森林工程專業的機器人技術基礎課程改革研究

歷美岑，辛 穎

(東北林業大學工程技術學院，黑龍江哈爾濱 150040)

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森林工程專業的機器人技術基礎課程改革研究

歷美岑，辛 穎*

(東北林業大學工程技術學院，黑龍江哈爾濱 150040)

摘要機器人技術基礎是東北林業大學工程技術學院森林工程專業的選修課，是機械、電子、控制、檢測、通信和計算機相關知識的有機融合。筆者結合森林工程專業的辦學定位，分析該課程在森林工程教學中的作用和現狀，從教學內容、教學方法、課程學習評價等方面，提出了機器人技術基礎的課程改革辦法。這些改革辦法的實施不僅培養了學生分析問題、解決問題的能力，還適應了社會發展對復合型人才的需求，也提高了整個課程的教學效果和教學質量。

關鍵詞機器人技術基礎；課程改革；森林工程

森林工業機器人的研究在我國林業生態工程建設和經濟發展中具有十分重要的地位，已完成的國家“863”項目“林木球果采集機器人”“伐根清理機器人”和“旋切智能定心上木機器人”等已經得到應用[1]。隨著機器人技術的迅速發展，機器人技術方面的基礎知識不僅是森林工程專業對學生進行能力培養的重要內容之一，而且逐步成為森林工程專業綜合實踐課程的良好載體。

機器人技術基礎是森林工程專業的專業選修課，是機械、電子、控制、檢測、通信和計算機知識的有機融合。該課程注重將機器人基礎理論與應用相結合，力求反映國內外機器人研究領域的新進展。開設該課程的目的是讓學生能夠獲得有關機器人的基本理論、知識和技能，結合實際案例，使學生能自行設計簡單的機器人系統，進而鍛煉學生的工程實踐能力[2]，培養學生的創新設計能力[3]，提高學生的綜合設計能力[4]，為今后從事森林工程專業相關機械裝備工作、機器人設計與維護和攻讀碩士學位打下堅實的基礎。筆者就機器人技術基礎在森林工程教學中存在的問題，從教學內容、教學方法和課程學習評價3個方面的改革入手，以培養學生的實踐能力為導向，提出課程改革的方案，并在教學實踐中進行了嘗試。

1教學目標

1.1使學生獲得機器人的理論知識學生通過機器人技術基礎課程可以學到關于機器人運動學、機器人動力學、機器人控制、機器人軌跡規劃、傳感器等理論知識。對這些機器人方面基礎知識的掌握有助于學生進行更深入的學習。

1.2培養學生的實踐能力和創新能力學生掌握理論知識后，更應該注重實踐能力和創新能力的培養。機器人技術基礎課程涉及很多實驗內容，需要學生動手操作，以鍛煉學生的實踐能力。該課程要求學生在學習完成后，可以自行設計出簡單的機器人系統，在此過程中鍛煉了學生的創新能力，進而提高了學生的綜合設計能力。

1.3為學生以后從事相關工作打下基礎森林工程的畢業生中有部分會選擇機械類的工作，因其學習了機器人的基礎知識和綜合設計內容，已經具備從事相關工作的基本能力。所以，學生通過對該課程的學習，掌握了機器人技術的理論知識，并通過實驗環節提高了綜合設計能力，這兩個方面都為學生以后從事相關工作打下了堅實的基礎。

2教學現狀

2.1教學手段不夠完善學生接受信息的途徑不斷增多，不同階段學生的特點也不同。機器人技術不斷發展，知識也在不斷更新，這些因素都給教師的授課方式提出了更高的要求，需要不斷更新和完善教學方法。因此，探索新的教學方法勢在必行。

2.2相應的課程網站建設不足在互聯網如此發達的時代，很多學生會從互聯網獲取學習資源。該課程在網絡建設方面并沒有對應的網站或網上資源，不能實現學生和教師的資源共享。為了加強教學資源共享，完善教師和學生的網上互動答疑、討論，提高學生的學習效率，與機器人技術基礎課程相對應的網站建設是十分必要的。

2.3教學研究力度不夠教師對該課程的研究力度直接決定了學生的知識接受程度，而目前教師對于該課程的研究力度的現狀就是缺乏高水平的教研論文，這就對授課教師提出了更高的要求。授課教師應該通過外出學習等方式加深對該課程的研究，發表出高水平的教研論文來提高對該課程的研究水平，進而給學生帶來更好的學習體驗。

3課程改革辦法

課堂理論知識的講授可以使學生的認識、能力、技能等得到全面發展。為了使學生更好地接受課程相關知識，授課教師在教學過程中采用了多樣化的教學方法，完善了教學方式，更新了教學內容。例如該課程會在整個教學過程中采用案例式的教學手段，結合SCARA型教學機器人樣機和森工特種機器人，對機器人進行系統講解。這些具體的參照模型都會使學生在學習中收獲更好的學習效果。教師從運動學建模、運動學分析、運動規劃等方面，分別以實際案例結合每章的設計項目問題對SCARA機器人進行系統、詳細的講解。教師在教學過程中還采用了交互式提問、類比等方式，這些方法不僅可以鼓勵學生獨立思考、大膽質疑，發現問題和解決問題，加強分析討論，還可以培養學生研究型學習的理念。

3.1教學方法改革

3.1.1采用案例式、討論式教學方法。教師對機器人技術基礎課程的授課內容和方式進行了改革與創新實踐，在授課過程中，注重知識的更新，增加機器人的熱點知識，讓學生能夠掌握機器人的最新動態。在教學過程中，教師采用案例教學法、討論式教學法等，采用課堂講授、討論、自學等多樣化教學方法與多環節考評方法相結合，將森工特種機器人作為講授的案例，將森林工程的專業內容與課程進行良好的融合。這種現代化教學手段可以更好地激發學生的學習主動性。

3.1.2實施立體化教學，積極進行數字化資源建設。教師在課程中實施了理論課程、實踐教學、網絡助學、課外研學四位一體的立體化教學模式。以理論教學為先導，理論課結束之后緊接著安排研究型、開放型的綜合性實踐環節，開展與課程相關的網絡助學與課外研學活動，使得課程教學得到拓展和延伸。基于慧魚創意模型的機器人技術基礎實驗教學改革項目的實施，為機器人教學[5-9]與實驗教學方法改革[10-11]奠定了良好的基礎，為學生的個性化發展提供了空間。授課教師充分利用現代化教學手段，開發CAI課件和網絡教學，以提高機器人技術基礎課程的教學質量。數字化教學資源設計與應用是精品課程教學的重要保障。在課程建設過程中，主講教師積極進行課程網絡建設，將課程教學資源全部上傳網絡，包括教學錄像、教學課件、教學大綱、習題等，為學生線上學習提供了很大的便利，調動了學生學習的積極性。

3.1.3完善師資隊伍，提高整體教學水平。森林工程教學團隊在教學方法上首先采取了“以老帶新，以新促老”的方法，提高了課程組的整體水平；其次，定期組織教學經驗交流，通過集體備課和定期交流的方式，學習教學技巧，提升整體授課效果；再次，組織教師觀摩教學，相互聽課，及時指正教學中存在的問題和不足，促進青年教師教學水平的提高；最后實行了集體備課制度，使授課教師明確講課的內容，熟悉和掌握每一個教學環節的要求和標準。

3.2教學內容改革

3.2.1重新設計課程內容，完善課程體系。機器人技術基礎是為森林工程及相關專業開設的一門重要的專業選修課。隨著現代林業技術和機器人技術的發展，課程內容和體系也必隨之改革和發展。機器人控制技術課程的培養目標是鍛煉學生的工程實踐能力，培養學生的創新設計能力，提高學生的綜合設計能力，而這些能力的培養需要貫穿于教學的全過程。所以森林工程教學團隊刪除了那些在教學內容上為了保證課程系統性和理論完整性而安排的古典、抽象或深層次的知識內容，及時把教學改革和教學研究成果及學科最新發展成果引入理論教學與實踐教學。在教學過程中，應創造條件讓學生了解國內外先進的機器人產品，以啟發創造性思維和激發創造欲望；讓學生對典型的機器人進行結構、功能和控制原理分析，以便深入了解機器人；將所有章節的重點和難點均從案例中摘取出來，進行實例講解，用一個案例將所有的重點難點串到一起，在降低學習難度的同時加強知識學習的連貫性；讓學生對已有的機器人系統提出改進措施并進一步實現，形成一個完整、合理的培養過程。

3.2.2將教室搬到實驗室，積極開展現場教學。結合課程特點，在講授機器人結構、機器人運動學和動力學等知識時，由教師帶領學生走進機器人實驗室，讓學生結合具體機器人進行實際分析。通過具體案例的講授與學生的實際分析，激發了學生的學習興趣，使理論與實踐知識能夠很好地結合，使學生對知識點的掌握更加牢固。東北林業大學森林工程實驗教學中心的機器人實驗平臺開設了機器人設計型、創新型實驗，這些實驗都注重創新實踐環節，通過這些實驗可以有效提高學生的實際動手能力、分析和解決工程問題的能力。

3.2.3開發設計型、研究型實驗，為學生提供理論聯系實際的平臺。在對傳統實驗進行分析的基礎上，授課教師對實驗的內容、方法和模式等進行了改革，將教學實驗重點放在設計型與研究型實驗的開發和建設上，因為這類實驗可以充分發揮學生的主觀能動性和調動學生學習的積極性。主講教師已對慧魚機器人的教學應用進行了多年研究，指導近10篇本科畢業論文研究慧魚機器人的實驗方案，且實驗方案已經比較成熟。因此，在機器人技術基礎課程實驗中增加設計型、創新型的慧魚機器人實驗是十分合理并可行的。慧魚機器人實驗等這類設計型、創新型實驗的加入會充分調動學生實驗的積極性，引導學生由被動走向主動學習，培養其動手能力，鍛煉分析問題和解決問題的能力。

3.3課程學習評價改革為了更加科學、合理地完成學生成績的考核工作，有效提高教學質量和學生學習效果，特制訂了該課程的考核原則：總成績由平時成績+實驗成績+階段考試成績+期末成績構成。將學生分成小組，開展課外研學活動。計劃同步于課堂講授內容，為學生布置一些相關的題目，讓學生利用課余時間和網絡資源查閱資料，了解相關的技術和研究進展，每組結合課程內容要完成一個研究匯報，并在課堂上講解，學生與教師共同參與討論，該項作為平時成績之一。在階段考試和期末考試中，重點考察學生分析和解決問題的能力。

4結語

機器人技術基礎在森林工程專業中的教學作用不可忽視。學生通過對該課程的學習，不僅掌握了機器人相關的理論和技能，而且在一定程度上鍛煉了實踐能力和創新能力，總體上提高了綜合設計能力，更為今后從事機器人或其他機械相關工作打下了堅實的基礎。教學督導員、學院領導、學院系主任等多次對該課程組織聽課，認為該課程教師的教學態度認真，課前準備充分，教學內容充實，注重學生分析問題、解決問題能力的培養，師生互動性強，使課堂從單純的知識型教學向注重工程實踐能力培養轉變，與此同時，學生關于機器人方面的知識和能力也得到了顯著提升，學生學習的積極性和創造性得到了調動，期末成績也得以大幅度提升。

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基金項目東北林業大學重點課程建設項目資助。

作者簡介歷美岑(1994- )，女，黑龍江雞西人，碩士研究生，研究方向：森林工程。*通訊作者，副教授，博士，從事森林工程研究。

收稿日期2016-04-20

中圖分類號S-01；S 77

文獻標識碼A

文章編號0517-6611(2016)15-257-02

Course Reform of Basic of Robot Technology Based on Forest Engeering

LI Mei-cen，XIN Ying*

(College of Engineering and Technology, Northeast Forestry University, Harbin, Heilongjiang 150040)

AbstractBasic of Robot Technology is an elective course of students in forest engineering, College of Engineering and Technology, Northeast Forestry University. And it is the organic integration of machinery, electronics, control, detection, communication and computer. According to the orientation of forest engineering, we analyzed the role and status of this course in teaching forest engineering, and then proposed the curriculum reform measures for Basic of Robot Technology from the aspects of teaching content, teaching methods and course evaluation. The implementation of these reform measures not only cultivated students' ability to analyze and solve problems, but also adapted to the needs of social development of compound talents, and also improved the teaching effect and teaching quality of the whole course.

Key wordsBasic of Robot Technology; Course reform; Forest engineering