淺談機器人教學課程的理論研究與實踐創新

薛子云

摘要：為了提高工科學生的工程素養，對以“未來之星”機器人為平臺的機器人教學課程從教學目的、教學內容和教學方法等方面進行了研究和探索，并在逾3年的實際教學工作中進行了實踐，取得了良好的教學效果。

關鍵詞：機器人教學；能力培養；實踐教學

工科學生必須重視理論聯系實際，培養自己的工程意識、工程思維、工程方法，以達到具有分析、解決工程實際問題的能力。現在許多大學對學生進行專業教育的同時，也使學生的知識和眼界相對封閉和狹窄。但是在社會實際工作中往往需要學生能夠把相關學科知識融會貫通地運用，這在工程領域尤為突出。而機器人教學課程為解決上述矛盾提供了一種新的思路。作為一種綜合性的學習科研活動，機器人教學課程打破了學科與學科之間的活動界線，加強了計算機科學、機械制造、電子工程以及工業自動化等幾個相關學科間的橫向聯系，讓學生能夠從一個系統工程的角度，整體地理解自己所學的理論知識，拓寬專業知識面，開闊視野。

一、機器人課程教學的目的

機器人教學課程使大學生的創新教育、實踐教育以及專業技術教育擁有全新的模式，激活和強化學生的多元能力特長，訓練學生的創新能力和實踐能力，訓練學生自主建構知識的能力。機器人教學課程使學生在學習實踐的過程中建構廣域的工科知識基地，對材料、機械、電子、計算機硬件、軟件均有直觀地認知。在學習實踐的過程中激發和強化他們的創造力、動手能力、協作能力、綜合能力和進取精神。運用全新的評價體系，幫助學生全方位認知自己的能力結構和能力特點，為系統建構他們的能力特點打下基礎。

在教學過程中注重對學生以下幾個方面的素質進行培養和提升：培養和開發學生多學科知識綜合應用能力；對機器人所涉及的多領域知識有直觀的認知；培養學生的團隊合作能力；激發學生探究本專業相關問題的興趣；了解機器人技術的發展趨勢。

二、機器人課程教學的內容與設計

機器人的核心是智能技術，其外延則涵蓋了機械、電子、通訊、控制等多個學科和技術領域，是一個學科技術群。在充分學習和借鑒各個學校的教學經驗的基礎上，根據我校實際情況，筆者及其所在的教研組開發了一系列機器人教學課程，多方面、分層次地開展機器人教學活動。

以“未來之星”為平臺的機器人教學課程作為機器人實踐教學系列課程中的一個組成部分，正在發揮著越來越重要的作用。“未來之星”機器人是一種小型地面移動機器人，通過機載高度集成的Intel嵌入式主板，采用Windows操作系統，學生可以直接采用Visual C++環境開發機器人上位機程序，進行路徑規劃、語音交互、圖像識別、動作編輯等實驗。以“未來之星”為平臺的機器人教學課程的教學內容主要分為基礎理論與實踐創新兩大部分。其中基礎理論部分包括：

1.機器人概述部分：介紹典型的著名機器人，包括輪式機器人、工業機器人、仿生機器人等各個類別的機器人。在概述部分每年都增加新的機器人的研究進展，使學生在了解歷史的同時也開闊了眼界。

2.機器人整體系統部分：以未來之星機器人為教學平臺，介紹其硬件電路系統和軟件系統，其中硬件部分包括其系統架構、能源與驅動系統、傳感器系統、控制系統電路和總線系統，軟件部分包括軟件開發平臺的介紹和軟件架構層次關系。

在基礎理論部分講解之后，都安排有針對性的實踐項目，讓學生的實踐創新環節加深對所學知識的理解并在實際運用中加以創新。實踐創新環節的設計包括：

1.硬件部分實踐項目：這部分所安排的實踐項目，屬于基礎性實驗，包括：LCD及鍵盤電路的設計、建立串口通訊、串口通訊控制機器人、陀螺儀和傾角計在機器人上的基本應用。

2.軟件部分實踐項目：這部分的實踐項目主要是使用VisualC++編程環境在PC端進行的策略和自主功能程序的開發，包括基礎性實驗和高級應用實驗。

三、機器人課程教學環節的設計

在整個教學過程中，采用以實踐教學為主、理論講授為輔的教學方式。在學時的分配上理論與實驗所占的學時比例為1∶1.5。實驗以分組的方式進行，根據實驗的難度和設備的數量，每組學生為2~4人，以便于學生之間進行交流和討論。在實驗的過程中，學生遇到自己難解決的問題可隨時與教師進行交流，以利于教師及時解決學生的問題并實時把握學生的學習動態。由于學生的思維都相當活躍，教師與學生進行交流的過程同時也是一個教學相長的過程。學生在實驗的過程中，學習興趣和實踐能力都在不斷提高。

除了采用理論與實踐相結合的教學方式外，教學中還設置了課堂討論和專題作業論文的環節。為了調動學生的學習積極性，讓他們充分參與到機器人的學習過程中，在每階段的教學內容中都設置了討論的問題，讓學生自己來表述解題的方法、對問題的看法，并讓他們之間進行互相辯論，老師作為一個仲裁者的身份進行討論的組織和總結。專題作業論文是讓學生完成一份關于機器人相關技術的調研報告，主要是為了拓展學生的知識面，同時把課堂學習的機器人知識與自己的專業知識結合起來。選題內容可從老師提出的一些題目中選取，也可由學生自定。

在考核方式上，采取理論考試與實踐活動分別占30%和70%的評定方式，目的在于引導學生在理解基礎理論知識的同時更加注重實踐能力的培養。實踐活動包括平時的實驗項目和專題作業論文的完成情況以及課堂討論中的表現等，以促進學生在學習的過程中得到多方面的能力培養和鍛煉。

四、機器人課程教學的效果

在以上的學習實踐過程中，盡管學生們在實驗中出現了各種各樣的錯誤，但學生的興致很高，往往一直操作到下課還利用課余時間來繼續未完成的實驗。學生反映這種實踐課程對他們的鍛煉價值很大，因為把理論和實際之間的這層窗戶紙給打通了，讓學生對這門機器人課程有了一個系統的認識和理解。在課堂討論的環節中，最初只是鼓勵學生表述自己在實驗中遇到的問題以及解決的方法，隨著課堂討論次數的增多，學生的思路逐漸開闊，對問題的看法也更加深入，辯論的氛圍逐漸濃厚起來。在辯論中，學生感覺收獲很大。通過以上的學習，學生主要有以下三方面收獲：（1）知識方面：了解工科的基本知識框架、能力框架、專業方向；了解工科學生的知識和能力需求。（2）能力方面：發現自己的能力特長；培養動手能力，團隊協作能力，創新能力；培養自學能力，演講能力；培養自我認識能力；培養情報檢索能力。（3）興趣方面：進入真正以學生為本的學習氛圍，在充滿樂趣和成就感的氛圍中自主體驗式學習，自己發現要探索的知識點。

學生在接觸和學習機器人的過程中，實際上是在機器人研究探索中對其他學科知識的拓展。隨著機器人課程在各高校中變得越來越普遍，如何結合機器人技術的發展做好機器人的教學工作是許多機器人教育工作者關心的問題。筆者通過對機器人教學課程進行深入地理論研究，結合本校機器人教學的實際情況，對以“未來之星”機器人為平臺的機器人教學課程進行了研究和探索，并在逾3年的實際教學工作中進行了實踐，取得了良好的教學效果。

參考文獻：

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（作者單位 北京工商大學材料與機械工程學院）