机器人学课程教学改革的探索与实践

刘相权　李启光

摘要：本文对我校机器人学课程的教学现状进行分析，指出目前存在的主要问题。提出通过优化教学内容、改进教学方法和手段，提高学生学习的主动性和创造性；通过创建实验平台，在课程教学中增加实践性教学内容，加强理论和实践结合，增强学生学习兴趣，从而提高教学质量。为探索培养创新型人才教学模式提供参考。

关键词：机器人学；教学改革；教学方法；实验平台

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2018）10-0126-03

一、引言

当前，随着机器人技术的高速发展，我国机器人市场进入高速增长期，其中工业机器人连续5年成为全球第一大应用市场，已广泛应用于各个领域的工业现场。机器人产业的发展对机器人人才产生巨大需求，迫切需要相关高等院校对机器人课程的教育进行深化改革，培养适合社会需求的高层次机器人人才[1]。

机器人学是我校机械工程学科的一门重要研究生课程，该课程涉及机械学、电子技术、自动控制、计算机技术、传感技术、人工智能等诸多领域，是一门理论性、实践性和综合性很强的课程。本文结合作者多年的教学经验，以社会需求为导向，以培养创新人才为出发点，通过分析机器人学课程的教学现状，指出教学过程中存在的问题，提出相应的改进措施，将传统的教学内容进行重组与优化，增开实践性教学环节，使学生不仅具备一定的理论分析能力，同时具备较高的解决实际问题的能力。

二、教学现状分析

机器人是一种自动化的、能够通过预先编排的程序自主完成某类任务的机器装置。机器人学课程以机械原理、机械设计、线性代数、理论力学、控制工程等为先修课程，要求学生具备较多的知识储备以及一定的数学基础，学生学习时普遍感到涉及知识面宽、理论性强，严重影响了学习的积极性。目前存在的主要问题有：

1.传统的机器人学课程教学内容繁杂。传统教学内容以PUMA560六自由度机器人为教学对象，讲述机器人的数学基础、机械结构、运动学、雅克比矩阵、动力学、运动规划、传感和控制等机器人知识，缺少对该学科的前沿进展和最新成果的介绍；同时，各章节内容之间相对独立，在32个学时之内学成上述教学内容，学生普遍感觉晦涩难懂[2]。

2.教学方式单一，侧重理论推导。该课程主要采用老师讲、学生听的“填鸭式”教学方式，学生与老师之间没有交流讨论的机会。同时，教学内容上过多注重理论知识的讲解，且动力学、运动规划、轨迹控制掺杂过多的公式推导，学生学习起来难度大，兴趣不高，严重影响了教学质量。

3.实践教学环节薄弱，与课堂教学脱节。由于工业机器人造价比较高，受实验设备数量制约，实践教学环节很难展开，实验只占4学时，且为验证性实验，使得实践性教学的力度不够大，学生只满足于概念理论与计算，没有真正提高学生的实践动手能力、创新能力。

综上所述，机器人学原有的教學大纲、教学内容、教学方式和实践内容已经难以适应培养创新型人才的需要。教学改革的关键是对课程内容进行调整和优化，引入新的教学方法和技巧，为学生提供实验平台和方法[3]。

三、教学改革探索与实践

1.优化理论教学内容，注重因材施教。在传统机器人学教学中，注重理论知识讲解，学生学习起来难度较大。针对我校实际情况，兼顾知识的深度与广度，对理论知识进行适当取舍，合理安排教学内容，并将其融入实验教学中。具体而言，可将工业机器人认知、机械结构、数学基础、运动学分析、示教编程、传感器和控制等知识结合到实验教学和案例教学中，而对具有过多公式推导的动力学、轨迹规划等只做简单介绍。优化后的教学内容分为理论教学、实践教学、案例教学共3大模块，各模块包含若干任务，任务内容由浅到深，调整后的学习模块及任务如表1所示[4]。

2.注意课堂互动，改进教学方式。在讲授课程内容时，运用案例、视频、动画、仿真软件、现场认知等多种教学方式取代传统填鸭式教学，激发学生学习兴趣。例如，在讲授任务1机器人认知时，可参观我校卓越联盟实验室智慧工厂实训平台，并通过视频、图像等方式为学生介绍机器人的各种结构形式机器应用场合，如串联机器人、并联机器人、SCARA机器人和直角坐标机器人等。在讲授任务2数学基础时，可借助多媒体课件加深学生对各种变换的掌握，在此基础上通过Matlab软件完成相关计算以代替手工运算。

3.增加现场教学环节。机器人学课程中有些内容比较抽象，学生理解起来会有难度。采用现场教学法，可以使学生克服畏惧心理，提高学习效率。例如，在讲授任务3中的坐标系时，可以在实验室现场手动操作机器人，让学生观察机器人在不同的坐标系下运动，指出不同坐标系下运动的区别。在讲授任务9传感器和控制时，可以在实验室现场对照6自由度机器人、直角坐标机器人、圆柱坐标机器人、SCARA机器人，讲授传感器的功能与分类、控制系统基本结构、电气原理、关键组成部件。现场教学法可使学生深刻理解相关知识点，效果显著。

4.建设教学实验平台，拓展实践教学内容。课堂教学主要是对学生进行理论知识的传授，而实践教学可以培养学生的自学能力，训练学生的基本实验技能，培养学生的创新思维，是机器人学课程教学的重要组成部分[5]。依托我校卓越联盟实验室建设，结合已有的实验仪器，构建机器人实验教学平台，在机器人学课程教学中增加实践性教学环节。

（1）多类型机器人变结构设计实训平台。该实训平台包含了模块化积木式可拆装串联机器人、圆柱坐标机器人、高级智能语音人形机器人、爬楼梯机器人、履带机器人、高级多类型仿生机器人综合训练套装、弹跳机器人、智能扫地机器人、擦玻璃机器人等设备，平台贴近于工业应用，又立足于教学，使学生能够了解各类型机器人的基本结构，了解和掌握各类型机器人的基本知识，使学生对机器人及其控制系统有一个完整的理解。

在讲授任务5机器人机械结构时，结合可拆装串联机器人进行拆装实验。该机器人6个自由度的每个关节模块可以独立运行操作，并能按照统一接口任意组合成2—6自由度机器人。6个关节模块的结构形式涉及齿轮传动、行星减速、谐波减速、蜗杆传动、同步带传动等工业机器人常用的结构形式，通过拆装实验，便于学生了解掌握工业机器人的机械结构与传动原理。

（2）智慧工厂微型实训平台。通过运用工业物联网、工业服务网和智能控制等相关技术，该实训平台实现了制造的智能化和无人化。实训平台是以印章为加工对象，实现工件的智能仓储、智能加工、智能检测和智能装配的全过程仿真。平台内部包含1台YASKAWA机器人、1台直角坐标机器人和1台YAMAHA机器人，分别实现分选、搬运和装配功能。

在讲述任务7的机器人手动操作、示教编程与调试时，可利用YASKAWA机器人或YAMAHA机器人进行实验，使学生了解机器人系统的操作过程，了解工业机器人示教再现的概念、原理和实现方法，学会用示教器对机器人进行示教编程，用示教再现方法实现某一指定轨迹。

（3）虚拟仿真教学平台。采用虚拟仿真教学，可使学生在实际操作之前，对工业机器人的手动操作、示教编程、轨迹规划等建立直观印象，同时可以避免误操作对人员和设备造成的损伤[6]。在讲述任务8虚拟仿真时，可使用ABB公司的机器人仿真软件RobotStudio进行工业机器人的基本操作、功能设置、示教编程、轨迹规划等。采用虚拟仿真软件，能保证每个学生都能够摆脱实训设备和场地的限制，提高学习效率。

在Matlab环境下，运用Robotics Toolbox工具箱，可以建立机器人运动模型，进行正逆运动求解、空间轨迹规划。在讲述任务6运动学仿真时，通过编写程序语句，快速完成对机器人的正逆运动学求解、轨迹规划仿真。通过仿真，可以直接观察到机器人各个关节的运动情况，并且所需数据能够以图形表示出来。

5.改进考核方式，强化过程管理。课程考核方式采用了期末考试和平时作业、实践活动相结合的方式，期末考试以考查基本概念、理论知识为主，约占总成绩的50%；平时作业除课后作业外，每位学生写一篇专题论文，通过查阅文献、收集资料，介绍某类型机器人的应用领域、研究进展等情况，约占总成绩的20%；实践活动以考查实践能力为重点，包括实验步骤、小组协作、实验报告、答辩等环节，约占总成绩的30%。通过改进考核方式，提高了学生的学习兴趣和学习主动性，其实践能力得到很大提高。

四、结束语

综上所述，本文结合学校的实际情况，分析机器人学课程在教学中存在的问题，提出了相应的改革措施。通过对课程理论内容的优化设置，对教学方式、实践内容及考核方式的不断改革创新，大大提升了学生解决实际问题的能力和创新能力，为培养创新型人才打下了坚实的基础。

参考文献：

[1]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.

[2]阎世梁，张华，肖晓萍.高等工程教育中的机器人教育探索与实践[J].实验室研究与探索，2013，32（8）：149-152.

[3]程仙国，孙慧平，李占涛.《工業机器人技术》课程教学改革与实践[J].宁波工程学院学报，2015，（4）：104-108.

[4]李霞，周强，等.《机器人技术基础》课程教学探究[J].农业网络信息，2015，（1）：132-135.

[5]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.

[6]杨薇，叶晖，胡威.仿真教学应用在工业机器人技术课程教学中的必要性[J].科技视界，2014，（32）：18-19.