机器人学课程教学改革研究与实践

张武翔，徐 坤

(北京航空航天大学 机械工程及自动化学院，北京 100191)

机器人技术作为战略性高新技术，已成为衡量国家科技创新和高端制造水平的重要指标。世界各国都将机器人作为一种国家战略来发展，如：美国提出的《机器人发展路线图》要把互联网融入到机器人的生产过程中；日本出台了《机器人白皮书》、《机器人新战略》等政策，将机器人与IT技术、大数据、人工智能等技术进行深度融合，推进机器人在制造业、服务业、医疗护理、公共建设等领域的融合创新；《中国制造2025》战略规划中的第二大领域就是机器人和高端数字机床产业，表明国家已经把机器人相关领域放在一个非常关键的位置。目前，机器人技术正在成为促进我国从制造大国到制造强国转变的重要途径，同时在解决社会老龄化、健康服务、国防安全和资源开发等方面将成为不可替代的技术手段。机器人技术的高速发展使得国家对于掌握机器人基础理论知识的人才需求巨大，且各种机器人相关的专业知识极快的更新速度迫切需要高校对机器人理论和技术基础的相关课程进行改革，培养适应国家和社会需求的高层次机器人技术人才。

2016年，东南大学率先设立机器人工程专业，之后多个高校陆续开设了此专业。在我校的专业培养方案中，机器人学课程是机器人工程专业本科生的必修课，是一门培养学生了解机器人的发展历史和基础理论知识的基础课程，它涵盖了机器人机构学、自动控制原理、传感技术等内容。我们针对机器人学课程的教学内容和课程教授过程中出现的问题，对传统课程内容进行了完善和更新，提出了相应的改进思路和方法，以期拓展和强化学生基础知识，提高综合应用能力和创新思维，提高教学质量。

一、教学现状分析

机器人学课程目前教学过程中的讲授内容多为传统工业串联机器人常见构型、运动学和动力学的相关知识，缺乏对当前各种机器人技术新知识的及时更新。而且，传统的灌输式教学模式存在互动和实践环节不足的问题。这种教学方法不能很好地激发出学生学习知识的主观能动性，限制了其对于重要知识点的理解和掌握，对于其创新能力的培养产生了一定影响。对几年来实际授课的教学效果分析发现存在以下几个突出问题。

机器人学授课内容较为传统。教学内容主要包括机器人的发展简史、机器人的系统组成、空间描述和变换、机器人运动学、机器人动力学、轨迹规划和路径规划等基础理论，以及机器人传感与控制的相关概念和原理。讲授对象基本以传统的工业串联机器人为主，虽然具有较好的代表性，但随着近年来机器人技术的快速发展所出现的各种新型并联机器人、仿生柔性机器人和变胞机器人等，不适宜应用常规方法进行设计和分析。因此，需要主讲教师不断丰富和完善课程的授课内容，从而使学生能够了解最新的机器人研究进展，对于其知识面的拓展可以发挥重要作用。

教学模式灵活性不足。传统教学模式基本为填鸭式灌输，学生被动接受知识，加之教师侧重理论推导，占用过多授课时间，比如进行求解机器人运动学反解过程中的公式推导，学生学习兴趣普遍偏低，也严重影响了学生后续学习的动力和热情。学生即使是在掌握知识的前提下，对于如何在实际中应用仍比较模糊。此外，实验课偏少，仅有4学时，且多为认知和演示实验，其与理论课脱节也使得学生对于所学知识的理解和运用不够深入。如何将理论教学与实验教学有机融合，互相促进，使学生能够学以致用，达到灵活运用并能运用于自主创新是教学模式改进的重要内容[1-2]。

综上所述，机器人学原有的教学大纲、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，为学生提供实验平台和方法。

二、课程内容和教学方法改进

(一)课程内容的改进

机构是机器人装备的骨架和执行器。机器人机构学是发明、分析、设计机器人机构的基础，也是现代机器人装备设计的重要理论基础。因此机构学是机器人技术学习的重要内容，除传统讲授的串联机器人构型和自由度分析、运动学和动力学相关知识外，还需补充近年来的研究热点内容，如：现代机构学重要分支并联机构的构型设计与自由度分析、运动学和动力学、工作空间和奇异性等，广泛应用在仿生机器人设计方面的柔性机构的设计分析和建模、具有拓扑结构随工作任务和环境变化的变胞机构和在航天领域具有广阔应用前景的折纸衍生机构概念等[3-4]。在增加讲授内容广度的同时，需要根据学生掌握的情况兼顾知识的深度。

移动机器人是一个集环境感知、动态决策与规划、行为控制与执行等多功能于一体的综合机器人系统，按运动方式的不同，可将其分为轮式机器人、履带式机器人和足式机器人等。机器人在某些特定的工作环境下，可有效减轻劳动强度，提高生产率，把人从危险、恶劣的工作环境下解放出来。这已成为当前机器人领域的研究热点。在课程中，除传统的轮式机器人运动学和动力学建模方法外，还需补充具有仿生结构的足式机器人的运动学建模和步态规划方法等，提升课程吸引力，在丰富学生知识体系外，还可为其将来从事相关研究奠定基础。

(二)教学方法的改进

首先，在课堂教学方法上，讲授知识过程中应充分应用启发式、互动式和研究式等方法，突出对学生主动实践意识以及自主学习能力的培养。将课程教学分课内教学与课外学习：课内教学可采用知识讲授、课堂提问和讨论等形式；课外学习包括课外作业、项目实践、大作业等形式。

课堂教学中采用启发式和互动式的教学方法，注重以科研和实际工程问题为背景的项目案例讲解以及机器人技术与经典机构学理论的有机结合，同时在形式上注重课件、视频资料、实物模型、板书和讲解内容的有机结合。每次课堂授课，对于重要的知识点要做到将问题来源、分析方法和解决思路、推广应用进行综合，启发学生发现问题，引导思考解决问题，鼓励学生提出新思想，培养创新意识。此外，在讲授知识的过程中，要注重与学生的交流互动，引导学生提出问题并形成自己的解决思路。课堂提问有助于了解课堂讲授效果，有利于提高学生听课的注意力及活跃课堂气氛。

此外，注重培养学生计算机仿真能力。将虚拟仿真软件平台和学生作业相结合，可以加深学生对所学习知识的理解和掌握。在相关课程讲授完成后，要求学生应用MATLAB的Robotics工具箱[5]完成相关作业。该工具箱提供了机器人研究中很多重要的函数，包括齐次坐标的运算、模型的建立、运动学和动力学的正逆求解、轨迹规划和图形仿真。对于学生专注于机器人学本身的重要概念的理解与应用作用显著，可以获得良好的教学效果。

三、结语

在机器人学课程授课过程中，我们从教学内容和教学方法两方面进行了改革探索。课程内容方面主要以讲授基础理论知识为主，增加了机构学和移动机器人的内容，同时结合在项目研究过程中的典型案例，激发了学生学习的兴趣，且可以更好帮助其理解和掌握本门课程的基础理论知识。通过近两轮教学实践，达到了良好的教学效果。