機器人教育在自動化專業創新人才培養中的理論與實踐

李湛 林偉陽 楊學博

摘要：文章在分析機器人教育特點的基礎上，將信息技術與教育教學深度融合，針對自動化專業創新人才培養，提出了基于互聯網信息技術的“課堂教學——實踐教學——課外科技”協同機制，“教學——科研——創新”協同機制，著力發展在線開放課程等機器人教育教學方法。

關鍵詞：機器人教育;教學方法;教學過程;自動化專業

近年來，我國的機器人教育得到了普遍關注，但機器人教育和機器人創新教育還沒有系統化地普及到各個專業中。所以，必須有針對性地在不同專業中開展機器人教育，利用教師課堂教學、課下輔助指導，將機器人作為素質教育的平臺，培養我國機器人技術開發的后備力量。

1 機器人教育的特點

綜合國內外高校中機器人教育的特點，以自動化專業創新人才培養為例，一般具有如下特點：

1.1機器人教育具有多種多樣的形式。

機器人教育既可以采用課堂教學來進行，也可以作為學習平臺供學生使用。例如，在理論課上可以通過專任教師的講解，使學生理解機器人的運動學模型、動力學模型，以及針對機器人模型設計幾種合理的控制方法;在實踐課中，教師指導學生進行機器人項目的設計，并得到實驗性的成果。

1.2機器人教育課程具有多學科交叉性。

機器人課程具有明顯的跨學科、交叉性的特點，在自動化專業開設的機器人課程中，往往需要學生預先修讀過若干前導課程。例如“機器人學導論”這一課程，自動化專業的學生預先掌握運動學建模、動力學建模，以及控制系統設計等相關知識。而由于這門課程還涉及計算機、機械設計等相關專業的知識，往往需要學生選修或自學完成一些其他專業的相關課程。

1.3機器人教育需要配備一定量的實驗課程。

在機器人課程中一般都配有一定量的實驗課程，在實驗中重視“做中學”。例如國內外的機器人競賽中，幾乎都需要學生完成從開發、設計到制作這一流程，使學生形成具有個性化的創造性思維，親自參與到實體機器人的制作當中，在這個過程中既可以鍛煉學生的動手能力，又提高了學生的協調能力。

1.4機器人教育具有科技前沿性。

隨著機器人技術的快速發展，目前各個領域中都已經存在機器人的廣泛應用。例如野外移動機器人森林防火、無人機物流配送、無人艇海洋環境監測等。因此在當前的自動化專業中，機器人課程應當結合機器人技術在前沿科技中的應用，使學生了解最新的機器人技術應用，做到理論聯系實際。

1.5機器人教育可以使學生自主地發揮其創新能力。

在機器人開發、設計、制作這一過程中多數是以團隊為單位，以學生為中心在教師的指導下開展機器人活動。因此，學生具有較大的想象空間，可以自主發揮其創新能力。學生的自主性增強，從而使作品具有更好的創新性。

2 機器人教育的教學方法

為提高人才培養的質量，當前高校的創新教育改革成為一個重要突破口。實施信息技術與教育教學的深度融合這一方法，可以推動創新教育改革，并且帶動機器人、虛擬現實、人工智能等技術的發展及應用。針對自動化專業中的機器人教育，可以結合以下幾種方式開展機器人教學。

第一，基于互聯網信息技術的“課堂教學—實踐教學—課外科技”協同機制。將課堂教學與實踐教學相結合，主導學生通過課堂教學掌握機器人相關的理論知識，并在課程中引入典型的工程案例進行設計討論，使學生對工業中各個應用部件、設備及其作用有一個直觀認識。通過課外機器人競賽等活動在教師的指導下將理論知識、實踐能力和工程應用背景有機結合。

第二，基于互聯網信息技術的“教學—科研—創新”協同機制。學生的理論知識、創新實踐、創新思想來源于教學，并通過網絡共享平臺參與到自動化專業中由專任教師組成的科研團隊中，做到及時溝通，咨詢指導。學生利用實踐平臺自主開發設計實驗，培養學生自主獲取知識的能力。創新主要指大學生機器人大賽等競賽，以團隊組織形式的自主實踐活動。

第三，基于互聯網信息技術著力發展在線開放課程，以教育信息化助推高等教育現代化?；谧詣踊瘜I的特點，重點突出與機器人教育相關的在線基礎課程。借助于信息化的教學平臺，開展課程教學問題發布、專題討論、網絡答疑、學生建議反饋、教學情況調研等教學輔助工作。

第四，綜合上述基于互聯網信息技術的教學方法，針對不同需求的同學進行實踐課程的分層次設置。按照實驗教學要求和內容的難易程度，分別開設“演示性”“驗證性”“設計性綜合性”和“創新研究性”實驗，適應不同學生的學習進度、理解能力，充分挖掘學生綜合運用能力和創新能力。

3 機器人教育的教學過程

機器人教育以其領先的教學理念和特有的教學形式，成為開發和培養自動化專業人才的創造創新、團結協作、自主學習、語言交流等能力的一個重要手段。

第一，機器人課程的驅動式講解，提升學生的自我認知能力。構建機器人教學的驅動式課堂，以富有思考價值的機器人實際工程案例為載體，以機器人技術問題引發的內驅力為助推，以機器人技術問題的探究解決為歸宿，讓學生參與發現問題、提出問題、分析問題、解決問題的過程，實現對機器人教育活動的深度參與和主動構建。

第二，機器人的程序設計與調試，培養學生的數學邏輯能力。對于自動化專業來講，機器人設計的實現最后都離不開對機器人的模型構建以及機器人的運動控制。學生應該至少掌握一種編程語言，將數學語言通過程序設計變成計算機可以識別的語言在開發平臺上應用。在這樣嚴密的程序設計與調試過程中，可以提升學生的邏輯思維能力。

第三，機器人設計不僅包括程序的開發、設計與調試，還包括機器人的外觀設計與結構搭建，在整個機器人教學過程中，需要學生自己動手參與到整個“做中學”機器人課程，不僅開發和培養了學生的創造能力，更鍛煉了學生的動手能力。

第四，機器人活動的團隊形式，提高學生的語言表達能力和人際溝通能力。機器人活動的開展通常以項目為一個單元，并且以一個團隊作為一個活動單位，在這種組織形式下可以增強學生項目管理的能力、小組團隊協作能力，以及組員間的人際交流能力。

第五，機器人創新的模擬和想象，發展了學生的自然認知能力和空間想象能力。學生創新性地提出一種機器人的設計或控制方法，需要掌握最基本的科學研究過程和研究方法。在創新設計過程中使學生逐步理解可以將實際生活中遇到的各種問題運用科學的方法來解決，提升了學生采用科學方法解決實際問題的能力。

4 機器人教育的發展趨勢

第一，機器人教育不只是注重培養學生的動手能力，更重要的是培養出一批具有創新思維和創新能力的人，要求學生具備多學科的理論知識和很強的實踐能力。因此，希望未來可以探索一種結合多學科知識的創新教育方法，通過選修與機器人相關專業面向自動化開設的課程，以創新訓練為平臺，培養一批具有多學科理論基礎的復合型自動化專業人才。

第二，將機器人教育與市場經濟結合起來，實現科技向生產力轉換的目標。例如，機器人產商可以向高校提供最新產品進行教學與研究，而高校師生在實踐中可以對產品進行分析設計從而提出改進意見，研究其應用形式，進一步可以后續提供生產指導，使得機器人產品產生更大的經濟效益，達到高校與機器人相關企業的共贏。

第三，在機器人教育中，堅持學研相結合，強調學生創新思維能力和解決實際問題能力的培養。要求做到課上與課下、理論與實踐，注重課堂教學內容與實際科學研究課題的結合，根據科學研究的進展，及時更新課堂教學內容。例如，鼓勵學生參與到與機器人相關的國家級、省部級等重大項目的部分研究工作中，讓學生參與完成實際科研課題，接觸研究前沿，了解學科發展動態，綜合性、全方位地提高他們的科學研究素養。

5 結束語

機器人是人類的創新成果，是永無止境的研究課題，而機器人教育為科學教育、創新教育提供了更為廣闊的空間。適應互聯網信息化的時代要求，結合多學科的理論知識，在自動化專業機器人課程中采用“課堂教學—實踐教學—課外科技”協同機制、“教學—科研—創新”機制，從而使專業教學及學生、教師通過循序漸進的教學過程更好地適應社會進步帶來的要求，更好地實現為經濟及社會服務的宗旨。

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