能力、有兴趣的学生得到资金支持。依托学院几个大型综合性开放实验室，项目自制过程中的生产、加工、制作等基本都可以在实验室完成。

为保障学生项目的实物完成率，“机器人”课程教学团队的教师于周一、周五下午均在各开放实验室参与指导，未安排其他教学任务，教师也将获得相应公共工作学时，保障了教师指导的积极性。

指导学生完成的三工位检测机械手项目的实物如图5所示。

图5 学生自制的三工位检测机械手

2.4灵活的考核方式

“机器人”课程是一门实践性很强的课程，大多开设在学生择业期或考研备考期，传统的考核方式让很多学生在日常学习中无法保障学习精力，学习效果不佳。改革后的课程考核大纲融合了传统形式在内的多种考核形式，学生在课程中期可自行选择某种考核方式。目前考核方式主要有传统试卷考核和机器人作品设计制作2种形式。第2种考核方式目前是以项目式教学为载体，以提交的实物及报告为判分依据。这种考核方式有效提高了学生的学习兴趣和学习主动性，也有利于培养学生的自主学习能力、创新能力及实际操作能力。

3 教学效果调查分析

为了分析教学效果，选取2个样本进行调查分析。样本1为2011级机械电子1班，32人，采用传统授课方式，没有采用教改方案；样本2为2012级机械电子1班，31人，采用教改方案。采用教改方案前后教学效果调查统计见表1。表1中第1项数据为5次课堂调查的平均数；第3项和第4项样本数据在课程考试成绩提交后采集。

分析表1中调查结果可知，样本2在采用教改方案后各项数据均有不同程度的提升：学生学习主动性提升显著；从教学评教优秀率上看学生对教改的认可度较高；课程结业考试成绩提升明显。教改效果非常成功。

表1 采用教改方案前后教学效果调查统计表

4 结束语

近几年来，我校对机械电子工程专业、机械设计制造及其自动化专业中“机器人”课程教学进行了一系列的改革探索与实践,收效明显。该课程教学改革在教学学时和教学设备条件不足的情况下，利用有限教学资源直观生动地完成理论知识体系的讲解，让学生完成实物制作，提高了学生自主创新能力。学生在该课程的学习过程中不仅收获了专业知识，提高了文献查阅整合能力、表达能力、实践能力等，还收获了主动学习带来的成就感和满足感，实现了知识应用型人才培养目标。

[1] 董翠敏，刘永强.以机器人教育为平台培养大学生创新意识和能力[J].实验室研究与探索，2011，30(9)：257-258,334.

[2] 张明德．以培养工程实践能力为目标的机器人课程设置模式[J].重庆与世界(学术版)，2015，32(1X)：85-87．

[3] 王益,张剑平.美国机器人教育的特点及其启示[J].现代教育技术，2007，17(11):108-112．

[4] 杨建磊．我国高校机器人教育的现状分析及对策研究[J].江苏科技信息，2013(9)：41-42

[5] 战强,闫彩霞,蔡尧.机器人教学改革的探索与实践[J].现代教育技术,2010,20(3):144-146.

Reform and Exploration on Robot Course

FengDapeng,LiTao,XiuYun,LeiCaihong

(School of Mechanical and Electronic Engineering,Hubei Polytechnic University,Huangshi Hubei 435003)

The present teaching situation of Robot course both at home and abroad are analyzed.According to the course characteristics of Robot,based on such factors as limited class hours and poor experimental conditions,the teaching content,teaching method reform and examination methods reform are explored and practiced.Practice shows that the reforms of robots course are reasonable.Good teaching effect has been achieved in the teaching.Talents training goals of the knowledge-applied talent training are achieved.

Robot;course reform;teaching quality

2017-04-25

湖北理工学院校级教学研究项目(项目编号2014C07;2013B01;2013B06)。

冯大鹏，讲师，硕士。

10.3969/j.issn.2095-4565.2017.05.015

G642.0

A

2095-4565(2017)05-0067-04

(责任编辑高嵩)