“新工科”背景下機器人學課程教學改革與探索

王晶　薛光輝

摘? ?要：“機器人學”是機器人工程專業(yè)的核心課程。它的教學質量和效果直接關系著學生專業(yè)基礎的掌握和技術創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。本文結合我校“新工科”專業(yè)建設背景，分析傳統(tǒng)課程教學中存在的突出問題，提出實踐性較強的課程改革方案，從而為新工科背景下的人才培養(yǎng)探索途徑，進一步的提高教學質量。

關鍵詞：機器人學? 機器人工程? 教學改革

中圖分類號：G642.0? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2020）03（b）-0180-02

機器人工程是“新工科”背景下建立的以培養(yǎng)機器人產業(yè)、智能制造等領域創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)型人才為目標的多學科綜合專業(yè)[1]。我校于2019年開設機器人工程專業(yè)，匯集了機械工程、測控技術與儀器、計算機科學技術等多個優(yōu)勢學科，旨在建立多層次、多學科融合的機器人工程人才培養(yǎng)模式。機器人學課程作為機器人工程專業(yè)的專業(yè)核心課程，計劃在大三上半學年開設，是一門綜合運動學、動力學、傳感器技術、控制理論等多項基礎理論的綜合課程，是學生的未來進行科學研究與工程實踐的基礎課程。在“新工科”的背景下，需要克服以往課程體系存在的形式單一、結構老化等諸多問題[2]。

本文結合現(xiàn)有機器人相關理論課程（“機器人學導論”，“機器人技術基礎”）的課堂授課經(jīng)驗，綜合理論型教學與實驗型教學課程的特點，分析教學中存在的問題以及學生特點，提出新的培養(yǎng)模式下“機器人學”課程的教學改革方案，探索增強實踐思想的課程環(huán)節(jié)，使學生在充分理解理論基礎的同時能夠靈活運用所學知識解決實際問題。

1? 課程特點分析

1.1 “機器人學導論”課程分析

“機器人學導論”課程是面向大四學年測控技術與儀器、機械工程專業(yè)本科生開設的導論形式的專業(yè)選修課程，開設學時為32學時的理論授課。涉及內容包括緒論（4學時）、傳感器（4學時）、驅動器（2學時）、位姿變換（4學時）、運動學（2學時）、靜力學（2學時）、動力學（4學時）、控制技術（4學時）、軌跡規(guī)劃（4學時）、機器人計算機（2學時）等相關基礎知識，在學時分布上可以看出，對于相應的運動學、動力學等內容并未作較深入的講解。同時，在授課的過程中發(fā)現(xiàn)，大四學年的學生對于上述內容的理解存在一定的困難，分析原因為：相關內容的基礎課程一般在大一及大二年級就已結束，學生對于新知識的接受和理解需要較長時間的鞏固和預習周期，而對于大四學年的學生往往在時間上無法分配過多精力。因此，對于理論性以及基礎延申性較強的授課內容不建議在大四專業(yè)開設。

1.2 “機器人技術基礎”課程分析

結合前期授課過程中存在的問題，我們在16級的培養(yǎng)大綱中對于大四學年的機器人技術相關課程作出了調整，將“機器人技術基礎”課作為專業(yè)必修課程，開設學時為32學時，其中理論環(huán)節(jié)16學時、實驗環(huán)節(jié)16學時。授課內容結合移動機器人設計大賽，重點講述傳感器技術、移動機器人定位技術、控制技術以及機械設計等內容。在實踐環(huán)節(jié)，使用移動平臺機器人，培養(yǎng)學生從移動機器人機械結構設計、電氣設備選型、控制方案以及程序軟件編寫全流程化的實踐能力，提高了學生的學習興趣，同時，加深了軟硬件知識的理解。但課程的設置弱化了機器人設計中的位姿理論、運動學、動力學等基礎知識，不適用于機器人工程專業(yè)的教學。

1.3 “機器人學”課程分析

“機器人學”課程是我校針對19級機器人工程專業(yè)教學大綱開設的專業(yè)必修課，與以往非機器人工程專業(yè)的教學不同，既要加深理論基礎的講解，又需要保證學生對于新知識的理解和接受的程度。對于本專業(yè)“機器人學”課程的教學內容，涵蓋了機械原理、控制理論、電工電子技術、通信工程、計算機等多門學科[3-4]，理論環(huán)節(jié)需要從以往導論課中側重機械學基礎理論的授課內容中有所轉變，增加電工電子、控制理論以及計算機技術等內容的授課環(huán)節(jié)，以保證內容的全面性。因此，綜合以往課程教學經(jīng)驗，開設在大三上半學年較為合適，在理論教學的同時需要增設實驗課程，以鞏固學生對于理論學習的理解。

2? “機器人學”課程建設與改革思路

根據(jù)前面對于課程特點的分析總結，在“新工科”背景下機器人工程專業(yè)開設“機器人學”課程，要涵蓋全面的理論知識，同時在有限的課時下設置實操性較強的實驗環(huán)節(jié)。因此，課程總學時設置為48學時，包括44學時理論授課以及4學時實驗環(huán)節(jié)，具體課程改革思路如下。

（1）按照機器人子系統(tǒng)結構，搭建課程總體框架。機器人的三大子系統(tǒng)包括運動子系統(tǒng)、控制子系統(tǒng)和辨識子系統(tǒng)。子系統(tǒng)的構成涵蓋機器人設計中的各關鍵技術環(huán)節(jié)。因此，將課程內容劃歸至各子系統(tǒng)中，可使學生靈活掌握所學知識。課程總體框架如圖1所示。

（2）劃分知識體系結構，增強基礎知識的聯(lián)想與貫穿。鑒于“機器人學”課程的理論綜合性，在授課過程中增加知識聯(lián)想環(huán)節(jié)，啟發(fā)式的引導學生利用所學知識理解新的內容。如，在運動控制章節(jié)的教學上，可以以問答形式啟發(fā)學生回顧控制原理的基礎知識，更快地理解機器人系統(tǒng)控制的要素以及控制環(huán)節(jié)的設計。

（3）結合機器人大賽，增加案例式教學環(huán)節(jié)。在教學過程中，引進機器人大賽中對機器人功能設計的要求，以實例教學的形式幫助學生理解課程內容的意義及其在實踐中的應用。如，在講述動力學方程時，可對移動機器人大賽中的移動小車進行案例建模，加深學生對所學知識的運用。

（4）理論與實驗環(huán)節(jié)交叉，鞏固問題理解。學校建立了機器人工程實驗室，配有移動平臺機器人、六足機器人以及智能機器人手臂等。學生在理論學習的同時配合以下四個實驗內容：①小車平臺的動力學模型;②機械臂平臺運動學模型;③機械臂軌跡規(guī)劃;④小車的運動控制，進一步地增強學生對學習內容的理解。

3? 結語

本文結合“新工科”背景下機器人工程專業(yè)的培養(yǎng)目標，分析和總結以往機器人相關課程的教學經(jīng)驗，提出了理論體系建立與實踐教學相結合的“機器人學”課程建設與改革方案，在創(chuàng)新型實驗的配合下，完善了48學時的課程體系建立，為學生未來從事專業(yè)研究以及創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)提供扎實的基礎保障。

參考文獻

[1] 蔡軍，郭鵬.“新工科”背景下以創(chuàng)新人才為培養(yǎng)導向的實驗教學改革及實踐[J].高教學刊，2019（11）：52-55.

[2] 萬琴，吳迪，林國漢.“新工科”背景下的機器人工程專業(yè)教學研究[J].科技創(chuàng)新導報，2018（30）：132-135.

[3] 劉相權，李啟光.機器人學課程教學改革的探索與實踐[J]. 教育教學論壇，2018，3（10）：126-128.

[4] 戰(zhàn)強，曹秀潔.PBL教學方法在機器人教學中的應用研究[J].中國教育信息化，2019（19）：73-76.