智能機器人在實驗教學中的應用

張貴生，朱艷娜

(1.安徽理工大學深部煤礦采動響應與災害防控國家重點實驗室 安徽淮南 232001；2.安徽理工大學經濟與管理學院，安徽淮南 232001)

隨著電力電子技術的快速發展，控制芯片集成度越來越高，以控制芯片為核心的人工智能應時而生[1]，近年來發展成了高校較為熱門的學科。其中，智能機器人高度融合了物聯網、機電控制等多種智能技術[2]，具有較深的科研價值與教學功能，企業應用亦可產生較高的經濟效益[3]，已然成為了工廠革新、企業研發、高校教研的重要設備。根據應用場景不同，智能機器人具有多種外貌形狀、感官知覺、功能響應及復雜結構，例如傳感機器人、教學機器人、工業機器人等。

近年來，國家大力支持人工智能進入校園[4]，《國家教育事業發展“十三五”規劃》《新一代人工智能發展規劃》等政策文件皆明確指出，在高校內要全方位應用、推動“機器智能”。教學機器人既可以作為應用科學研究[5]，又能夠為學生提供良好的實踐平臺，是高校發展人工智能的有力保障。因此，本文以國家方針政策為指導，結合我校實驗教學條件和學生實踐情況，深入探討教學機器人在我校實驗教學中的具體作用。

傳統基礎理論學習是以課堂教學為主、動畫演示或簡易實驗為輔的教學模式。然而，通過教學經驗及調查發現，教師的教、學生的學、實踐的用三者無法形成有效統一，教師的教是循循善誘、苦口婆心，學生的學往往是對基礎理論知識的硬性搬運或想當然的理解，兩者之間形成了一種灌輸與被動接受的現象；此外，教學中發現，多數學生會出現識物盲區，例如部分電氣專業本科生無法辨識元件實物、熟悉電路圖卻看不懂連接電路等現象，這就從正面反映出學生的學與實踐的用無法得到及時銜接，所學基礎理論知識更無法在第一時間于實踐中加深理解，甚至無法得到認知實物的機會。教學經驗證明，當書本知識缺少有效延伸空間時，學習過程極易出現記憶不深和理解偏差。因此，只有在實踐中學習、鞏固、加深基礎理論知識才能革新傳統教學模式，使學生更加清晰地了解實物本身，明確所學基礎理論知識在實踐中的具體應用。

本文以某科技有限公司研發、包含15 臺教學機器人的“基于機器視覺機電綜合創新平臺”（統稱“視覺機器平臺”）為探討對象，深入剖析智能機器人在實驗教學中的啟發作用，包括知識擴展、實物認知、實踐操作、功能研發四層結構，層次之間相輔相融、互為補充，又循序漸進、逐層深入，以形象記憶強化邏輯記憶，擴展理論知識，提高理論融入實踐的實驗教學質量和效果。

一、知識擴展

人工智能是一種復雜的機電綜合系統、是未來的發展趨勢，這就意味著任何單打獨斗、單一專業都無法滿足當今社會對知識的需求，終將被時代所摒棄，PI 團隊、知識交叉融合才是主流。科技的全面發展決定了企業越來越傾向于招攬復合型人才，因此，當代大學生既要掌握自身專業課程，又須補充相近專業基礎理論知識，采取“自身專業為主、相近專業為輔”的學習模式，加深理論深度、擴展知識寬度，構建共性系統，實現共性知識的相互補充、交叉融合。

本視覺機器平臺深度融合了機械結構設計、智能控制系統、機電傳動技術、運動學等多種智能技術，涵蓋了機械學院、電氣學院、計算機學院、人工智能學院等相關教學單位，技術容納量高、服務范圍廣，是一種跨專業、多學科的系統綜合性學習平臺。

指導老師通過講解本視覺機器平臺中各教學機器人的結構布置、工作原理、設計思想等基礎內容，將專業課程融入其中，加深學生對基礎理論知識的全方位理解，讓學生在實物認知和實踐操作中探尋問題的產生思路、分析方法與解決路徑，培養學生靈活多變、因地制宜的創新思維，同時擴展知識層面、開拓視野格局、提升專業素養，實現多學科寬知識的交叉融合，為今后的科研道路和事業發展做出強有力的技術鋪墊。

二、實物認知

實物認知是實驗教學的重要組成部分，實物認知教學符合學生對陌生事物認知的特點，實物認知可以讓學生建立從無到有或從淺到深的抽象思維，并使抽象思維具體化，啟發學生思考所學課本中專業名詞，使專業名詞與實物之間形成有效對應，進而穩固知識。相比于基礎理論知識教學，本視覺機器平臺的實物認知教學更有利于大學生的成長與就業，尤其是直接面向機械裝置、自動化設備、智能產品等加工制造類企業的就業學生，這部分學生畢業后往往從一線技術類崗位起步，發展方向以軟、硬件工程師為主，對各部件結構、電路元器件等實物的認知更為必要。

本視覺機器平臺可以很好地提供裝置結構、機械部件、電氣元器件及電路系統等硬件結構的實物展示功能，其中，裝置結構包括氣泵、交直流伺服電機、減速機、PC 主機、步進電機、3D 打印機、激光雕刻機、XYZ 坐標機器人、六自由度機器人等；機械部件主要包括手爪、皮帶、滾珠絲桿、吸盤、機械手臂等；電氣元器件及電路系統主要包括液晶屏、工業相機、限位開關、運動控制器、光電編碼器、電路板及多種電子元件、傳感器等電路系統常用元器件。

在實物認知教學中，指導老師要提前規劃各種元器件所屬范圍及輪廓，有序地講解各種元器件的結構特點、性能參數及在系統中的各項功能。為獲取更加直觀、清晰的教學效果，特將實物認知教學環節歸納為結構認知和電路認知兩部分講解內容。

（1）結構認知教學。結構認知教學需結合基礎課程名詞，從各零部件具體功能、結構設計、連接方式、維護保養等方面綜合探討，再擴展至結構設計方法、常用軟件說明、創新思路流程等深層內容，用簡易明了語句講解常用機械結構基礎理論知識，讓學生多方位進行結構認知。

（2）電路認知教學。電路認知教學是以電路圖和接線圖為指導，從工作原理、控制電路結構及系統布局入手，組成知識輪廓架構，明確設計思想，再細化至芯片選型方法、主要元器件在整個電路中的具體功能及其相互間連接關系、信號傳輸路徑、用電安全等細節，讓學生在了解設計電路流程的同時將各元器件逐一認知。此外，指導老師應因材施教，針對不同年級學生，適當調節實物認知深度與寬度，探尋適宜教學路徑。

三、實踐操作

知識是由認知主體主動構建起來的，學習興趣是掌握知識的動力源，實踐操作是激發學生學習興趣的重要途徑。實踐操作不僅能夠加深對專業基礎知識的理解，而且能夠讓學生自我感知有趣動作，在探索中發現各部件的內在關系，探尋教學機器人中“七分機械、三分電氣”及運動學的本質規律，提高理解深度。

本視覺機器平臺功能多樣、模塊性強，可以很好地為學生提供實踐操作平臺，具體包括氣動手夾、氣動吸附、繪畫、寫毛筆字、激光雕刻、3D 打印、圖像識別等功能，系統綜合性強、知識覆蓋面廣，且每個功能模塊皆具備一個完整的機電控制系統。在指導老師的講解下，能夠幫助學生快速記憶理論知識、深入理解設計思想、不斷擴充知識寬度、有效構建共性系統。以圖像識別為例，課堂上學生以人臉為拍攝對象，通過軟件將人臉圖像進行識別處理，最終呈現出完整、清晰的人臉圖像，全程實踐操作讓學生更加熟悉相關軟件的使用技巧與操作步驟，整個操作過程有效融合了圖像識別基礎理論、實物認知等內容；此外，在指導老師的配合下，可以讓學生更加清晰地了解圖像識別理論課程中所講內容，解答心中存留的疑惑，擴充電氣控制、機械結構等方面知識，了解系統工作原理、設計思想，最終讓學生在腦海中形成穩固的圖像識別系統。

由于不同年級學生的知識儲存量不同、對實踐操作的理解程度不同，指導老師在實踐操作環節中要因人而異、因材施教，提前制定好適宜的教學計劃。根據教學經驗可知，大一、大二學生專業知識接觸較少，實踐操作以興趣培養、專業引入為主；大三、大四學生專業課程逐步深入，實踐操作以理論鞏固、應用認知、模塊搭建為主；碩士研究生課程深入、領域專研，實踐操作以應用開發、軟件編程、功能創新為主；此外，針對個別極富興趣學生，應單獨培養。

事實證明，實踐操作過程中，科幻有趣的機械動作會給學生留下深刻印象，開拓視野，培養創新思維，激發學生探尋真理的熱情；此外，本視覺機器平臺的深入學習還可以讓學生明白“知行合一、學以致用”的道理，在實踐中主動自我認知、轉變觀念、改進不足。

四、功能研發

硬件電路與機械結構是教學機器人控制系統的執行單元，軟件是控制核心、技術源泉，學習軟件編程可使學生更加清晰地認知模塊結構、明晰控制流程，從系統整體框架到獨立參數設置全程把控模塊功能，有利于學生積累實戰經驗、開拓創新思路。學會軟件編程就等同于掌控技術核心，就可以不再局限于現有功能模塊，主動搭建新系統、研發新產品，從而提高學生創新思維和自信心，為學生參加比賽、撰寫論文、專利等科研做好技術鋪墊，為今后繼續深造、事業發展打下堅定基礎。

本視覺機器平臺預留有多種接線端口、具備模塊研發功能。對于碩士研究生或極富興趣學生，指導老師應指導他們學習制作PCB 電路板、軟件編程、模擬仿真等深層學問，鼓勵他們在原有結構功能的基礎上，設計新的電路結構、制作新的控制系統、研發新的功能模塊，通過添加不同結構的機械手臂、編寫新的軟件程序來實現不同的機械動作和新功能，激勵學生打開思維、敢于挑戰。

綜上所述，教學機器人在實驗教學中的廣泛應用不僅能夠激發學生學習興趣、培養動手能力，解答心中疑惑、主動提升自我，而且能夠加深專業基礎理論、擴展知識層面、提高實物認知能力，積累軟件編程實戰經驗，開拓功能研發創新思路，使學生主動認知自我、完善自我、提高專業素養和自信心，在市場競爭、科技創新日益嚴峻的當今社會，讓我們的學生具備競爭能力。