機器人學導論跨專業選修課程教學改革與實踐

張穎 喬貴方 黃家才

摘? 要 針對應用型本科院校對機器人學導論課程的教學需求，對本課程作為跨專業選修課的教學方法和考核方式進行改革探索。經過一系列具體的改革，在教學實踐過程中取得較好效果，培養了學生思考問題、解決問題的能力，提升了外專業學生對機器人行業的專業知識儲備，為有志于從事機器人行業的跨專業學生奠定良好的基礎。

關鍵詞 跨專業選修課;機器人學導論;教學改革;機器人技術

中圖分類號：G642.0? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2018）20-0072-03

Teaching Reform and Practice of Introduction to Robotics as a

Cross-professional Elective Course//ZHANG Ying， QIAO Gui-fang， HUANG Jiacai

Abstract The teaching method and evaluation mode of Introduction to Robotics as a cross-professional elective course has been refor-med and explored， according to the teaching requirements of the course in application-oriented institutes and universities. A series of specific reform measures has been applied in the process of teaching practice， and a better effect is obtained. After studying this course， the abilities of students to think and solve problems are cultivated better. The professional knowledge reserve of robot industry is im-proved， which lays a good foundation for the cross-disciplinary stu-dents to engage in robot industry.

Key words cross-professional elective courses; introduction to robo-

tics; teaching reform; robotics technology

1 引言

在《中國制造2025》[1]中提出的戰略任務和重點中，大力推動重點領域突破發展，其中一個方向是推動機器人技術發展。從機電汽車到軍工特種行業，從醫療康復到服務娛樂行業，機器人已經全面進入人們的日常生活，在不同領域滿足著應用需求。因此，國家大力支持機器人技術的發展，鼓勵研發新產品，以促進機器人標準化、模塊化發展，突破機器人關鍵零部件及系統集成設計制造等技術瓶頸。

機器人是多學科交叉融合的產物，傳統上將機器人作為研究生的研究方向。我國自2016年于東南大學設立機器人工程專業以來，于2017年在25所院校設置該專業，2018年又擴展到另外的60所院校[2]。可以看出，目前機器人專業正在本科教育中擴展開來，包括東南大學、東北大學、北京航空航天大學等“雙一流”院校。南京工程學院自2013年開始建設自動化（機器人）專業方向，是國內首個為本科生設立此方向的院校，專業建設近五年時間，已經培養了第一批畢業生，人才培養體系已經完善。

依據學校人才培養方案及專業人才培養目標定位和綜合素質培養要求，以打通專業、拓寬基礎、提升人才培養質量為原則，結合學生需求、實施情況反饋等信息，南京工程學院要求2015級及以后各專業須完成四個學分的跨專業選修課程才能通過畢業審核。在此背景下，自動化學院面向全校開設機器人學導論這一跨專業選修課，總共32學時。

2 課程特點及教學目標

機器人工程專業以工程實際為背景，以機器人機械結構、運動控制、可編程控制、微處理器應用、機器人控制技術與系統集成及編程應用、能力培養為主線，培養在工業自動化、工業機器人技術及相關控制系統領域從事系統設計與開發、技術集成及系統安裝、運行、維護和技術管理等方面工作的高級工程技術人才。

機器人學導論是一門介紹機器人學的專業課程，是自動化、機器人工程等專業的專業基礎課。本課程開設的目的和任務是使本專業學生從總體上了解工業機器人技術的發展概況及相關技術，包括工業機器人基本概念、機器人技術的基本原理及機器人控制的基本思路、方法與特點，并了解在制造業自動化系統與工程中工業機器人的應用實例，使學生對工業機器人從基本概念到應用有一個大致的了解，同時提升學生的學習興趣，為后續專業課程的學習起到引導作用。

機器人學導論課程包含機械學與運動學的內容，還包含控制器、傳感器、驅動器等多方面的內容。本課程的先修課程包括電路、大學物理、機械基礎等基礎課程。作為跨專業選修課，機器人學導論著重介紹有關技術工程發展史及其特點、學科前沿、科技新成果以及工程項目應用等方面的知識，弱化了對具體專業技能的掌握和應用。

3 課程改革措施

本課程面向三年級學生開設，共有38個專業的138名學生選修，除了應用型工科院校常見的主流工科類專業，還包括文、哲、管理、經濟、藝術等學科門類的專業。學生的專業背景差異很大，對機器人的認識和理解參差不齊，很多學生不具備相關的專業知識儲備，有的學生的專業與機器人工程專業相差甚遠，這些因素會直接影響學生對本課程的學習效果。在教學實踐中主要對教學方法和考核方式進行改革。

教學方法改革? 作為跨專業選修課，其教學模式具有一定的特殊性[3]，為了能盡可能考慮到不同專業學生的基礎與應用需求，在保障課堂教學質量和教學效果的基礎上，本課程從以下幾個方面展開教學改革探索。

1）專業知識體系介紹。首先為本課程架構知識體系，在教學過程中按照先整體后部分的方式圍繞知識體系展開，在緒論部分通過介紹整個機器人的組成和工作流程，囊括后續即將學習的知識，然后具體到各章節進行詳細講解。一個完整的機器人主要包括機構本體、控制系統、驅動系統和傳感系統。在機構本體里涉及機器人的機構設計、運動學和動力學分析，以及執行機構的軌跡規劃;控制系統包括運動控制和驅動器的控制;驅動系統包括各種驅動方式的特點和使用方法;機器人傳感器的種類包括位置、速

度、力/力矩、避障/測距、視覺等傳感器。通過知識體系的構建，讓學生了解各部分內容之間的聯系。

本課程專業性強，存在大量的專業術語和復雜的公式推導，在課堂教學過程中以重點內容為核心，采取引導的方式，結合大量圖片、動畫以及視頻資料加深學生對課堂內容的理解與掌握，同時盡可能增加師生互動，設置提問、隨堂測驗等環節。

2）專題講座。本跨專業選修課的目的是培養學生工程、設計意識，拓展學生專業視野，體現不同學科交叉滲透，提升跨專業和個性發展能力。與專業必修課程不同，沒有設置實踐環節，取而代之的是機器人專題講座。挑選典型機器人，如多機器人系統、四足類機器人、康復機器人等專題，針對該類機器人具體的特點進行系統介紹。介紹過程盡可能挑選國際上最先進的機器人結合相關視頻展開，通過專題講座讓學生更深入地將所學知識與具體機器人聯系起來。如在四足類機器人的介紹中，波士頓動力公司的大狗機器人及獵豹機器人激發了很多學生的學習熱情，這些學生在經過自學和深入調研之后，對四足機器人有了更為系統、專業的理解。

3）小組研討。根據專業將學生分組，布置學生針對機器人相關的方向進行自主調研，做成PPT匯報討論。鑒于跨專業選修課班級人數偏多，本部分作為加分項，抽取兩個課時供學生研討，每組匯報時間為10分鐘，總共九組名額，學生的表現將作為期末成績的一部分。這項作業涉及主題確定、收集整理資料、制作PPT、演講等多方面工作，考查組員之間的團隊協作能力。報名參加小組研討的學生表現都非常好，對所選機器人及相關技術調研充分、總結恰當，能用專業不失美觀的方式呈現出來，并用簡潔易懂的語言將調研成果介紹給別的學生。

考核方式? 本課程考核分兩部分：期末課程論文和平時成績。其中期末課程論文占總成績的70%，平時成績占30%。平時成績包括出勤、課堂表現、作業和課堂研討表現等多方面。課程論文的要求為：結合自己所學專業或根據自己的興趣選擇一種機器人或者機器人技術，以該機器人（技術）為核心展開調研分析。根據此要求，學生可從三個方面完成：

1）對所選機器人或者技術做綜述研究，概述所要研究或設計的機器人系統的背景和研究意義、國內外現狀及發展趨勢，并提出自己的見解;

2）以典型機器人系統為實例，結合所學知識分析機器人系統的功能、組成、特點及各部分的工作原理;

3）自行設計一個機器人系統，包括擬實現的功能、原理框圖、系統的各部分組成分析與說明等。

考核結果分析? 盡管大部分學生反映本課程的難度遠遠超出預期，但最終的考核結果整體較好。考核結果分三類。

1）文科、管理類等基礎薄弱的學生傾向于選擇第一類題目，對當前熱門機器人（如掃地、導游、醫療等機器人）開展調研分析后進行文獻綜述，提出自己的見解。此過程訓練了學生文獻調研及歸納整理的能力，為未來工作或者繼續深造奠定良好基礎。

2）工業中心、機械類、計算機等具有工科專業背景的學生傾向于選擇后兩類題目。部分對機器人興趣濃厚且動手能力強的學生，有在研或已完成大學生實踐創新訓練計劃項目，在項目中選擇機器人為研究和控制對象。這部分學生課堂表現非常好，和機器人工程專業的學生對課程的接收程度相差無幾。經過學習本課程，這些學生掌握了機器人專業的設計與控制方法，能將自己的研究成果以更加科學的方式呈現出來。

3）還有個別基礎較好、有創新能力的學生，自身已具備良好的算法設計與軟件編程能力，經過機器人知識的系統學習，受啟發于課堂上所學知識，設計了機構新穎的機器人整體方案，并撰寫了大學生挑戰杯項目申請書。

4 結語

隨著工業技術、計算機技術及人們對生活品質追求的提高，機器人將會是未來生活中不可或缺的一部分。因此，在開設有機器人工程專業的應用型大學里，讓更多學生具備機器人的專業知識并致力于研究機器人是非常必要的。通過對機器人學導論課程教學方法和考核方式的不斷改進和探索，在教學過程中取得一定的效果，為培養致力于交叉型學科研究的學生奠定良好的基礎。

一門課程的展開離不開師生共同的努力，就機器人學導論這門課而言，為了保證課程的順利有序進行，對師生提出一些建議。

1）任課教師要付出足夠的時間和熱情。機器人系統涉及的知識非常前沿，機構和控制方法發展迅速，因此，教師要不斷更新知識儲備，密切關注國內外機器人的發展動態，盡可能學習和掌握最先進的機器人技術，并以簡潔明了的方式傳授給學生。

2）要求選修本門課程的學生已經學習過相關的基礎知識，對機器人有足夠濃厚的興趣，并保持積極的學習態度。很多機器人相關的技術需要參閱國外的資料和文獻，要求學生具有一定的專業英語閱讀理解能力。■

參考文獻

[1]國務院關于印發《中國制造2025》的通知（國發〔2015〕

28號）[DB/OL].http：//www.gov.cn/zhengce/content/2015-

05/19/content_9784.htm.

[2]教育部關于公布2017年度普通高等學校本科專業備案和審批結果的通知[DB/OL].http：//www.moe.edu.cn/srcsite/

A08/moe_1034/s4930/201803/t20180321_330874.html.

[3]林家立.高校跨專業選修課程教學模式改革的實踐與探索[J].美與時代，2014（8）：62-63.