机器人学课程教学方法改革

李鸿 李亚斌 王旭峰 胡灿 王龙

摘 要 机器人学课程是学校面向机械电子工程专业本科学生所开设的一门专业基础课。了解传统教学现状，分析研究教学过程中存在的问题，从教学内容、教学方法、考核方式等方面构思机器人学课程建设方案及教学新方法。在机器人学课程教学中引入任务驱动教学方法，增加实践教学环节，构建教学实验平台，激发学生主动学习的兴趣，着重培养学生的实践动手能力和创新思维，努力适应新的教学方法，达到高质量、高要求的教学目的。

关键词 机器人学；教学改革；实践教学；实验平台；任务驱动教学法

中图分类号：G642.0 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2018）16-0095-03

1 引言

随着科技的不断进步，工业自动化和计算机技术的迅猛发展，机器人生产技术越来越成熟，在焊接、装配等行业获得广泛应用，在旅游、社会服务、医疗等领域的应用赢得极好的美誉，为人们的生活提供了极大的便利。同时，人们对机器人学也进行了深入研究。它是一门新的综合性交叉学科，涉及科目很多，涉及知识面广，涵盖运动学和动力学、传感技术、控制技术、系统结构以及应用工程等内容[1]。该课程的开设对学生的基础知识有很高的要求，学习该课程有助于培养学生的综合应用能力和创新思维，也可以拓展强化机器人领域相关专业知识，同时对其他课程的研究具有重要的指导及理论支撑作用。目前，各高校、科研院所在对该课程内容及其教学方法进行深入研究[2]。

2 教学现状分析

机器人学是为塔里木大学本科机械电子工程专业开设的一门专业基础课程，目前教学过程以教学大纲为指引，用传统的教师灌输式教学为学生讲授课程内容，学生课后死记硬背。事实证明，这种教学方法限制了学生的创新潜力，形成思维定式，未能激发出学生的敏锐思维和创新动力，从而影响了学生理解掌握课程的主要知识点，同时对学生的动手操作能力及创新技能培养造成一定的影响[3]。经深入调研分析归纳，教学中发现一些突出问题。

学生对该课程的认知度不高 针对机械电子工程本科生开设的机器人学课程，教学大纲要求学生熟悉机器人技术发展概况及其在生物生产、仿生机械、特种机器人等方面应用的具体案例，掌握基本构成、工作原理、动力学分析、传感控制系统等基本知识[4]。但在教学过程中发现，学生对该门课程的积极性不高，认为内容多、难度大，不易理解，特别是对运动学中矩阵的变换，运动学、动力学等理论的推导分析，产生消极态度，久而久之，导致失去学习的兴趣。

授课形式单一 对于机器人技术的授课形式目前是教师课堂讲授为主，以灌输式教学占据主导地位，教学过程单调死板。如对于机器人手腕讲解，教师按课本知识尽管讲解很详细，学生还是不能很好地理解机器人手腕的翻转、俯仰、偏转的具体位置和方向，想象不出关节的旋转角度为360°以上是怎么样的。这种单一的授课形式不能适应机器人学现代教育教学的需要，远远落后于机器人技术的快速发展，结果是课堂上都是教师“一讲到底”，学生摆脱不了“上课记笔记，下课对笔记，考试背笔记”的状况。

重理论，轻实践 机器人学课程教学为32学时，全部为理论教学，缺少实践教学环节和典型机器人应用案例。这就容易导致学生只注重理论知识，忽略了实践能力的培养和锻炼，只掌握了表层意思，而没有理解课程的精髓。

3 教学改革思路

通过大量调研分析，对机器人学教学内容及方法进行综合改革。通过改革，调整结构，引入目前机器人领域最新研究成果，建立双向交流的教学模式，改革传统教学方式，增加现场、课堂分组讨论教学环节，巩固基础理论知识，注重实践教学，强化实践锻炼，提高学生对知识的综合应用能力，激发学生的学习潜力和创新思维。

激发学生的学习兴趣 “兴趣是最好的老师。”仅课堂上单一地讲授理论知识是不够的，教师应注重加强与学生的互动，启发学生思维，引导学生主动思考、学习，培养学生自主思维能力；上好第一堂课至关重要，在第一堂课中，教师应给学生讲解先进的、最新的机器人应用案例，结合相关机器人视频，介绍今后机器人行业及领域的发展前景，让学生感受现代科技发展的魅力，大力培养学生对机器人课程的学习兴趣。

丰富教学手段

1）理论与实际相结合教学法。在讲授理论知识的同时，一定要与实际相结合，列举机器人在实际生活中的具体应用。这种教学方法使学生在理解的同时达到掌握知识的目的，而不是死记硬背；并且有利于开阔学生的眼界，培养学生發散思维能力与创新意识，使其综合素养不断提升。具体可以采用以下措施。

①采用实物模型辅助教学。尤其是机械部分，大部分学生立体想象能力较为薄弱，在课堂上用实物模型讲解，让学生实际动手操作，帮助学生更好地理解机器人各机械部分的工作原理。

②采用PPT及视频教学[5]。将重点、难点内容在PPT中以图文并茂的形式展现在学生面前，提出问题让学生讨论解答，启发思考，使学生参与其中；再结合视频教学加深理解知识点，并对所学知识加以巩固，使学生理解得更加透彻。

2）任务驱动教学法。任务驱动教学法是一种先进的教学方法，以理论功底扎实为前提，结合学生的学习活动及任务，以探索问题为契机，引导学生的学习兴趣，模拟真实的教学环境，让学生带着真实的任务去学习，掌握学习的主动权。将任务驱动教学法引入机器人学课程教学，与教学内容更加契合。将整个班级分成几个小组，每个小组内部根据具体的任务来分工，教师现场宏观指导，帮助学生明确方向，选择适合自己的研究课题，具体设计研究过程由小组内部独立完成。小组内学生通过观察教师演示并初步分析程序后，进行讨论和尝试，亲自动手进行操作，发现问题、解决问题，既能培养独立思考的能力，也能体现出自己的真正价值[6]。

以机械手的操作为例，在设计与实施任务时，教师应把机械手多个学习模块分解为抓取、握持、向上运动、向左旋转、向右旋转、释放等一个个可以完成的“任务”。通过开展任务分工教学，学生完成指定的任务，可以用所学到的知识技能解决实际问题。教师要对整个教学过程进行评价，对学生有创意的想法给予肯定，引导学生进行自我评价，找出自己的缺点和不足，鼓励小组内成员进行互评，积极听取同伴的意见和建议。通过分析研究，任务驱动教学法适合于机器人课程教学，既能激发学生学习的热情，也能提高学生的合作学习能力，同时可以培养学生的创新能力和探索精神[7]。

3）强化实践教学环节。实践教学环节是对课堂教学的深化与补充，学生现场通过观看教师演示操作，或者自己实际动手操作，可以加深对所学基本概念、工作原理及具体工作过程的理解，是机器人学教学环节中必不可少的部分。实践教学的内容包括机器人典型的机械结构、机器人行走机构、坐标形式、物料运送过程、制造业、控制系统等，这些内容都需要通过实验平台来实现，因此，改善实验教学条件，建立机器人基础实验室至关重要。

可通过将实践教学与科研课题相结合、建立校内实习基地等方式，更加充实实验室设备，更新实践教学内容，完善实践教学环节。学生在具体的实践过程中会发现自己对机械结构设计、控制系统或者程序编写更加感兴趣。教师根据学生的兴趣爱好，有针对性地鼓励学生参加机器人类大学生创新设计、学科竞赛等，通过组织学生参与创新实践活动，调动学生的学习积极性，激发学生的创新思维。具体实施过程中，教师将具体的任务模块化，使学生发挥自己的特长，运用所学知识解决实际问题[8]。

考核方式多元化 机器人学是一门实践性很强的课程，上课时间为第七学期初，考核方式为期末闭卷考试。这个时期正好为学生择业期或考研备考期，他们没有充沛的精力投入复习，对于一些没有完全理解的定义、公式推导，强化记忆以应付考试，效果不佳。该课程的考核应考虑实践环节部分，因此，改革考核方式是必然选择。

1）平时成绩、试卷考试和实践考核结合。平时成绩根据考勤、作业、上课听讲、回答问题几个方面对学生进行考核。将这三部分分别打出成绩，按规定好的比例算出最后百分制的课程考核成绩，形成最后的考核成绩。

2）考试或者提交机器人作品。可以自主选择其中的一种考核方式。设计制作机器人作品要求学生有很好的理论基础，学生需要独立完成设计、制作的整个过程。这种方式注重培养学生实际动手操作的能力，提升创新思维，同时可以锻炼学生在突发情况下分析、解决问题的能力。

考核还可以考虑一些其他方面，比如对参加机器人类大学生创新设计、学科竞赛等技能比赛的学生，应附加成績以鼓励学生的创新活动，进而提高学生的创新能力。

4 结语

本文探讨分析了机器人学传统教学过程中存在的弊端，结合实际，提出相应的教学改革设想，在教学过程中采用任务驱动等教学方法，实现学生熟练掌握理论知识、加强实践锻炼、提高动手操作技能和综合学习能力的目标。本课程的教学改革方案已在机械电工程2018届专业试行，从学生的学习兴趣、学习效果来看，达到预期的目标。

参考文献

[1]李光志，梁法辉.《工业机器人技术基础》教学改革创新[J].现代商贸工业，2017（32）：173-174.

[2]张剑平，王益.机器人教育：现状、问题与推进策略[J].中国电化教育，2006（12）：65-68.

[3]王才东，王良文，李一浩.机器人学课程教学改革的探索与实践[J].中国现代教育装备，2015（21）：52-54.

[4]雷静桃，刘亮，张海洪.“机器人学”课程教学改革与实践[J].实验室研究与探索，2013，32（5）：179-182，190.

[5]战强，王东月.《机器人学》课程教学改革探讨[J].北京航空航天大学学报：社会科学版，2010，23（2）：117-120.

[6]祁云嵩，华伟.任务驱动式教学方法应用研究[J].当代教育论坛，2008（35）：119-121.

[7]王桂娜.基于任务驱动的机器人课程的教学研究与实践[J].电脑知识与技术，2014（34）：8233，8237.

[8]冯大鹏，李涛，修云，等.“机器人”课程改革探索与实践[J].湖北理工学院学报，2017，33（5）：67-70.