機器人學課程教學方法改革

李鴻 李亞斌 王旭峰 胡燦 王龍

摘 要 機器人學課程是學校面向機械電子工程專業本科學生所開設的一門專業基礎課。了解傳統教學現狀，分析研究教學過程中存在的問題，從教學內容、教學方法、考核方式等方面構思機器人學課程建設方案及教學新方法。在機器人學課程教學中引入任務驅動教學方法，增加實踐教學環節，構建教學實驗平臺，激發學生主動學習的興趣，著重培養學生的實踐動手能力和創新思維，努力適應新的教學方法，達到高質量、高要求的教學目的。

關鍵詞 機器人學；教學改革；實踐教學；實驗平臺；任務驅動教學法

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2018）16-0095-03

1 引言

隨著科技的不斷進步，工業自動化和計算機技術的迅猛發展，機器人生產技術越來越成熟，在焊接、裝配等行業獲得廣泛應用，在旅游、社會服務、醫療等領域的應用贏得極好的美譽，為人們的生活提供了極大的便利。同時，人們對機器人學也進行了深入研究。它是一門新的綜合性交叉學科，涉及科目很多，涉及知識面廣，涵蓋運動學和動力學、傳感技術、控制技術、系統結構以及應用工程等內容[1]。該課程的開設對學生的基礎知識有很高的要求，學習該課程有助于培養學生的綜合應用能力和創新思維，也可以拓展強化機器人領域相關專業知識，同時對其他課程的研究具有重要的指導及理論支撐作用。目前，各高校、科研院所在對該課程內容及其教學方法進行深入研究[2]。

2 教學現狀分析

機器人學是為塔里木大學本科機械電子工程專業開設的一門專業基礎課程，目前教學過程以教學大綱為指引，用傳統的教師灌輸式教學為學生講授課程內容，學生課后死記硬背。事實證明，這種教學方法限制了學生的創新潛力，形成思維定式，未能激發出學生的敏銳思維和創新動力，從而影響了學生理解掌握課程的主要知識點，同時對學生的動手操作能力及創新技能培養造成一定的影響[3]。經深入調研分析歸納，教學中發現一些突出問題。

學生對該課程的認知度不高 針對機械電子工程本科生開設的機器人學課程，教學大綱要求學生熟悉機器人技術發展概況及其在生物生產、仿生機械、特種機器人等方面應用的具體案例，掌握基本構成、工作原理、動力學分析、傳感控制系統等基本知識[4]。但在教學過程中發現，學生對該門課程的積極性不高，認為內容多、難度大，不易理解，特別是對運動學中矩陣的變換，運動學、動力學等理論的推導分析，產生消極態度，久而久之，導致失去學習的興趣。

授課形式單一 對于機器人技術的授課形式目前是教師課堂講授為主，以灌輸式教學占據主導地位，教學過程單調死板。如對于機器人手腕講解，教師按課本知識盡管講解很詳細，學生還是不能很好地理解機器人手腕的翻轉、俯仰、偏轉的具體位置和方向，想象不出關節的旋轉角度為360°以上是怎么樣的。這種單一的授課形式不能適應機器人學現代教育教學的需要，遠遠落后于機器人技術的快速發展，結果是課堂上都是教師“一講到底”，學生擺脫不了“上課記筆記，下課對筆記，考試背筆記”的狀況。

重理論，輕實踐 機器人學課程教學為32學時，全部為理論教學，缺少實踐教學環節和典型機器人應用案例。這就容易導致學生只注重理論知識，忽略了實踐能力的培養和鍛煉，只掌握了表層意思，而沒有理解課程的精髓。

3 教學改革思路

通過大量調研分析，對機器人學教學內容及方法進行綜合改革。通過改革，調整結構，引入目前機器人領域最新研究成果，建立雙向交流的教學模式，改革傳統教學方式，增加現場、課堂分組討論教學環節，鞏固基礎理論知識，注重實踐教學，強化實踐鍛煉，提高學生對知識的綜合應用能力，激發學生的學習潛力和創新思維。

激發學生的學習興趣 “興趣是最好的老師。”僅課堂上單一地講授理論知識是不夠的，教師應注重加強與學生的互動，啟發學生思維，引導學生主動思考、學習，培養學生自主思維能力；上好第一堂課至關重要，在第一堂課中，教師應給學生講解先進的、最新的機器人應用案例，結合相關機器人視頻，介紹今后機器人行業及領域的發展前景，讓學生感受現代科技發展的魅力，大力培養學生對機器人課程的學習興趣。

豐富教學手段

1）理論與實際相結合教學法。在講授理論知識的同時，一定要與實際相結合，列舉機器人在實際生活中的具體應用。這種教學方法使學生在理解的同時達到掌握知識的目的，而不是死記硬背；并且有利于開闊學生的眼界，培養學生發散思維能力與創新意識，使其綜合素養不斷提升。具體可以采用以下措施。

①采用實物模型輔助教學。尤其是機械部分，大部分學生立體想象能力較為薄弱，在課堂上用實物模型講解，讓學生實際動手操作，幫助學生更好地理解機器人各機械部分的工作原理。

②采用PPT及視頻教學[5]。將重點、難點內容在PPT中以圖文并茂的形式展現在學生面前，提出問題讓學生討論解答，啟發思考，使學生參與其中；再結合視頻教學加深理解知識點，并對所學知識加以鞏固，使學生理解得更加透徹。

2）任務驅動教學法。任務驅動教學法是一種先進的教學方法，以理論功底扎實為前提，結合學生的學習活動及任務，以探索問題為契機，引導學生的學習興趣，模擬真實的教學環境，讓學生帶著真實的任務去學習，掌握學習的主動權。將任務驅動教學法引入機器人學課程教學，與教學內容更加契合。將整個班級分成幾個小組，每個小組內部根據具體的任務來分工，教師現場宏觀指導，幫助學生明確方向，選擇適合自己的研究課題，具體設計研究過程由小組內部獨立完成。小組內學生通過觀察教師演示并初步分析程序后，進行討論和嘗試，親自動手進行操作，發現問題、解決問題，既能培養獨立思考的能力，也能體現出自己的真正價值[6]。

以機械手的操作為例，在設計與實施任務時，教師應把機械手多個學習模塊分解為抓取、握持、向上運動、向左旋轉、向右旋轉、釋放等一個個可以完成的“任務”。通過開展任務分工教學，學生完成指定的任務，可以用所學到的知識技能解決實際問題。教師要對整個教學過程進行評價，對學生有創意的想法給予肯定，引導學生進行自我評價，找出自己的缺點和不足，鼓勵小組內成員進行互評，積極聽取同伴的意見和建議。通過分析研究，任務驅動教學法適合于機器人課程教學，既能激發學生學習的熱情，也能提高學生的合作學習能力，同時可以培養學生的創新能力和探索精神[7]。

3）強化實踐教學環節。實踐教學環節是對課堂教學的深化與補充，學生現場通過觀看教師演示操作，或者自己實際動手操作，可以加深對所學基本概念、工作原理及具體工作過程的理解，是機器人學教學環節中必不可少的部分。實踐教學的內容包括機器人典型的機械結構、機器人行走機構、坐標形式、物料運送過程、制造業、控制系統等，這些內容都需要通過實驗平臺來實現，因此，改善實驗教學條件，建立機器人基礎實驗室至關重要。

可通過將實踐教學與科研課題相結合、建立校內實習基地等方式，更加充實實驗室設備，更新實踐教學內容，完善實踐教學環節。學生在具體的實踐過程中會發現自己對機械結構設計、控制系統或者程序編寫更加感興趣。教師根據學生的興趣愛好，有針對性地鼓勵學生參加機器人類大學生創新設計、學科競賽等，通過組織學生參與創新實踐活動，調動學生的學習積極性，激發學生的創新思維。具體實施過程中，教師將具體的任務模塊化，使學生發揮自己的特長，運用所學知識解決實際問題[8]。

考核方式多元化 機器人學是一門實踐性很強的課程，上課時間為第七學期初，考核方式為期末閉卷考試。這個時期正好為學生擇業期或考研備考期，他們沒有充沛的精力投入復習，對于一些沒有完全理解的定義、公式推導，強化記憶以應付考試，效果不佳。該課程的考核應考慮實踐環節部分，因此，改革考核方式是必然選擇。

1）平時成績、試卷考試和實踐考核結合。平時成績根據考勤、作業、上課聽講、回答問題幾個方面對學生進行考核。將這三部分分別打出成績，按規定好的比例算出最后百分制的課程考核成績，形成最后的考核成績。

2）考試或者提交機器人作品。可以自主選擇其中的一種考核方式。設計制作機器人作品要求學生有很好的理論基礎，學生需要獨立完成設計、制作的整個過程。這種方式注重培養學生實際動手操作的能力，提升創新思維，同時可以鍛煉學生在突發情況下分析、解決問題的能力。

考核還可以考慮一些其他方面，比如對參加機器人類大學生創新設計、學科競賽等技能比賽的學生，應附加成績以鼓勵學生的創新活動，進而提高學生的創新能力。

4 結語

本文探討分析了機器人學傳統教學過程中存在的弊端，結合實際，提出相應的教學改革設想，在教學過程中采用任務驅動等教學方法，實現學生熟練掌握理論知識、加強實踐鍛煉、提高動手操作技能和綜合學習能力的目標。本課程的教學改革方案已在機械電工程2018屆專業試行，從學生的學習興趣、學習效果來看，達到預期的目標。

參考文獻

[1]李光志，梁法輝.《工業機器人技術基礎》教學改革創新[J].現代商貿工業，2017（32）：173-174.

[2]張劍平，王益.機器人教育：現狀、問題與推進策略[J].中國電化教育，2006（12）：65-68.

[3]王才東，王良文，李一浩.機器人學課程教學改革的探索與實踐[J].中國現代教育裝備，2015（21）：52-54.

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[6]祁云嵩，華偉.任務驅動式教學方法應用研究[J].當代教育論壇，2008（35）：119-121.

[7]王桂娜.基于任務驅動的機器人課程的教學研究與實踐[J].電腦知識與技術，2014（34）：8233，8237.

[8]馮大鵬，李濤，修云，等.“機器人”課程改革探索與實踐[J].湖北理工學院學報，2017，33（5）：67-70.