機器人課程建設探索和思考

　　摘要：闡述機器人課程建設的意義。通過對課程進行定位、調研和分析，結合首都師范大學智能科學與技術專業的發展特色，從教學內容、教學手段、考核方法等方面分析和總結機器人課程的建設情況。實踐表明，機器人課程充分體現了智能科學與技術專業的核心特色，受到學生的廣泛歡迎。
　　關鍵詞：機器人；機器人課程建設；智能科學與技術專業發展
　　
　　2004年，教育部批準設立智能科學與技術本科專業，標志著我國對智能科學技術發展方向的高度重視[1-2]。我校是教育部首批設立智能科學與技術專業的高校之一。機器人課程是該專業的核心特色課程，在專業建立之初，我校就為本科生開設了這門課程。由于機器人課程涉及的學科廣泛，包括力學、拓撲學、機械學等諸多領域，是一門理論性、實踐性和整合性很強的課程。為了改變教學觀念，提高教學水平、教學效果，突出智能專業的特色，近年來，我們對該課程進行了課程建設和改革。筆者對機器人課程的建設情況進行了回顧、總結和比較。
　　1機器人課程開設現狀
　　國內很多大學開設了機器人課程。例如，中南大學建設了機器人精品課程，清華大學、上海大學、中山大學、北京理工大學、武漢工程大學等高校都在本科或研究生階段開設了機器人課程。浙江大學建立了機器人科教實踐基地。部分高校依靠在機械、自動控制方向積累的科研和教學實力，依托機器人重點實驗室或研究所，建立了機器人方向的高素質教學、科研隊伍，如哈爾濱工業大學機器人技術與系統國家重點實驗室、上海交通大學的機器人研究所、北航機器人研究所等。在教材選擇上，各校集中在蔡自興教授的《機器人學》和熊有倫教授的《機器人學》，在課時安排上，授課的比例較大，實驗課時安排較少，有的高校實驗課時數為零[3]。
　　我校自建立智能科學與技術專業后，于2006年首次開設機器人課程。由于前期在科研上和教學上幾乎沒有積累，因此是摸著石頭過河。在觀摩借鑒兄弟院校的經驗基礎上，我們開展了機器人課程的教學活動。經過幾年的摸索，我們在教材選擇、授課內容、教學手段、實踐教學、考核等方面進行了建設。
　　2機器人課程建設措施
　　我們主要在教學內容、教學方法和手段、考核方式等幾方面進行了教學改革，力圖把機器人課程建設成具有智能專業特色、符合工科學生培養目標的課程。
　　2.1適應工科培養特色，改革教學內容
　　教育部《關于進一步加強高等學校本科教學工作的若干意見(征求意見稿)》(教高司函[2004]259號)指出，高等學校應著眼于國家發展和人的全面發展需要，堅持知識、能力、素質協調發展，注重能力培養，著力提高大學生的學習能力、實踐能力和創新能力。
　　突出學生實踐能力的培養是工科專業教育重要和顯著的特征。加強對工科專業課程的實踐教學研究，有助于教育培養目標的實現。實踐教學要改變過去一味對學生“灌”的教法，樹立學生主動學習的興趣和意識，突出學生實踐能力的培養。
　　但是以往智能機器人的教學內容基礎理論過多，強調基礎的重要性，實踐性教學的力度不夠大，不符合工科學生培養特色。因此，我們降低了理論講解深度，擴大學生對機器人技術的廣泛了解，強調實踐環節[4]。課程教學于一個學期內完成，調整教學內容后，課時由72學時調整到現在的36學時。教學內容主要包括三個模塊：理論模塊，包括機器人運動學、機器人靜力學和動力學分析、機器人軌跡規劃；其他機器人相關技術，包括機器人本體基本結構、機器人的控制系統、機器人的編程語言、智能機器人的發展等廣泛內容；第三部分是實踐內容。
　　為了使教學內容既滿足教學基本要求，又與科研實踐相結合，本課程使用能力風暴機器人AS-UII和AS-EI 工程創新模塊套件進行課程實驗。AS-UII是面向教育的新一代智能移動機器人教學平臺，與可視化編程軟件VJC一起構成了理想的教育平臺。它采用項目導向的形式，學生通過自己動手，能對機器人機械、電子、機器人控制、機器人編程等知識有系統的了解，提高學習興趣。學生先后進行機器人的控制系統實驗、感覺系統實驗、機器人離線編程實驗、機器人軌跡規劃實驗等，對該課程知識融會貫通。學生通過課程學會提出問題、分析和解決問題，不斷提高實踐能力和創新能力。智能機器人實踐課程受到學生的熱烈歡迎，課時數也由最初的9學時調整到18學時，后又調整到現在的36學時，這樣授課和實驗的比例達到了1︰1。
　　在實驗中，我們將實驗任務與課程教學相結合。例如，在講到機器人傳感器這一章時，我們安排學生的實驗內容有智能小車設計，讓學生使用速度傳感器控制小車的運動路程；在講到自由度概念時，讓學生設計具有4個自由度的工業機器人。通過實踐課程，學生加深了對理論知識的理解。
　　2.2改革教學方法，改善教學效果
　　2.2.1應用教育技術，提高學生興趣
　　機器人課程在2008年進行了課件建設立項，并已經結題。我們建立了課程網站，把教學大綱、課件、實驗、習題及答案等教學相關材料掛在網上，幫助學生課余自學、預習和復習。我們打破了課堂板書授課的唯一方式，使學生可以在課余時間使用課件，靈活自主學習、復習、協作學習，彌補上課時間短、交流少的缺點，提高教學質量。多種方法的結合有效提高了教學效率，改善了教學效果。在課堂上，教師注意應用現代教育技術和多種教學手段，采用先進的多媒體教學技術，使學生感到生動有趣、易于理解。
　　2.2.2采用啟發教學法，培養學生主動性
　　在教學方法上，教師積極采用啟發式、與實踐相結合等教學方法，有效調動學生自主學習的積極性，激發學生的潛能。由于機器人是一門實踐性很強的課程，因此教師鼓勵學生多動手、多調試，進行課程設計和課堂答辯比賽，消除了學生對課程的擔憂心理，使學生更直觀地理解和掌握知識，激發學生對新知識和新技術的求知欲，提高教學質量。學生在學期末的教學評估中反映出對該門課程的喜愛——評估成績由原來的80多分提高到了90分以上。
　　2.2.3教學與科研結合，提高學生創新能力
　　我們鼓勵學習能力強的同學申請機器人科研立項、進行機器人畢業設計、參加全國性的機器人競賽。在近三年的時間內，我校學生共申請和機器人相關的學生科研立項、實驗室基金資助近10項，參與學生約30人。學生參加機器人小型組比賽、全國首屆大學生智能設計競賽等活動，先后獲得小型組足球機器人比賽第6名、2011校級大學生“挑戰杯”競賽3等獎。其中，“火星標本采集概念機器人”，是學生在機器人設備簡單、傳感器探測能力有限的情況下，拋棄產品配備的現成實驗方案，大膽發揮想象，使用多臺機器人設備協同控制，設計出的一個獨特的多自由度機器人，實現了行進、采集標本、傳送標本等功能，如圖1所示。有的學生為了設計將圖書自動歸架的機械手臂系統，重新購買控制芯片，改進傳感器定位精度，和設計廠家討論定制相關配件等。因此，智能機器人課程與科研的緊密聯系極大調動了學生鉆研知識的積極性和主動性，提高了學生的實踐能力和解決問題的能力。
　　2.3考核方式
　　我們在該課程中改變了考核單一化、期末考試定乾坤的傳統方式。采用期末考試和平時作業、課程設計相結合的方式，期末考試和家庭作業以考察智能機器人的基本概念、基本理論知識為主，成績約占總成績的60%。課程設計以考察實踐能力為重點，包括選題、設計理念、代碼編寫、發現問題、小組協作、答辯等環節，占總成績的40%。豐富考核內容后，我們作了不記名調查，參加調查的學生有80人，其中85%以上非常認可這種考核方式，認為實踐能力有很大的提高，提高了學習興趣和學習主動性，有利于自主學習能力的培養，激發創新能力。
　　
　　3結語
　　經過努力建設，機器人課程已經成為智能科學與技術專業一門獨具特色、代表性強、體現智能特色的課程。由于信息量大，實踐性強，這門課受到了學生的普遍歡迎。該課的選課率很高，學生對課程的評價也很好，實現了培養學生知識、能力和態度等的目標。下一步，我們將在學生自主設計機器人的課程建設上多下工夫。
　　
　　參考文獻：
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