機器人學導論課程

王宇奇 周磊 曹錦江 王蕾

摘? 要 機器人學導論是應用型人才培養模式下的一門專業課程，提高該課程的實踐教學能力與教學質量，能提高學生的學習興趣，提高教師的教學工作質量。結合該課程當前教學過程中存在的問題，提出改進方法，提高教學質量。

關鍵詞 機器人學導論;應用型人才;實踐教學能力;教學質量

中圖分類號：G434? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2021）02-0129-03

Introduction to Robotics//WANG Yuqi， ZHOU Lei， CAO Jinjiang， WANG Lei

Abstract Introduction to robotics is a professional course under the training mode of applied talents. In order to improve the practical teaching ability and teaching quality of this course， combined with the problems existing in the current teaching process of this course， the improvement method is proposed to improve the teaching effect.

Key words introduction to robotics; applied talents; practical tea-ching ability; teaching quality

0 引言

機器人學導論是一門介紹機器人學的課程，也是應用型本科高校南京工程學院自動化專業、機器人工程專業的一門重要的專業課程。機器人學是一門高度交叉的前沿學科，機器人技術也是一項集力學、機械學、生物學、計算機科學與工程、控制理論與控制工程學、電子工程學、人工智能等多學科知識之大成的綜合性很強的新技術。

隨著工業、經濟、社會及科技的不斷發展，機器人已經被廣泛應用到各個領域中。機器人技術的出現與發展，使得傳統的工業生產面貌發生根本性變化，對人類社會生活產生深遠影響。當前，機器人已成為必爭領域和未來競爭的制高點，也是信息、制造、能源、材料等技術的融合創新[1]。我國機器人市場已進入高速增長期，機器人市場需求潛力巨大[2]。

機器人在國內外的應用情況，按區域劃分，亞洲是目前工業機器人使用量最大的地區，其次是美洲及歐洲;從國家來看，中國是新增工業機器人最多的國家，其次是日本、美國和韓國[3]。可以看出，我國在機器人應用方面已經跨到了前端，研究正在朝智能化、模塊化、系統化、微型化、多功能化及高性能、自診斷、自修復趨勢發展，以適應多樣化、個性化的需求，向更大更寬廣的應用領域發展[4]。因此，要加大對機器人學人才的培養力度，提高機器人學導論課程的教學質量，提高學生的學習能力和創新能力。

1 機器人學導論課程的內容及特點

機器人學導論課程內容主要包括機器人位置運動學、動力學分析和力、軌跡規劃、運動控制系統、驅動器和驅動系統等。這門課程融合了多個學科，集合了機器人技術、控制技術、力學技術、圖像處理技術、傳感器技術等，課程內容豐富，覆蓋范圍非常廣泛，是一門綜合性很強的課程。例如：機器人學的數學基礎就包括空間任意點的位置和姿態變換、坐標變換、齊次坐標變換、物體的變換和逆變換以及通用旋轉變換等;機器人的動力學包括動力學方程、動態特性和靜態特性，同時涉及兩種重要的解法，即拉格朗日功能平衡法和牛頓—歐拉動態平衡法。

機器人學導論這門課程涉及學科多，理論性知識多，重點、難點多，內容相對比較抽象。學生在預習和課后復習中會有諸多困難，如果再不結合科研及實踐應用，會覺得該課程艱澀難懂，從而極大地減弱學習興趣。

2 機器人學導論課程的教學目標

機器人學導論課程開設的目的和任務是通過教學，使學生了解機器人發展的最新技術與現狀，初步掌握機器人技術的基本知識;從總體上了解工業機器人技術的發展概況及相關技術，主要包括工業機器人的基本概念、機器人技術的基本原理以及機器人控制的基本思路、方法與特點，并了解在制造業自動化系統與工程中工業機器人的應用實例，對工業機器人從基本概念到應用有一個大致的了解。同時，提升學生的學習興趣，為學習后續專業課程起到引導作用。

3 機器人學導論課程當前存在的問題

課程課時短? 機器人學導論課程雖然是一門專業課程，但是學院對這門課程定的是選修性質，且設定的課程學時是32學時。機器人學導論總共十章，且每章節的知識內容繁多，理解起來難度大。32個學時的課時使得該課程的講解變得比較倉促，講解內容比較淺顯，流于基本概念和原理，不能進一步深入和擴展相關內容。同時，由于這門課是選修課，且安排在大三時期，大三期間有一些學生面臨準備考研等現實問題，投入課程的時間變少，這些問題都使得學生對這門課程不夠重視，上課心不在焉，學習的積極性也很難調動起來，最終對這門課程的理論知識不能徹底理解，更別提實踐教學環節了。

教學以理論為主? 機器人學導論包含機械學、運動學、動力學及控制學等理論內容，也涉及不少高等數學內容，理論性非常強。在教學方面，對于該課程以教授理論知識為主，對學生學習興趣以及創新能力的培養缺乏關注[5]。教學方式通過板書和多媒體相結合，在整個教學過程中，教師雖然通過提問來調動活躍課堂氛圍，使得理論知識便于理解，但是通過課后調查以及與學生的談話發現，此種授課方式并不能提高學生的學習興趣，授課效果不理想。

缺乏實踐環節? 培養大學生的實踐能力和創新精神是提高本科教學質量的重要目標，也是高等教育教學的重要組成部分[6]。但是，在機器人學導論課程教學中，基本沒有關于該課程的實踐環節，學院也沒有安排相應的實習環節。對于應用型本科高校來講，實踐環節的缺乏將會導致畢業生質量下降以及用人單位認可度下降，不能滿足企業需求，同時會導致畢業生的就業方向模糊不清。另外，很多高校對該課程也沒有設置對應的實踐教學，因此導致該課程的教學結果是理論無法深入、實踐教學難以開展且沒有明確的目標。

應用實例少? 機器人學的研究推動了許多人工智能思想的發展，在科學研究、工業及生活中得到廣泛應用。但是，我國的機器人技術未能獲得長足發展，除了傳統觀念影響和政府政策支持力度不夠，未能進行全國性的產學研大合作是一個主要原因。因此，要激發學生的學習興趣，將理論與應用實例相結合，在課程中增加更多的應用實例。

4 應用型人才培養模式下教師實踐教學能力與教學質量提升

增加課程的課時量? 由于機器人學導論課程的內容比較抽象，涉及的學科范圍廣，難度較大，而且每個章節的內容又比較重要，32個學時的課時量是無法保證教學質量的。因此，只有增加該課程的課時量，教師才能詳細講解每章節的內容，提高教學質量。

準確把握課程的基本特點，明確課程的重點內容? 教師要準確把握該課程的基本特點，明確其教學目標及重點內容。在內容講解方面，要直奔主題，直接講解重點內容，同時向學生說明機器人學在一些領域的實際應用中都采用了哪些方法、哪些技術。在教學內容中，要實時合理地把理論內容與實際應用結合在一起，突出重點特色，并融合應用型人才培養模式，培養學生的綜合能力，吸引學生的學習興趣，讓學生更加愿意學習本課程。

增加應用實例及實踐教學環節，提高教師的實踐教學能力? 實踐教學師資隊伍和管理隊伍整體素質與水平對深化教學改革、提高實踐教學質量起著至關重要的作用，只有加強隊伍建設，提高教師的實踐教學能力，才能真正高效地推動實踐教學改革，實現創新人才培養的目標[6]。

在教學過程中，教師根據課程內容向學生講解傳授與課程相關的應用實例，以幫助學生更好地理解和掌握相關理論知識。單純依靠理論知識，無法使學生真正理解有些內容的含義，也很難調動學生的學習興趣，而增加應用實例能使學生更好地掌握本課程的核心內容，提高教師的實踐教學能力。為了培養學生的綜合能力，增加實踐/實習環節，不僅能提高學生解決問題的能力，也會提高教師的實踐教學能力。

所增加的實踐/實習環節需要學校提供必要的設備平臺和科研平臺，充分為廣大師生提供便利的實踐/實習條件，調動廣大師生積極參與實踐教學，從而提高教學質量。同時，學校也可以設立專項基金，鼓勵支持學生參加省內和全國的機器人大賽，鼓勵實驗室的優秀學生帶新手學生，從而建立一屆一屆連續傳遞的優良傳統，提高學生整體參與的積極性，并且可以通過參加機器人比賽取得良好的成績來提高企業的認可度。

優化教學組織，提高教師的教學質量? 依據機器人學導論教學大綱，結合個人教學研究與教學實踐，可以在機器人運動學、機器人動力學、驅動器和驅動系統、軌跡規劃及機器人控制技術等課程內容中，剖析它們之間的聯系和應用實例作為重點教學內容，以此來優化教學組織：機器人運動學和機器人動力學是該課程的理論基礎內容，也是教學的前提，明確該部分的具體教學要求，提高教學質量;驅動器和驅動系統在機器人中的作用相當于人體肌肉，是教學的核心內容，重點分析該部分與連桿和關節的關系，從而提高教學質量;軌跡規劃和機器人控制技術是教學重點，把握該部分的核心教學內容，提高教學質量。綜上所述，教師要掌握本課程每部分的特點，并把每章節之間進行串聯，從而提高教學質量。

5 總結

通過以上剖析，機器人學導論作為自動化專業、機器人工程專業的一門專業課程，是培養學生科學素養、提高學生科研能力的技術性平臺。該課程能使學生掌握機器人的專業知識，培養學生研究機器人的興趣和能力。通過對機器人學導論課程教學實踐和教學質量的不斷探索與提升，該課程的教學效果必然會得到增強，同時為培養應用型人才奠定良好的基礎。因此，將實踐教學與理論教學完美地結合起來，教學質量必能得到持續提升，對學生就業、未來發展以及提高思考問題的能力具有重要意義，也是培養應用型人才以及提高高等教育辦學質量的一個有效途徑。

參考文獻

[1]王恒.大力發展機器人產業，推動經濟高質量發展[J].中國信息化，2018（10）：6-8.

[2]機器人市場需求分析[EB/OL].[2017-11-03].http：//www.

chinabgao.com/k/jiqiren/29864.html.

[3]孫嶷，張弢，張春龍，等.國內外機器人的應用情況與發展趨勢[J].輕型汽車技術，2017（7）：37-40.

[4]張紅霞.國內外工業機器人發展現狀與趨勢研究[J].電子世界，2013（9）：20-21.

[5]李娟，宋育武，陳興華，等.創新型人才培養模式下智能控制理論課程教學方法改革與實踐[J].科教文匯，2019（9）：82-83.

[6]李溫溫.教學型高校實踐教學環節存在的問題和對策研究[J].白城師范學院學報，2016（12）：107-108，112.