人形機器人教學平臺的設計

馮文芹

【摘 要】人形機器人是信息技術發展的前沿領域，是一門具有高度綜合滲透性、前瞻未來性、創新實踐性的學科，蘊涵著極其豐富的教育資源。人形機器人教學平臺的設計緊隨我國中高職類院校科技發展的趨勢，能夠提高中高職類院校的科技創新水平，能夠成為中高職類院校培養學生創新能力和動手操作能力的平臺，能夠融入校園文化建設與學校的辦學理念、育人環境、辦學特色等形成和諧統一的整體。

【關鍵詞】中職院校發展 人形機器人 教學平臺設計

一、人形機器人概述

人形機器人的研究起步于1960年代后期，目標是解決人形機器人的雙足行走問題。進入1990年代，人形機器人在控制方法和人工智能等方面的研究成果不斷出現，從而推動了人形機器人技術的快速發展，此后機器人的行走能力、智能化和功能都越來越強大，最著名的人形機器人就是本田公司的ASIMO。

人形機器人的出現是計算機科學、傳感器技術、機械科學等學科的技術進步，也是人類日常生活需要的產物。目前我國人口老齡化問題日益顯現，在以后的幾十年時間里必將影響社會的發展。人形機器人的出現一定程度上能夠緩解人口老齡化帶來的勞動力資源緊張的局面，同時人形機器人能夠代替人類在惡劣以及高危環境下工作。

二、建立人形機器人教學平臺的必要性

我國的人形機器人研究起步于1986年啟動的國家高技術計劃，經過二十多年的研究，取得了豐碩的成果。如北京理工大學研制的機器人“匯童”有32和自由度，能根據自身平衡狀態和地面高度變化實現未知路面的穩定行走。進入21世紀，機器人已經不再局限于工業上的應用，而應該在社會的各個行業合理利用。如何讓人形機器人在教育應用上發揮其應有的作用成為當前研究的重點。隨著全國乃至國際各類機器人大賽的日益升溫，各類職業院校迫切希望能在機器人大賽中獲得成績來提升學校綜合競爭力以及知名度，因此職業院校建立人形機器人教學平臺成為需要，同時也能有效地激發學生的學習興趣，有很好的趣味性和挑戰性。

讓機器人教育走進學校，開發機器人文化的教育功能和發掘智能機器人的教育價值，對推進教育創新，促進教育改革和教育現代化，對創造型、研究型、專家型教師隊伍的形成，對提高學生的創新和實踐能力，同時對我國機器人事業的發展、人才高地的建設，都具有重要的現實意義和戰略意義。

因此，建立人形機器人教學平臺是十分必要的，它適合于機電一體化、電氣自動化、機械制造及其自動化、機械電子工程、機械設計與理論、數控技術、自動控制等相關專業的一體化教學和培訓。

三、教學平臺實施步驟

（一）加強學校硬件設備的建設

學校積極籌措資金、充實有關設備。準備購買新機器人器材的資金，為機器人活動添加硬件設備，以此來創設良好的機器人學習環境，推動機器人教學。根據總體設計方案的要求，我們購買了兩臺機器人的配件，一臺用于項目組前期做實驗，另一臺則用于高級班的機器人一體化教學。

（二）提高教師專業素質，提升學校軟實力

我們著力通過培訓、教研、講座三個環節來提高參與師生素質。

首先是培訓，教師對機器人技術的認識決定著機器人教學的成敗。因為教師是方案的直接參與者，只有當教師充分認識到機器人技術的價值，對課題研究充滿信心并熱情投入時，課題研究才能收到良好的效果。為此，我們加強了參與教師的理論學習。首先要抓的是教育觀念的更新，我們準備通過學習先進的教學資料，組織教師認真學習相關教育理論和文件。幫助教師從理論上提高對課題實驗的必要性、重要性的認識，促進教師進一步樹立正確的教育觀念，為實驗的順利開展奠定堅實的思想基礎。

其次是教研。為適應課題研究的需要，我們要進一步開展參與教師專題討論，組織教師開展課外機器人活動的現場觀摩，并進行案例分析，積累實際教學經驗，提高教師把機器人技術融入教學實踐的能力；組織校內外機器人競賽活動，使參與教師在相互交流中提高，在實踐探索中成長。

三是講座。學校領導邀請專家來校講座，進一步提高課題組成員的理論基礎，并請專家進行現場指導，對涌現出的好做法、好經驗，及時總結、推廣；對發現的問題，面對面地進行指導幫助。有效地調動了教師的積極性，確保平臺實施的順利進行。

（三）組建機器人實驗室及學生興趣小組

由機電科組牽頭組建機器人項目實驗室，從機電一體化、電氣自動化、電工與電子等專業學生中挑選學習成績比較優秀同時又對機器人制作感興趣的學生組成學生機器人興趣小組。由指導教師編寫有關人形機器人的制作指導教材，從傳感器的性能到人形機器人的組裝再到程序的編寫，通過對興趣小組學生進行授課，使他們逐步進入機器人科學世界。

（四）應用到一體化教學

通過興趣小組的引導，逐漸將機器人教學向學科課程發展。隨著中職院校教學改革和課程改革的實施，機器人教學走進課堂是一種必然的發展方向。面向機電一體化以及電氣自動化專業高級班學生開設《機器人制作》課程，講解人形機器人的控制板、傳感器、輸出設備等硬件知識以及人形機器人控制程序的開展等軟件知識。

通過項目教學法，讓學生在學完本課程內容后能獨立組裝并調試人形機器人，讓學生知道如何將學習的內容應用到生產和生活實際當中，提高學生和學校的競爭能力。

四、平臺建立后所獲成效

（一）人形機器人各項技術指標達標，作為機器人一體化的教具，并加以推廣

通過對機、電、材料、計算機、傳感器、控制技術等學科相關知識的講解，讓學生將所學的知識應用到實踐中，完成對人形機器人的設計與制作，由此成為培養學生創新能力和動手操作能力的平臺，讓更多的學生參與其中。學生的設計成果能參加國際、國內各種機器人比賽，學校將一直保留學生的作品供師生參觀學習，共同提高。同時可推廣為中等專業和大學相關專業的專業基礎教學和創新課程學習的教具，既教會了學生各種專業知識，又讓學生通過動手、動腦實踐，提高了綜合素質。

（二）學生素質顯著提高，與時俱進，滿足社會對現代高級技工的培養要求

1.學生的邏輯思維能力顯著提高

程序是機器人的思想，需要有嚴密的邏輯結構，使機器人按照程序進行活動。因此編寫程序是機器人教學的一個重要內容。學生在了解機器人的結構、工作原理和各部件功能的基礎上，根據任務來編寫程序，為培養學生的邏輯思維能力提供了很好的途徑。

2.學生分析問題，解決問題的能力增強

制作人形機器人是一個非常復雜的過程，設計機器人的搭建、編程、運行和調試的反復過程。學生要學會分析問題，分析是哪一個環節出現問題。學生在分析原因的同時，也要考慮解決問題的辦法，根據實際情況進行修改、調試和優化，分析出錯原因，提出解決問題的辦法。

3.學生創新能力、實踐能力明顯提高

通過課題實驗，充分發揮一體化教學的優勢，整合課程資源，通過多維互動的課堂教學，促進了學生創新能力、實踐能力的提高。

在教學中加大機器人方面的知識和實際操作培訓，培養出更多數量和更高質量的“藍領”“灰領”人才，學生的動手能力和實踐能力增強了，對機器人的機械控制和電氣控制等知識的了解也能夠滿足對各種家用和工業機器人的簡單開發和使用的需要。

4.學生的團隊合作能力提高

機器人教學多以小組形式開展，機器人的學習其實就是團隊合作學習的過程。機器人的成功制作要求團隊成員團結協作，利用集體的力量來完成個人難以完成的問題，在實踐中培養團隊合作能力。

（三）教師綜合素質明顯增強

要求教師對機器人重要性的認識進一步加深，進一步學習機器人方面的技術。同時，自身素質的提高與積極利用課程資源為機器人教學服務已成為教師的內在需求，學習中提高自己業務水平已成為絕大部分教師自覺的要求。

（四）獲獎

在第九屆技能節國際智能機器人競賽暨廣東省技工院校機器人制作表演賽中，我校機器人教學平臺培養出來的學生經過與國內外7所知名技工院校激烈角逐后，勇奪國際智能機器人競賽和機器人擂臺比賽兩個項目的三等獎和優秀組織獎。

五、結語

機器人技術是一門橫跨多個學科的綜合性技術，通過對人形機器人的設計和實踐教學，使學生對機電控制系統和機器人系統有了完整的理解。學生對人形機器人的了解和實際操作，加強了學生對現代機械設備和操控能力，提高了學生和學校的競爭能力。學生由此知道了學習內容是如何應用到生產和生活實際當中，激發了學習的興趣和熱情，改善學習風氣和學習態度。使用機器人作為學生創新能力培養的平臺，本身也是對教學實踐的創新，為社會培養創新性人才，為創建和諧社會、創新社會做出應有的貢獻。

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