應用型本科院校機器人課程改革探索

丁力 葉霞 單文桃 巢淵 周川

摘要：機器人是集機械、電子、控制、計算機、傳感器、人工智能等技術于一體的先進智能裝備，展示了一個國家的制造水平與科技水平。本文根據機器人教學的課程特點，結合應用型本科的教學定位，對機器人教學的現狀進行了剖析，指出了當前存在的主要問題。進而，提出了相應的機器人教學課程改革方案以及研制了配套的教學器材，為探索針對應用型本科院校的機器人人才培養模式提供了一定的參考。

關鍵詞：機器人；應用型本科院校；課程改革；教學器材

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）45-0153-02

一、引言

作為一種新興事物，機器人教學在國內發展非常迅速，已經得到了很多高校的認可。在本科院校中，機器人教學的本質是將機器人技術應用到本科教學中，它融合了人工智能、計算機編程、機械科學、材料科學和控制理論等多個學科，能夠培養學生的創造能力、分析能力及實踐能力[1-3]。最具有代表性的教育機器人研究結構有洛桑聯邦理工大學、意大利技術研究所、麻省理工學院和喬治亞理工大學等，它們均將能開發一套完善的機器人教學體系作為加速新一代機器人教學發展的關鍵問題。

隨著機器人在工業生產中的大量應用，對于具有機器人設備的企業來講，急缺能夠機器人設計與開發、系統集成應用以及機器人維修維護的技能型人才。然而，現階段我國大部分高校都缺少較為完善的機器人教學體系，甚至有些學校的教學方式很陳舊，根本不適應市場需求。作為一所應用型本科院校，筆者認為江蘇理工學院要想培養合格的機器人人才，必須探索新的機器人教學模式，同時密切關注市場需求，為企業輸出真正有用的機器人工程師。

二、機器人課程教學現狀

為了響應“中國制造2025”和“工業4.0”的發展計劃，很多應用型本科院校開設了機器人教學的相關課程[4，5]。但就調研結果來看，應用型本科院校的機器人教學存著以下幾個問題。

1.課程教材不完善。應用型本科院校中的與機器人教學相關的課程教材比較陳舊，例如贠超版的《機器人學導論》[6]、熊友倫版的《機器人技術基礎》[7]等，缺少與時俱進的內容更新。另外，據調研結果顯示，90%左右的高校使用的課程教材不同，課程體系也各有千秋。甚至，有的高校制定的課程體系存在較大的問題，如機器人教學僅停留在理論層面、機器人教學內容深度不夠等。

2.師資力量不足。在機器人技術迅速發展的過程中，應用型本科院校卻極度缺乏機器人專業的師資。據調研結果顯示，幾乎每所院校都面臨著招不到機器人專業教師的狀況。師資力量也青黃不接，新來的教師不足以勝任機器人教學工作，而經驗豐富的核心教師稀缺。有些學校也急功近利，想在短時間內培養出合格的機器人教師，但專業教師卻因煩瑣的工作倍感壓力，導致教學效果不盡人意。

3.教學器材缺乏。機器人教學器材是發展機器人教學必不可缺的一環。然而，機器人設備采購成本高，這導致不少高校的采購體量小或者采購的器材質量不高。另一方面，專注生產機器人設備的廠家也缺少機器人配套使用的課程，而高校也缺少適當的議價手段，最終使得雙方都得不到滿意的結果。

4.實踐平臺有限。學生缺少機器人時間的平臺。導致這個現狀的原因可歸結為以下兩點：（1）學校缺少資金大規模購買機器人工作站或實訓站，或者缺少能夠容納多套機器人設備的大平層教室。（2）社會的機器人比賽都比較低級，缺少與機器人實際操作技能相關的競賽，不少機器人大賽只是個噱頭，更多地是主辦方想引誘高校購買其昂貴的比賽器材。

三、機器人課程改革方案

針對目前應用型本科院校機器人教學中存在的問題，根據江蘇理工學院機械工程學院的辦學方針，綜合機器人課程本身特點與實際教學情況，提出改革方案，并在課程教學中進行一系列嘗試。

1.重新規劃教學內容。機器人學是一門綜合性的課程，每個章節的知識點互相獨立，教師在教學過程中很難理清教學主線，往往會顧此失彼。因此，筆者認為可以將機器人學這門課安排在本科三年級，首先從學生比較熟悉的機械結構著手，詳細講解機器人的本體、傳感器、控制器、末端執行器，讓學生對機器人有感性認識。其次，從機械原理、機械設計的角度講授機器人的運動學，按照由淺入深、逐步遞進的原則，即從位姿描述到DH參數，再到正方向運動學；最后，講授機器人的軌跡規劃應用以及編程，讓學生對機器人的認識上升到實際操作的層面上。

2.理實一體化教學模式。針對應用型本科院校的機器人教學，筆者認為可采用理實一體化的教學模式，對原有的教學結構進行創新，改變原有的教學理念，引入實訓室培訓的模式。在不同的理論與實訓之間，使機器人教學團隊化、動態化、扁平化，增強學生學習機器人技術的興趣。

3.加強師資力量。機器人教學設計多個專業領域，對任課教師的專業素養有一定的要求，筆者認為江蘇理工學院機械工程學院可以大力引進與機器人專業相關的博士或者派遣教師去高校或企業深造，進一步加強師資隊伍的建設。另外，學校也要注重機器人知識內容的及時更新，讓學生學有所用、學以致用。

四、機器人教學器材探索

考慮到現有大型機器人設備價格都比較高，而江蘇理工學院的設備資金又有限，筆者將開發一款廉價的、可以大規模使用的桌面式機器人。該款機器人臂長約為600mm，質量為5kg，擁有6個關節，可以開展以下幾個實驗。

1.機器人結構認知實驗。機器人連桿、舵機、控制板及傳感器均為可拆卸模塊，學生可以根據二維或三維圖紙自行組裝，從而認識、熟悉機器人各個零部件的功能。另外，學生也可通過更換末端執行器（如夾手、吸盤、噴槍等）進一步了解不同作業類型下的機器人。

2.機器人抓取物體實驗。通過在PC上輸入物體的笛卡爾坐標系，機器人的末端執行器可以準確地完成對目標物體的抓取操作。同時，在末端執行器處還可有添加光敏傳感器與聲控傳感器，實現對不同顏色物體的分揀操作及其聲控搬運。

3.機器人編程與實操。可以利用Coke教授[7]開發的Robotics Toolbox機器人工具箱，借助MATLAB軟件平臺，教授學生機器人的基本理論編程。進而，在筆者自主研制的Arduino可編程控制板上，學生可根據掌握的基本理論編程知識二次開發Arduino代碼，并將代碼燒錄到桌面式機器人中去，完成機器人的實際操作。

五、結語

本文結合江蘇理工學院機械工程學院的實際情況，探索了應用型本科院校機器人教學存在的問題與相應的改革方案。在今后的機器人教學中，教研室將嘗試本文提出的改革方案，探索此方案在本科教學中的可行性與有效性。

參考文獻：

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

[2]程仙國，孫慧平，李占濤.《工業機器人技術》課程教學改革與實踐[J].寧波工程學院學報，2015，27（4）：104-108.

[3]戰強，閆彩霞，蔡堯.機器人教學改革的探索與實踐[J].現代教育技術，2010，20（3）：144-146.

[4]孫伏，侯紅玲.機器人技術課程教學改革與探索[J].裝備制造技術，2017，（2）：207-208.

[5]于楚泓.《工業機器人技術》課程教學改革探索[J].科技風，2017，（8）：54.

[6]John J.Craig，贠超.機器人學導論[M].機械工業出版社，2006.

[7]熊有倫.機器人技術基礎（機電一體化系列）[M].武漢：華中科技大學出版社，2011.