機器人教學改革的發展研究

王春光 楊天時

（1.天津中德應用技術大學 天津 300000；2.吉林交通職業技術學院 吉林長春 130000）

人類的科學技術在20世紀到21世紀實現了跨越式發展。20世紀科學技術發展的重大成果之一為機器人的產生與機器人學科的構建。1962年，美國一家名為萬能自動化（Unimation）的公司誕生了世界上第一臺機器人。在50多年的時間中，機器人的發展經歷了從無到有的過程，甚至已走進千家萬戶，在各國各領域及普通人民的家庭、工作與學習等多方面為人類服務。為了更好地迎接科技時代的到來，在世界各國機器人技術迅速發展的同時，我國諸多高校開始構建機器人教學的課程體系。機器人學屬于多學科深度交叉的前沿學科，與其交叉的學科包括生物學、機械學、計算機科學與工程、人類學、人工智能、社會學、電子工程學等。為了對現有的教學理念進行更新，本文分析了機器人課程現有的教學現狀，指出了現有教學過程中長久存在的一些問題，并給出具有可行性的相應改進措施，從而使學生在具備基礎理論知識的基礎上，具備較強的實際問題處理能力。

一、教學現狀分析

機器人屬于自動化的、可通過事先編排的程序自主完成任務的一種機器裝置。機器人學科的先修課程包括機械設計、機械原理、理論力學、線性代數以及控制工程等，該課程要求學生具備一定的數學基礎以及基本的知識儲備。因此，學生在進行學科學習時往往會產生該學科涉及知識面較廣、理論性較強的感受，進而在學習初期產生較大的挫敗感，嚴重影響其后續的學習積極性。在機器人教學過程中，目前普遍存在的不合理之處主要有以下幾點：

1.傳統機器人學的課程設置繁雜且內容陳舊。傳統的機器人教學中，教學的主要內容包括機器人學的數學基礎、運動學、機械結構、動力學、雅克比矩陣、傳感和控制、運動規劃等基礎知識。傳統的基礎內容對大多數學生來講過于陳腐，教師往往未加入對學科前沿進展與最新成果的介紹。與此同時，在課程設置方面，機器人學各章節的內容相對獨立，在有限學時內對上述教學內容的學習難度較大，大部分學生表示課程內容較為晦澀難懂。[1]

2.教學環節固定，偏重理論傳授。機器人課程的原有教學方式主要為“填鴨式”教學，屬于“教師-學生”單向教學模式，學生在課堂中無參與感，屬于被動接受陌生知識的一方。在教學內容以理論性較強的知識為主的情況下，這對基礎一般的學生而言學習難度較大，從而影響了整體教學質量。[2]

3.實踐教學較少，且與課堂理論教學相關性較小。由于工業機器人的造價比較高，實驗設備數量較為有限，課程在實踐教學環節所受阻礙較大，課程設置中實踐環節占比較小，且絕大多數為驗證性實驗，難以真正提高學生在機器人學上的實踐能力以及創新能力。

綜上所述，機器人學的傳統課程設置、教學方式、教學內容及實踐環節存在諸多問題，難以滿足現階段培養創新人才的需要。機器人學教學改革要集中在教學環節與實踐占比方面，應引入新的教學模式，加入新的教學內容，為學生提供更合適的實驗平臺和方法。

二、教學改革探索與實踐

1.改革傳統理論教學，強調因材施教。傳統的機器人學教學偏重于基礎理論知識的講解，對學生來說學習難度較大。在教學改革中，教師應針對學校的實際情況，兼顧知識深度以及廣度，在理論教學方面進行適當取舍，在教學內容方面進行適當改良。具體而言，教師可將機械結構、工業機器人認知、運動學分析、數學基礎、傳感器和控制、示教編程等知識結合在傳統教學內容中，對理論性較強的、公式推導占比較大的軌跡規劃、動力學等內容進行適當刪減，保留簡單基礎的內容。教學內容在改良后可分為理論基礎教學、案例教學、實踐教學三個部分。

2.改革傳統教學方式，強調課堂互動。在課程內容的講解上，教師可增加視頻、案例、動畫仿真軟件等新型教學方式，積極與學生互動，讓每位學生參與進課堂討論環節，提高學生的參與感，調動學生的學習積極性。

3.改革傳統教學環節，強調現場教學。機器人學課程中的抽象內容占比較大，因而學生的理解難度較大。在教學環節中，教師應增加實驗教學課的比例，在實踐中講解理論，可以降低學生的理解難度，提高學習效率。[3]理論教學環節可主要集中在對機器人學的前沿發展、特點、應用等方面進行較為完善且容易入門的介紹，理論性較強的部分可適當刪減或加以網絡課程輔助，為感興趣的學生提供相應學習渠道，實踐教學環節要盡量以現場教學代替傳統的課堂講授，給予學生充分的動手機會，在案例教學部分則選取遷移性較強的經典案例，使學生更易理解。

4.搭建新型教學實驗平臺，豐富實踐教學內容。課堂教學主要為理論知識方面的教學，而實踐教學對學生的實際動手操作能力、自學能力、基本實踐技能以及創新思維能力會有較大的提升，實踐教學在機器人學的教學環節中屬于重要的組成部分。學校應根據自身情況，結合現有實驗條件，盡可能搭建新型的實用性較強的機器人學實驗教學平臺，從而落實機器人學的實踐教學環節。[4]

5.改革傳統考核方式，強調學生的學習過程。課程考核方式的改進可以結合期末考核與日常作業與實踐，期末考核的重點可以集中在機器人學的基礎理論知識方面，在總成績中的占比不應過高。考核方式與考核部分的改革可以增加學生的學習積極性，從而提高整體教學的質量。

6.鼓勵學生參與機器人相關的創新實踐活動。在課程改革中，教師要注重對學生創新素養的培養，針對參與競賽學生不同的興趣點，鼓勵他們參與機器人相關的競賽，使其能夠將課堂知識化為己用，發揮各自擅長的部分，通過創新實踐加深對課堂內容的理解。[5]

三、結論

綜上所述，本文將機器人學課程原有的教學模式與學校的實際情況相結合，對機器人學的現有課程進行分析，對課程教學環節進行了優化與調整，并在課堂中引入新型技術，極大地優化了原有的“教師-學生”單向教學模式，構建了機器人學新型實驗平臺，引導學生參與課堂、參與實踐，極大地提升了學生的實踐應用能力以及創新能力，為培養機器人學的創新型人才創造了良好的教學條件。