机器人技术基础一流本科课程建设的探索与实践

胡兴柳　司海飞　余振中

［摘 要］机器人技术基础课程在机器人工程和自动化等本科专业的课程体系中处于核心地位。文章以江苏省首批一流本科课程机器人技术基础为例，从课程内容、教学方法、实践教学、课程思政等四个方面论述该课程建设的探索与实践，以期为机器人工程等相关专业的课程建设和高校教学改革提供有益借鉴和参考。

［关键词］机器人技术；一流本科课程；实践教学；课程思政

［中图分类号］ G642 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 2095-3437（2023）22-0014-04

机器人技术涉及控制、机械、计算机、人工智能、仪器、传感、通信、材料、系统工程等一系列学科，综合了多领域的知识。随着世界范围内机器人产品应用的不断拓展，近年来，我国机器人产业的新技术、新方法不断出现，机器人技术研究范畴大幅扩张，研究内容不断深化。为了满足我国制造业转型升级的迫切需求，以及积极应对新一轮科技革命和产业变革的挑战，培养具有机器人技术基本知识和创新能力的研究型人才已迫在眉睫。

机器人技术基础课程主要学习机器人本体机构、数学建模、控制和编程等内容，对培养学生的创新思维起着重要作用。该课程在某些学校又被称为机器人学导论或者机器人学基础。该课程是机器人相关专业的基础课程，这门课学得如何，直接关系到学生对机器人学和机器人技术的兴趣。如果学生喜欢这门课并认真学习，就能够激发他们继续学习机器人技术的热情和动力；如果学生学习这门课的效果不好，也许会极大影响他们对后续课程的学习。目前，金陵科技学院（以下简称我校）机器人技术基础课程已获批江苏省首批一流本科课程。在讲授和建设这门课程时，课题组主要从以下几个方面开展探索和实践。

一、课程内容的选取与安排

（一） 课程内容梳理与选取

在进行课程教学前，课题组对上海发那科机器人有限公司、三菱电机自动化（中国）有限公司、安徽埃夫特智能装备股份有限公司、无锡信捷电气股份有限公司等国内机器人生产企业进行了调研，参观了东北大学、东南大学、南方科技大学、香港中文大学（深圳）、南京工程学院等国内高校的机器人技术实验室。课题组教师还参观了西门子安贝格EWA工厂、宝马雷根斯堡工厂等国外机器人应用企业，参观了德国的安贝格应用技术大学、瑞士的苏黎世应用科技大学等国外高校的机器人技术实验室。

我国机器人技术基础课程最早是在2016年开设的，当时教材的选择面很窄。课题组参考了国内有限的几本教材，以及我国台湾和香港地区一些大学的授课视频和教学资源；又参阅了国外的一些教材，学习了斯坦福大学的机器人课程授课视频等，最终确定了课程内容。课程内容紧扣机器人技术的发展，体现前沿性和时代性；强调知识能力素质的有机融合，培养学生解决复杂问题的综合能力和高级思维。在重新梳理课程内容的过程中，课题组发现了如下问题。

首先，课程内容不系统，在讲授机器人运动学前，缺少对工业机器人本体的介绍，纯原理介绍增加了学习难度。所以，课题组增加了工业机器人本体介绍环节，让学生对工业机器人有直观认识。

其次，部分教材的内容缺少年份交代，或者年份不准确、人名翻译不准确，存在以讹传讹的问题。所以，课题组在课程内容准备的过程中增加了对内容的核对和考证，尽量保证传授给学生的知识准确无误。

例如，在提到第一台工业机器人的诞生时间时，有的教材只说是20世纪50年代，具体年份不详，有的教材写1954年，也有的写1955年，还有的写1956年。笔者在网上查询后得知，这个专利是在1954年申请，并在1961年获得授权的，也就是说美国的发明家乔治·德沃尔在1954年就提出了工业机器人的概念。再例如，很多教材中都列举了巧匠偃师制造了能歌善舞的伶人木偶的例子，并说这是我国最早的有关机器人的文字记载，但并未指明其出处。通过查阅资料可知，这个例子出自《列子·汤问》。另外，很多教材也沒交代偃师是哪个朝代的人，笔者查阅资料后才知道其是西周的。

再次，还有人名翻译不准确、英文名拼写错误等问题。如1920年捷克作家卡雷尔? 恰佩克（Karel Capek）发表了一部科幻剧本，其中的机器人被取名为Robota。对于这位作家卡雷尔 ? 恰佩克，很多书里的译名各不相同，在课文讲授中为了避免歧义，我们直接使用了他的英文名。

最后，有些教材部分公式推导和计算也存在问题。所以，在课程内容准备的过程中教师要认真核对和计算，有的还要通过计算机进行辅助计算和推导，并将正确的思考方法和计算方法传授给学生。

（二）课程内容结构安排与衔接

我校是应用型本科学校，课题组经过综合考虑，将机器人技术基础课程最后确定为八章内容，详细讲授机器人机械结构、运动学和动力学建模、机器人控制、机器人轨迹规划、机器人编程等方面的理论、原理、分析方法和实践应用等内容。机器人技术基础课程相应章节的内在联系如图1所示。

学生在接触新事物的时候，会很好奇它的外形和功能等，这个是在绪论中介绍的；在对机器人和机器人技术有了初步认知的基础上，学生会对机器人的结构组成较感兴趣；在学习了机器人机械结构和组成之后，学生会很自然地想知道机器人是如何移动的，是什么力使它运动的，因此需要了解机器人的位置变换、运动学和动力学。

机器人基础理论为学生后面研究机器人运动学、动力学和控制建模等提供了有用的数学工具；机器人运动学主要研究位姿和关节变量之间的关系，这些内容是研究机器人动力学和控制必不可少的基础。机器人动力学问题的研究对于快速运动的机器人及其控制具有特别重要的意义；机器人轨迹规划问题是在机械手运动学和动力学的基础上，研究关节空间和笛卡儿空间中机器人运动的轨迹规划和轨迹生成方法。

机器人控制问题是机器人研究的重要方向。当机器人准备运用于实际时，用户需要决定如何针对一个特定的任务来控制机器人的动作。

编程是机器人运动和控制的结合点，也是实现人与机器人通信的主要方法。

机器人技术基础作为概论性基础课程，在教学中不可能所有知识点都细讲，教师在具体授课过程中要针对授课对象来进行课程内容的取舍。比如机器人工程专业后续有专门的机器人运动学课程，机器人技术基础课程的任课教师就可以跟机器人运动学课程的任课教师协调，明确机器人技术基础课程中运动学这一章需要讲授到什么程度。再比如自动化专业后续没有机器人运动学课程，那就要在该专业的机器人技术基础课程中增加运动学章节的课时。

二、教学方法的综合应用

机器人技术基础课程作为基础课，其内容覆盖范围广，几乎涉及机器人技术的方方面面。如何选择合适的教学方法，使学生分层次地、尽可能多地掌握这些知识和技能，是非常重要的。为什么要分层次掌握？因为有的知识点是在这门课的学习中就要求全部掌握的，而有的知识点是在后续课程中才要求全部掌握的，在本课程中只需要大概了解。所以，教学方法的选择和设计，是教师在教学设计中需要重点思考的内容。该课程的教学主要采用如下五种方法。

（一）虚实并用的教学手段

在讲授理论课程时，要对课程内容进行分解融合，提炼核心内容，运用仿真软件、动画演示、模型显示等多种教学方式辅助完成理论教学。譬如在运用仿真软件方面，可以借助MATLAB软件对机器人的运动学、动力学特性进行分析，实现对机器人的仿真控制，使学生对算法应用和控制过程有具体认识。在讲授机器人本体时可通过实物模型在课堂上进行展示，在讲授工业机器人编程示教时可通过工业机器人实物进行现场教学。如此可以帮助学生更好地理解机器人的自由度、各关节转动方式、传动部件、机构设计等知识，收到事半功倍的效果。

（二）借助课程网络平台辅助教学

为了有效促进学生课后自主学习，课题组依托学校网络教学平台，建设了机器人技术基础课程网站。2017年，课程网络教学平台建成，并进行了研究性教学试点，目前该课程也是学校的研究性课程。平台投入运行后取得了较好的效果，2020年课程转为线上教学，因为前期课程网络化建设已经进行了3年，所以转换得很顺畅，这也是课程建设的一个意外收获。该课程网络学习交流平台为学生提供了一个良好的在线自主学习环境，也为教师提供了一个师生互动教学平台，提升了学生的学习效率，拓展了理论教学的时间和空间，也促进了课程教学改革的深化。

（三）小组协作学习与汇报展示

课题组改革和创新了学生获取学科基础知识的方法和途径，主要有学生预习、网上学习、分组协作学习、分组讨论，教师点评、讲授，师生讨论等方式，不同的方式解决问题的侧重点也不同。学生进行预习、网上学习是为了熟悉课堂要学习的内容，对基本概念形成认知；进行分组协作学习、分组讨论是为了进一步巩固课程内容，并从小组同学和其他同学处获取知识，拓宽学习范围。之后，教师要进行点评、讲授，即针对重点知识和小组學习情况进行总结评价，对难点进行透彻讲解，同时使知识系统化和条理化。最后是师生讨论，教师要对学生的学习、想法进行指导、评价，使学生正确全面地理解课程内容。

（四）企业参观和自主调研

课外调研通过合作企业和展会进行，如南京国际博览中心有各种博览会，只要是和机器人相关的博览会，课题组都会尽量组织学生去参观。

（五）将学科竞赛与课程教学相结合

课题组教师在开展科研工作时，会有意识地让学生参与到实际科研课题中，使学生尽早进入机器人科研领域，接触研究前沿，了解学科发展动态，以培养学生的综合素质。课程组一直积极组织与指导学生参加各类竞赛及创新项目，同时在布置毕业设计课题时设计大量与机器人课程密切相关的题目，进一步巩固学生的理论知识，培养学生的创新思维和解决实际问题的能力，受指导的学生获得了很多国家级和省级奖项。

三、实践教学内容选择和实验设备建设

机器人技术基础是一门既具理论性又有较强实践性的课程，该课程的实践教学对于学生理论联系实际、培养操作技能来说具有重要意义。但在实际操作中，实验教学人员能力不足和实验设备短缺等问题制约着课程实践内容的选择。

一是实验教学人员，也就是教师，特别是青年教师大多是从校门到校门，缺乏到企业的实践锻炼。为提高教师的实践能力，近年来，课题组分批选送教师到武汉、上海参加ABB、发那科、三菱工业机器人的实操培训。

二是实验设备，也就是工业机器人硬件，本体和配套设备价格不菲，一般学校很难完全配齐。在实践中，我们主要有针对性地采用了以下三种方法：（1）带学生到实验室进行现场参观和演示，工业机器人技术实验室配有3套工业机器人实体教学培训工作站（分别为发那科、ABB、三菱工业机器人），教师可以当场进行操作，演示给学生看。还有一条模块化智能制造生产线，其中配有4套ABB工业机器人工作站，可以现场组装U盘，让学生对工业机器人在实际工业生产线中的应用有个大概认知。（2）虚实结合，让学生利用虚拟工业机器人教学实训系统做实验。采用此方法有两点考量，一是显著降低经费投入，1套本体设备约5万元，再加外围设备，基本上要10万元左右，如果一个实验室配20套，就要200万元。而虚拟设备一套不到5万元，其所配备配的系统、功能一样不少，还可以选择不同厂家的工业机器人，如ABB或者发那科，只要配置相应的示教器就可以了，非常灵活，还可以升级。二是显著增加操控的安全性，因为设备都是虚拟的，机械臂活动都显示在屏幕上，学生不会因为误操作而受到伤害。利用虚拟工业机器人教学实训系统，可以开展一系列实验，譬如机器人轨迹示教、机器人搬运示教、机器人分拣示教等。（3）对于没有硬件设备的专业，可采用虚拟仿真的方法。目前，本课程开设的计算机仿真实验主要使用Matlab软件，也可使用机器人仿真软件，如RobotStudio（ABB工业机器人的仿真离线编程软件）、Roboguide（FANUC工业机器人离线编程软件）等。

四、课程思政题材与形式

课程思政是近年来教育系统研究的热点之一，也是“教书育人”的应有之义。现在的“90后”“00后”学生一出生就享受改革开放的巨大成果，物质条件更加丰富，其伴随着互联网一同成长，眼界更为开阔，获得知识的途径更多，思想观念更为多元与兼容。但其中部分学生较为自我，更注重个人感受。在互联网时代，他们能够接收到的信息特别多，各种思想和价值观对他们都会有或多或少的影响，同时他们的判断、鉴别能力还明显不足。有些学生特别自信，而有些学生又特别容易感到焦虑。教师需要了解学生的思维方式、认知与行为特点，因材施教，引导学生树立正确价值取向。我们在实践中主要从以下三个方面来进行思政教育建设。

一是找准思政内容与专业知识的契合点。遵循“思政” “专业”相长原则，明确课程中每个思政元素的切入点，厘清思政元素与专业内容之间的关系，梳理各思政元素之间的关系。

二是以学生关注的现实问题为切入点。结合专业知识，引导学生思考和探究国计民生中的热点问题，以课堂为平台，鼓励学生个人或团队进行延伸性学习或研究。

三是发掘及运用机器人工程历史和人物的教育作用，发挥学科史、人物史的丰富教育资源，尤其是科学家的事迹风采等，用其探索科学、追求真理的精神来引导和教育学生。

在此基础上，课题组将本课程和立德树人的宗旨结合在一起，进行了机器人技术基础课程思政建设，达到了如图2所示的增强学生民族文化自信、使学生感受大国工匠精神、激发学生科技报国担当、提升学生责任意识的目的。

在课程思政方面，本课程还有一个优势，那就是近年来，随着技术的发展，我国企业在机器人的很多领域都取得了突飞猛进的发展，有的领域甚至立在了技术潮头。教师要有意识地对学生加以引导，增强学生的民族自信。比如近年来一些西方国家在围堵和打压中国的高科技领域，在课程中讲解某个元器件产品的时候容易涉及相关话题，这能帮助学生看清“技术竞争也是国家竞争”的现实，引导学生在校期间学习专业技能，将来为我国机器人技术的进步和发展贡献自己的力量。

五、结语

机器人技术基础课程在机器人工程和自动化等本科专业的课程体系中处于核心地位。本文以江苏省首批一流本科课程机器人技术基础为例，从课程内容、教学方法、实践教学、课程思政等四个方面论述该课程建设的探索与实践，以期对机器人工程等相关专业的课程建设和高校教学改革提供有益借鉴和参考。

［ 参 考 文 献 ］

[1] 刘涛雄， 潘资兴， 刘骏. 机器人技术发展对就业的影响：职业替代的视角[J]. 科学学研究， 2022， 40（3）：443-453.

[2] 苏笑宇， 潘泉， 王宏伟，等. 主动变形材料机器人技术研究进展[J]. 机器人， 2021， 43（1）：112-128.

[3] 周萌， 曹政才， 吴启迪. 新工科背景下基于“五位一体”的机器人技术教学改革研究[J]. 高等工程教育研究， 2020（4）：66-70.

[4] 郝建豹， 林子其， 譚华旭. 基于“平台引领、双景融合、四层进阶、三维对接”的机器人技术实践教学改革[J]. 实验技术与管理， 2021， 38（3）：246-250.

[5] 曾繁明. 基于行业标准的工业机器人技术专业课程体系和内容建设[J]. 才智， 2021（1）：55-56.

［责任编辑：刘凤华］