机器人教育在自动化专业创新人才培养中的理论与实践

李湛 林伟阳 杨学博

摘要：文章在分析机器人教育特点的基础上，将信息技术与教育教学深度融合，针对自动化专业创新人才培养，提出了基于互联网信息技术的“课堂教学——实践教学——课外科技”协同机制，“教学——科研——创新”协同机制，着力发展在线开放课程等机器人教育教学方法。

关键词：机器人教育;教学方法;教学过程;自动化专业

近年来，我国的机器人教育得到了普遍关注，但机器人教育和机器人创新教育还没有系统化地普及到各个专业中。所以，必须有针对性地在不同专业中开展机器人教育，利用教师课堂教学、课下辅助指导，将机器人作为素质教育的平台，培养我国机器人技术开发的后备力量。

1 机器人教育的特点

综合国内外高校中机器人教育的特点，以自动化专业创新人才培养为例，一般具有如下特点：

1.1机器人教育具有多种多样的形式。

机器人教育既可以采用课堂教学来进行，也可以作为学习平台供学生使用。例如，在理论课上可以通过专任教师的讲解，使学生理解机器人的运动学模型、动力学模型，以及针对机器人模型设计几种合理的控制方法;在实践课中，教师指导学生进行机器人项目的设计，并得到实验性的成果。

1.2机器人教育课程具有多学科交叉性。

机器人课程具有明显的跨学科、交叉性的特点，在自动化专业开设的机器人课程中，往往需要学生预先修读过若干前导課程。例如“机器人学导论”这一课程，自动化专业的学生预先掌握运动学建模、动力学建模，以及控制系统设计等相关知识。而由于这门课程还涉及计算机、机械设计等相关专业的知识，往往需要学生选修或自学完成一些其他专业的相关课程。

1.3机器人教育需要配备一定量的实验课程。

在机器人课程中一般都配有一定量的实验课程，在实验中重视“做中学”。例如国内外的机器人竞赛中，几乎都需要学生完成从开发、设计到制作这一流程，使学生形成具有个性化的创造性思维，亲自参与到实体机器人的制作当中，在这个过程中既可以锻炼学生的动手能力，又提高了学生的协调能力。

1.4机器人教育具有科技前沿性。

随着机器人技术的快速发展，目前各个领域中都已经存在机器人的广泛应用。例如野外移动机器人森林防火、无人机物流配送、无人艇海洋环境监测等。因此在当前的自动化专业中，机器人课程应当结合机器人技术在前沿科技中的应用，使学生了解最新的机器人技术应用，做到理论联系实际。

1.5机器人教育可以使学生自主地发挥其创新能力。

在机器人开发、设计、制作这一过程中多数是以团队为单位，以学生为中心在教师的指导下开展机器人活动。因此，学生具有较大的想象空间，可以自主发挥其创新能力。学生的自主性增强，从而使作品具有更好的创新性。

2 机器人教育的教学方法

为提高人才培养的质量，当前高校的创新教育改革成为一个重要突破口。实施信息技术与教育教学的深度融合这一方法，可以推动创新教育改革，并且带动机器人、虚拟现实、人工智能等技术的发展及应用。针对自动化专业中的机器人教育，可以结合以下几种方式开展机器人教学。

第一，基于互联网信息技术的“课堂教学—实践教学—课外科技”协同机制。将课堂教学与实践教学相结合，主导学生通过课堂教学掌握机器人相关的理论知识，并在课程中引入典型的工程案例进行设计讨论，使学生对工业中各个应用部件、设备及其作用有一个直观认识。通过课外机器人竞赛等活动在教师的指导下将理论知识、实践能力和工程应用背景有机结合。

第二，基于互联网信息技术的“教学—科研—创新”协同机制。学生的理论知识、创新实践、创新思想来源于教学，并通过网络共享平台参与到自动化专业中由专任教师组成的科研团队中，做到及时沟通，咨询指导。学生利用实践平台自主开发设计实验，培养学生自主获取知识的能力。创新主要指大学生机器人大赛等竞赛，以团队组织形式的自主实践活动。

第三，基于互联网信息技术着力发展在线开放课程，以教育信息化助推高等教育现代化。基于自动化专业的特点，重点突出与机器人教育相关的在线基础课程。借助于信息化的教学平台，开展课程教学问题发布、专题讨论、网络答疑、学生建议反馈、教学情况调研等教学辅助工作。

第四，综合上述基于互联网信息技术的教学方法，针对不同需求的同学进行实践课程的分层次设置。按照实验教学要求和内容的难易程度，分别开设“演示性”“验证性”“设计性综合性”和“创新研究性”实验，适应不同学生的学习进度、理解能力，充分挖掘学生综合运用能力和创新能力。

3 机器人教育的教学过程

机器人教育以其领先的教学理念和特有的教学形式，成为开发和培养自动化专业人才的创造创新、团结协作、自主学习、语言交流等能力的一个重要手段。

第一，机器人课程的驱动式讲解，提升学生的自我认知能力。构建机器人教学的驱动式课堂，以富有思考价值的机器人实际工程案例为载体，以机器人技术问题引发的内驱力为助推，以机器人技术问题的探究解决为归宿，让学生参与发现问题、提出问题、分析问题、解决问题的过程，实现对机器人教育活动的深度参与和主动构建。

第二，机器人的程序设计与调试，培养学生的数学逻辑能力。对于自动化专业来讲，机器人设计的实现最后都离不开对机器人的模型构建以及机器人的运动控制。学生应该至少掌握一种编程语言，将数学语言通过程序设计变成计算机可以识别的语言在开发平台上应用。在这样严密的程序设计与调试过程中，可以提升学生的逻辑思维能力。

第三，机器人设计不仅包括程序的开发、设计与调试，还包括机器人的外观设计与结构搭建，在整个机器人教学过程中，需要学生自己动手参与到整个“做中学”机器人课程，不仅开发和培养了学生的创造能力，更锻炼了学生的动手能力。

第四，机器人活动的团队形式，提高学生的语言表达能力和人际沟通能力。机器人活动的开展通常以项目为一个单元，并且以一个团队作为一个活动单位，在这种组织形式下可以增强学生项目管理的能力、小组团队协作能力，以及组员间的人际交流能力。

第五，机器人创新的模拟和想象，发展了学生的自然认知能力和空间想象能力。学生创新性地提出一种机器人的设计或控制方法，需要掌握最基本的科学研究过程和研究方法。在创新设计过程中使学生逐步理解可以将实际生活中遇到的各种问题运用科学的方法来解决，提升了学生采用科学方法解决实际问题的能力。

4 机器人教育的发展趋势

第一，机器人教育不只是注重培养学生的动手能力，更重要的是培养出一批具有创新思维和创新能力的人，要求学生具备多学科的理论知识和很強的实践能力。因此，希望未来可以探索一种结合多学科知识的创新教育方法，通过选修与机器人相关专业面向自动化开设的课程，以创新训练为平台，培养一批具有多学科理论基础的复合型自动化专业人才。

第二，将机器人教育与市场经济结合起来，实现科技向生产力转换的目标。例如，机器人产商可以向高校提供最新产品进行教学与研究，而高校师生在实践中可以对产品进行分析设计从而提出改进意见，研究其应用形式，进一步可以后续提供生产指导，使得机器人产品产生更大的经济效益，达到高校与机器人相关企业的共赢。

第三，在机器人教育中，坚持学研相结合，强调学生创新思维能力和解决实际问题能力的培养。要求做到课上与课下、理论与实践，注重课堂教学内容与实际科学研究课题的结合，根据科学研究的进展，及时更新课堂教学内容。例如，鼓励学生参与到与机器人相关的国家级、省部级等重大项目的部分研究工作中，让学生参与完成实际科研课题，接触研究前沿，了解学科发展动态，综合性、全方位地提高他们的科学研究素养。

5 结束语

机器人是人类的创新成果，是永无止境的研究课题，而机器人教育为科学教育、创新教育提供了更为广阔的空间。适应互联网信息化的时代要求，结合多学科的理论知识，在自动化专业机器人课程中采用“课堂教学—实践教学—课外科技”协同机制、“教学—科研—创新”机制，从而使专业教学及学生、教师通过循序渐进的教学过程更好地适应社会进步带来的要求，更好地实现为经济及社会服务的宗旨。

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