“項目式”強化訓練的機器人實驗教學方法

容愛瓊

摘要：隨著機器人技術的不斷發展，國內越來越多的高校開展了機器人課程。在分析機器人實驗課現有問題的基礎上，摸索總結了一套“項目式”強化訓練的機器人實驗教學方法。該方法以具體的機器人設計和應用的項目任務為依托，改善對學生的機器人實驗教學，并綜合加強實驗平臺建設、優化交叉課程教學、提高授課教師素質等多種方法，著力提高機器人實驗的教學質量和效率。教學實踐證明，該方法能夠提高學生對機器人實驗的學習積極性和主動性，加深學生對機器人理論知識的認識，強化學生的動手實踐和團隊合作能力，滿足提高教學質量和效率的要求。

關鍵詞：機器人實驗教學；項目式；教學方法

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）28-0268-02

機器人是一個多學科交叉的綜合產物，涉及機械工程、電子技術、檢測技術、通信技術、計算機技術、自動控制理論以及人工智能等多個學科領域，代表了當今機電一體化的最高成就。當前，工業機器人、醫療機器人已經得到了廣泛應用；隨著人口的老齡化，服務機器人也成為了研究的熱點。在此背景下，越來越多的高校開設了機器人課程并給予較高的重視。機器人課程具有涉及學科廣泛、實踐性強、探索性豐富等特點，是面向高等學校機械工程學科機械工程及機械電子工程專業的本科生和一年級研究生開設的專業課。

根據應用型本科的教學定位，本著“技術強校，應用為本”的辦學指導方針，華南理工大學廣州學院以機械工程實驗中心的機器人資源為依托，面向機械類專業學生開展了機器人實驗課程并不斷探索更好的教學方法，著力培養滿足用人需求的技術應用型人才。

在此，本文在分析國內機器人實驗課程現有問題的基礎上，總結自身的教學實踐經驗，提出了“項目式”強化訓練的機器人實驗教學方法。該方法以具體的項目任務為依托，促使學生在完成項目任務的過程中“既動腦又動手”，得到了較好的教學效果。

一、機器人實驗教學的現有問題

目前，機器人教學在國內各高等學校迅速發展，相當一部分的高校建立了機器人實驗室并開展了機器人實驗課程。雖然機器人教學工作發展迅速，但是完整的教學體系尚未形成，在機器人實驗教學仍然存在不少值得關注的問題。

1.實驗平臺單一。目前，阻礙機器人實驗教學發展的一個重要原因就是搭建機器人實驗平臺所需的器材費用非常高。譬如：一套安川小型工業機器人高達十幾萬元，一套包括控制器、傳感器、馬達和零部件等的樂高機器人教學專用套裝一般需要六七千元。另外，機器人的組裝和維護所需的硬件設備和人力投入也是一筆龐大的開銷。由于受到經費等原因的限制，相當一部分的學校只能購買并搭建一到兩種機器人實驗平臺，因而能夠讓學生動手操作、親身體驗的實驗資源非常有限，也難以開展多種機器人實驗，導致機器人實驗的教學內容比較單調，缺乏“廣度”，對學生的吸引力不強。

2.教學手段傳統。機器人實驗不僅要求學生要動手，還要求學生要動腦，但目前機器人實驗的開展以教師進行實驗演示和學生按照步驟操作為主。這樣的教學手段使得學生按照明確的步驟即可完成實驗，無須自行查找資料、思考并解決問題、進行團隊合作。在機器人實驗的過程中，學生缺乏主動實踐的機會，難以激發學生對機器人進行學習和操作的主動性和積極性。學生在實驗結束后往往很快就遺忘所學的內容，在整個實驗課程結束后收獲不多，甚至印象不深，從而導致機器人實驗的教學效果較差。另外，對學生實驗課程的評價依據只能是學生能否按時上課和完成實驗，不能有效地區分出部分動手能力強、創新意識較強的學生并給予較高的評價。不具有一定挑戰性的按部就班式的實驗操作，也不能激發學生爭先創優的競爭心理，這也導致了機器人實驗的教學效果并不理想。

3.教師資源匱乏。機器人課程融合了多個學科的知識，涉及到相當多前沿領域的技術。因此，機器人實驗教學對教師有著比較高的要求，要求教師具備多學科知識背景、較強的動手能力和指導學生對新事物進行探索實踐的能力。然而，由于機器人教學在我國起步較晚，完整的機器人教學體系尚未形成，教師隊伍尚在建設中，專門進行機器人教學活動的教師較少，在機器人實驗教學方面具有豐富經驗的教師就更少了。所以，在開展機器人實驗教學方面，各高校的教師資源嚴重匱乏。

二、“項目式”強化訓練的實驗教學方法

針對已發現的問題，華南理工大學廣州學院探索總結了一套“項目式”強化訓練的機器人實驗教學方法。

1.進行項目訓練的教學。為了推行“項目式”強化訓練的教學模式，華南理工大學廣州學院安排了工業自動化強化訓練Ⅰ和Ⅱ兩個課程。其中，強化訓練Ⅰ是可編程控制器和單片機的基礎課程，以教師課堂授課和安排實驗為主。強化訓練Ⅱ是后續課程，以項目任務為教學內容，將機器人作為可編程控制器和單片機的學習平臺，以機器人各種工作站的搭建為具體任務，開展機器人系統結構、系統集成等教學，整個環節以學生操作為主。教師設計有多個不同的項目任務，供學生自行組隊、自由選擇。每個小組根據選定的項目任務，自行進行組內分工和安排工作日程，查閱相關資料進行程序或輔助設備的設計和實驗。

通過豐富具體的項目任務驅動學生的機器人學習，學生可根據自己的興趣和水平選擇項目任務，這可以激發學生的學習興趣，提高學生的創新能力和團隊意識。“既要動腦又要動手”的項目任務加強了學生對機器人的認識，強化了學生對知識的運用，學生對學到、用到的知識印象深刻，從而提高了教學質量和教學效率。

例如：教師設計了一個“基于工業機器人的生產線分揀系統設計”的項目任務，要求學生在4周時間內搭建一個生產線自動控制系統，能夠自動對傳輸帶上的不同顏色（黑色和白色）、不同材質（金屬和塑料）的物件進行識別，并將不同的物件從傳輸帶上搬運到指定的區域。學生在小組內自行協商項目分工和安排項目進度，利用實驗室現有資源搭建了由PLC控制的生產線，實現了PLC與機器人的通信，對機器人進行了示教編程，并對整個系統進行了調試。教師每周對學生的項目進度進行1～2次監督檢查，并及時對學生遇到的問題給予指導。

2.推動實踐項目的開展。在課外時間，進行以教師為指導、學生為主要參與者的實踐項目活動，是培養學生的學習興趣和自主創新思維的重要方式，也是“項目式”實驗教學方法的一種實踐形式。華南理工大學廣州學院自2009年起，建立了一個可容納50人的機器人實驗室，每年參加ROBOCON全國機器人大賽，以比賽項目為依托鼓勵學生設計和應用機器人。此外，學校開展了大學生創新創業訓練計劃項目（SRP），并積極鼓勵學生參加廣東省大學生創新創業和挑戰杯等實踐活動。不少學生以機器人為主題進行創新和實踐，并取得了較好的成績。

3.加強實驗平臺的建設。“項目式”強化訓練的實驗教學方法重在實踐，離不開完善的實驗平臺。針對上述由于價格昂貴而導致“實驗平臺單一”的問題，華南理工大學廣州學院依托機械工程實驗中心的現有機器人教學資源，將其進行優化整合，建立了機器人創新實驗室，搭建了多個機器人實驗教學平臺，包括三菱和西門子PLC培訓、單片機培訓兩個基礎平臺，廣州數控機器人和日本MOTOMAN-SV3X工業機器人平臺，以及基于機器人比賽開發的智能車機器人實驗平臺。加強實驗平臺的建設，既為學生提供了基礎理論的實踐平臺，也為機器人項目式訓練和比賽項目實踐等方面提供了必要的資源。

4.優化交叉課程的教學。機器人學科綜合性很強，涉及多個學科，推動機器人實驗教學須要優化交叉課程的教學。交叉課程教學的優化能夠提高機器人實驗的教學質量，而機器人實驗課程又能為交叉課程的教學提高實驗平臺，學生能夠在機器人的實驗中驗證和運用交叉課程的知識，從而起到相輔相成的作用，形成良性循環。

華南理工大學廣州學院機械學院將機器人控制系統作為PLC和單片機強化訓練項目來開展，使得學生在PLC和單片機的學習過程中能夠借助機器人的實驗了解控制系統和理解一些較為復雜的控制原理，在完成機器人項目任務的過程中運用并進一步學習PLC和單片機的知識，因而取得了較好的教學效果。

5.著力教師素質的提高?！绊椖渴健睆娀柧毜膶嶒灲虒W方法不但要求教師具備有較強的動手能力和培養學生創新思維，還要求教師具備多學科知識背景，對教師有著較高的要求。為此，華南理工大學廣州學院通過多種形式著力提高機器人實驗教師的綜合素質，例如：組織教師參加機器人高峰研討會，開展各種教研沙龍和網絡教研活動，與優秀的教師團隊交流學習；組織教師前往廣州數控設備有限公司等企業進行參觀學習，了解當前市場上的機器人產品；對積極指導學生完成項目任務的教師進行獎勵，提高教師的工作積極性。

三、結語

“項目式”強化訓練的機器人實驗教學方法采用以學生為中心，教師為指導的教學模式，在整合機器人實驗資源的基礎上，通過豐富具體的項目任務帶動學生進行機器人的學習。教學實踐表明，該方法能夠激發學生的學習興趣，強化學生的知識應用，提高學生的團隊合作意識和創新能力，從而提高教學質量和教學效率。

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