基于現代信息技術的機器人技術基礎課堂教學模式研究與實踐

王海燕 王守鋒

（山東交通學院 山東·濟南 250357）

0 引言

《機器人技術基礎》是面向機械設計制造及其自動化本科專業工程機械智能控制方向開設的專業選修課。課程的教學目的：通過本課程的學習，使同學們了解機器人及其應用，掌握機器人系統組成、機構設計、運動分析和控制的基本理論，了解機器人使用的技術要點，為從事機器人工程領域的工作奠定基礎；課程的教學內容：機器人的定義、分類、主要技術參數及應用，機器人的機械結構，傳感器在機器人上的應用，機器人的驅動系統、機器人的控制系統等。

機器人技術是一個高度交叉的前沿學科，是集力學、機械學、生物學、計算機科學與工程、控制理論與控制工程、人工智能等多學科知識大成，需要同學們具有扎實的數學、機構學基礎，具有豐富的空間想象能力和實踐動手能力。借助傳統的PPT課件+板書的教學方式，同學們只能以旁觀者的身份看、想，接受效率低，教學效果差；面對面問答的互動方式，需要同學們有更大的勇氣來面對同學、老師的評判，互動參與率低，效果較差。本文利用現代信息技術營造“真實的學習”環境,使同學們通過自身與環境的相互作用來得到知識、技能，增強同學們對于知識的感性理解；借助雨課堂等提供更多的互動模式，提高同學們參與度。

1 目前機器人技術基礎課程教學中存在的問題

目前傳統教學模式下，機器人技術基礎課程教學過程中存在的問題主要有以下兩個方面：

1.1 課堂互動效果差

目前課堂教學過程中學生和老師之間的交互主要通過課堂提問的方式實現。雖然在教學過程中，部分教師會設置搶答、分組討論等環節，但是有些同學因為愛面子怕出錯不敢答，有些同學本著隨大流的心理不想出頭、不想答，有些同學基礎較差不會答、不敢答……。諸多因素的共同作用導致能夠主動在全班同學面前表達自己觀點的同學少之又少，同學們的參與度相對較低，互動效果較差。

1.2 教學效果不佳

目前課堂教學的主要方式為教師借助 PPT+板書灌輸式的講，學生被動的聽。對于較為復雜的機構運動分析、運動干涉檢測等理解較為困難的任務，鑒于模型加工制作成本高、耗時長，借助模型、實物講解的方案很難實現，只能通過老師的語言講解、圖片、視頻輔助及同學們的空間想象來完成。由于視頻資源相對較少、圖片展示的單調、片面性，同學們掌握程度較差。

2 現代信息技術在機器人技術基礎教學中的實現過程

現代信息技術是借助以微電子學為基礎的計算機技術和電信技術的結合而形成的手段，對聲音的、圖像的、文字的、數字的和各種傳感信號的信息進行獲取、加工、處理、儲存、傳播和使用的能動技術。現代信息技術為解決機器人技術基礎課程教學過程中存在的問題提供了有效的解決方案和技術支持。主要體現在以下兩個方面：

2.1 借助雨課堂改善課堂互動效果

雨課堂是學堂在線和清華大學在線教育辦公室共同研發的一款小插件，其將信息技術手段融入PPT和微信，開創了師生之間新的互動模式。在課堂的任意環節教師可以通過隨機點名查出勤，通過隨機點名請同學回答問題，實時監測同學們的聽課效果，提高教學質量。同學們可以通過彈幕、投稿回答教師的提問，通過彈幕、投稿表達自己的觀點，減少部分同學因為靦腆、膽小等心理因素而不參與課堂互動的尷尬。匿名發信息可以鼓勵同學們暢所欲言，表達自己真實的課堂感受，提高課堂參與率，改善課堂互動效果。

2.2 借助現代信息技術構建虛擬仿真模型，增加同學們的感性認識

教師利用Solidworks、CATIA、Unigraphics NX等三維繪圖軟件，構建機械臂三維模型，導入MSC Adams，與Matlab聯合仿真可以實現機器人的運動學、動力學控制（如圖1所示）。

圖1：軀干質心相對地面坐標系zg方向運動分析

教師利用Solidworks、CATIA、Unigraphics NX等三維繪圖軟件，構建機械臂三維模型（如圖2所示），可以對機構進行任意旋轉、移動，不同角度的觀察，便于同學們理解機構整體組成及個部件之間的相對位置關系；生成整體或者局部爆炸圖（如圖3所示），便于同學們理解各個部件之間的連接方式及傳動方式，進而引導同學們探索機構優化方法，培養創新意識和創新思維。

圖2：機械臂三維模型

圖3：局部爆炸圖

3 結語

現代信息技術給《機器人技術基礎》的教學帶來了便利，克服了實體模型成本高的缺點。但是，憑借單個教師或者單個課題組構建模型庫，模型數量有限；而不同課題組之間會存在典型機構模型重復建設的問題。如何有效的整合教師的教學資源，促進教學資源的流通共享，是我們需要解決的關鍵問題之一。在享受現代信息技術帶來便利的同時，不能褻瀆知識產權，使之更好的服務于教學。