以“機器人”為主線的電子信息類專業綜合實踐教學改革

李菲

【摘 要】為了更好地實現高素質工程技術人才的培養，對電子信息類專業的綜合實踐課程進行了改革。機器人是電子信息類專業實踐教學的理想平臺，不僅可以進行獨立的綜合實踐訓練，也可與多門專業課程的實驗結合起來，對提高學生的設計與動手能力有很大的幫助。整個改革的內容包括構建以“機器人”為主線的新的實踐教學體系、以機器人實驗平臺為工程對象完成相關專業課程中實驗教學、在機器人平臺上實現綜合設計訓練。

【關鍵詞】機器人；綜合實踐；教學改革

中圖分類號： G712；TP242-4 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）26-0068-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.26.028

The comprehensive practice teaching reform of electronic information specialty with “robot” as the main line

LI Fei

（Shaoyang University，Hunan Shaoyang，422000， China）

【Abstract】In order to better realize the cultivation of high-quality engineering and technical personnel， the comprehensive practical course of the electronic information major has been reformed. Robot is an ideal platform for practical teaching of electronic information. It can not only carry out independent comprehensive practical training， but also can be combined with experiments of many professional courses， which is of great help to improve students' design and hands-on ability. The whole reform includes the construction of a new practical teaching system with "robot" as the main line， the robot experiment platform as the engineering object to complete the experimental teaching in relevant professional courses， and the comprehensive design training on the robot platform.

【Key words】Robot； Comprehensive practice； Teaching reform

1 機器人是電子信息類專業實踐教學的理想平臺

1.1 機器人涵蓋多門課程知識

機器人系統的綜合設計需要學生具備電子技術、嵌入式技術、傳感器技術等多門課程知識，通過整個機器人系統的實現，可完成學生所學課程間的知識融合，由單一的課程知識點到形成綜合性的知識體系。

1.2 提高學生設計與動手能力

由于機器人的綜合訓練包括了機械結構的搭建和功能系統測控，要完成整個訓練需進行合理的規劃和布局。這不僅鞏固了學生的理論知識，也提高了學生的動手能力，實現了學生從“學”到“用”再到“創新性應用”的轉化。

1.3 培養學生獨立分析與解決問題的能力

機器人系統的實現是一個復雜的過程，它牽涉到零部件的選擇、傳感器、電機的選擇、運動方案的確定、參數的確定等多個環節，在實現的過程中，學生將遇到很多課本上沒有的實際問題，通過系統的訓練，可使學生分析問題、解決問題的能力大幅度提高。

2 現狀分析

我校早在2008年就開始著手構建關于機器人的實踐教學，該類教學主要面向電子信息工程、電子科學與技術、計算機與物聯網專業的學生，旨在通過機器人系統的設計與實現，來培養學生的工程實踐能力和綜合設計能力。為了實現這一目標，我校主要從機器人實驗室建設、師資培訓和實踐課程建設三個方面進行了重點建設與培養。經過多年的建設，取得了一定成績，但也存在以下一些問題：

（1）機器人與專業課程結合性不強，大多獨立開設，而且只在第七學期開設，學習時間較短，沒有形成系統化；

（2）大多仍以知識傳授為主，沒有以學生的綜合能力培養為前提；

（3）綜合設計的工程性不強，只對機器人的結構鍵進行拆裝與組合、或在現有程序上進行修改等，具有很大的局限性，無法體現綜合設計，也無法體現創新設計。由于前期基礎薄弱，從機械結構的搭建到信號的檢測再到功能的實現這整個設計過程中，學生感覺較困難，涉及的知識點也多，學生一時掌握不了。而且，實現的系統功能有限，僅限于簡單的運動，無法完成某種特定功能。

3 建設目標與內容

根據電子信息類人才培養目標和機器人課程現存的問題，需建設的目標與內容有：

（1）圍繞專業培養目標，以綜合設計能力為導向，加強產教融合，建立以“機器人”為主線的電子信息類專業綜合實踐教學課程體系。

（2）整合和優化電子信息類專業實踐課程的教學模式與內容，將機器人平臺融入到專業課程中，實現以“機器人”為工程對象的理論學習與應用；

（3）將教學從教師的“理論知識傳授”轉變為學生的“綜合設計能力實現”，深化產學研協同育人，全面提升學生的綜合實踐能力，培養高素質的信息類工程技術人才。

（4）建立科學的保障機制與評價體系。

4 具體實施辦法

4.1 以綜合設計能力為導向，構建以“機器人”為主線的新實踐教學體系

根據培養目標，形成以“機器人為實驗平臺”的實踐課程體系，具體如圖1所示。整個課程體系分為按照年級分為四個階段，大一階段主要是進行學習興趣的培養，通過機器人第二課堂學習機器人的結構搭建和圖像化編程形式，同時在這個階段會開設C語言課程，學會在機器人應用中如何進行C語言編程。在大二和大三階段主要是專業課程的學習，在這兩個階段主要將機器人平臺和專業課程結合起來，包括單片機原理與應用、傳感器原理與應用、嵌入式應用設計等課程，在機器人平臺上實現這些專業課程的實驗。在大四階段主要進行產學研的協同創新，通過專題訓練來進行綜合系統設計，提高學生的綜合實踐能力和應用能力。

4.2 機器人平臺下的專業課程實驗教學改革

將機器人引入到專業課程中，形成以“機器人”為工程對象的教學模式，讓學生帶著問題去學習，可促進學生對所學知識和技能更系統地掌握，更有利于學生將各種知識融會貫通。同時，也能很好的激發學生的學習興趣，教學效果可得到顯著提高。

在機器人與專業課程對接的時候，各專業課程的實驗教學大綱、實驗教學內容等都需要重新修訂，都需要加入機器人的內容，利用專業課程的某一個知識點或幾個知識點去解決機器人中的某一個工程問題，使理論知識的學習更對象化、工程化。

4.3 機器人平臺下的綜合實踐課程教學改革

機器人的綜合實踐課程教學體現在兩方面：機器人綜合設計訓練；畢業設計、競賽、開放實驗以及機器人第二課堂等實踐環節。

4.3.1 機器人綜合設計訓練

機器人綜合設計訓練課程開設在第七學期，通過前面六個學期的積累，要求學生完成具備某種功能的機器人系統設計，整個設計過程分為3個階段。

（1）階段1：機械結構組裝

該機械結構的組裝以具體的功能機器人為目標，共設計四種：雙足機器人、掃地機器人、5自由度機械臂、四輪機器人。具體見表1所示。

（2）階段2：信號檢測

機械結構組裝完成之后，機器人要自主地運動或工作，必須依賴于對外界環境的感知和判斷，通過傳感器來完成對距離、溫度、光線、聲音、圖像等信號的采集。具體見表2所示。

（3）階段3：專題訓練

該階段的訓練以專題訓練為主，需完成具有某種功能的機器人系統設計，具體見表3所示。目前，專題訓練的內容包括掃地機器人的設計、智能小車的設計以及5自由度機械臂的設計等，學生可（下轉第42頁）（上接第69頁）以選擇其中一個完成，包括功能分析、機械結構搭建、傳感器檢測、編程以及功能實現與調試，整個完成時間設置為24學時。同時，學生也可以選擇其他項目進行綜合系統設計，但是必須經過指導教師的同意才可進行。

4.3.2 其它綜合實踐環節

除了專門的綜合設計訓練課程外，學生還可通過畢業設計、競賽、開放實驗或機器人第二課堂的方式進行機器人綜合系統設計。設計的內容可自行選定，也可由指導老師擬定，在完成過程中，需提交申請，批準后方可進入機器人實驗室。

4.4 建立科學的保障機制與評價體系

保障機制：（1）實驗室條件。目前，探索者實驗室已基本建設完成，但要圓滿地完成機器人與專業課程的實踐教學緊密結合環節、綜合設計環節，有必要進一步擴展機器人實驗室。（2）實驗室規章制度。整個綜合訓練過程包含了興趣課堂、專業課程實驗、畢業設計、競賽、開放實驗等環節，環節較多，學生需嚴格遵守實驗室規章制度，需進入實驗室學習之前，必須提出申請，獲實驗室負責人員批準后方可進入。

評價體系：由于綜合實踐課程包括兩部分：專業課程實驗和綜合設計訓練，因此在面向不同的環節時應采用不同的評價標準，但是不管是哪個環節，都需要進行多方評價，包括指導教師、督導、企業和社會等。

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