“機器人學基礎”課程案例式教學改革

杜 群，袁明新，江亞峰

（江蘇科技大學 蘇州理工學院，江蘇 張家港 215600）

0 引言

隨著計算機科學和工程技術的發展，機器人技術已經成為當今社會中一項重要且快速發展的技術，在工業、醫療、軍事、家庭服務等領域都有廣泛的應用[1]。因此，對于機器人學領域學術型及應用型人才的要求及需求也越來越高。機器人學是一門以計算機科學和工程學為基礎的交叉學科，研究如何進行機器人的設計、制造、控制和維護，面向機械類和控制類工科學生開設，是機器人工程類專業的重要理論教學環節[2]。對于機器人學基礎的教學，全國高校主要分為學術型和應用型兩種不同的教學模式開展教育，而以應用為教育導向的本科院校，有別于學術型本科院校理論為主導的教學方式，應加強仿真或實踐等教育教學環節，精簡理論學習，意在培養出具有操作技能及工程問題解決能力的復合型人才[3]。如何根據不同的教學定位及社會需求，把握理論與實踐間的“度”，是機器人學基礎教學改革的關鍵[4]。

1 傳統教學的現狀和不足

傳統的機器人學基礎教育包括理論教學和實驗教學兩部分，而機器人學基礎課程主要由線性代數和矩陣論等基礎數學知識構成，傳統的教學方式應用于該課程，造成以下不足：

1.1 課程理論知識引入效果欠佳

機器人學除涉及機械相關的結構設計、工程力學外，還因對剛體進行數學建模而存在大量的矩陣計算。由于牽扯到矩陣及線性代數等數學基礎，學生前置課程學習效果不佳，由數學基礎知識講解引入該課程的學習，易造成知識點枯燥乏味，學生較為被動，學習效果欠佳，從而喪失學習動力[5]。

1.2 課程理論知識占比過重

機器人學課程主要包含機器人結構概述、機器人數學基礎、正運動學、逆運動學、機器人動力學、機器人控制等章節內容，每章節涉及的理論知識篇幅過長，導致大部分教學內容集中在理論知識部分，而實驗課往往占比較小，只能選則較簡單的實驗課題，無法真正達到應用型人才培養教學效果[6]。

1.3 理論與實踐割裂感較重

傳統的機器人基礎教學過程中，實驗課程往往滯后于理論課程，內容往往基于課本，且在理論知識占比較大的情況下，實驗的教學與理論知識間的銜接不夠順暢，由數學到實物操作間存在認知差距，容易讓學生感到較強的割裂感，從而降低實踐學習的效果[7]。

2 教改思路

2.1 案例引導式教學模式

由于“機器人學”傳統的課程教學往往基于書本，由書本中的數學基礎知識部分引入，將降低學生學習的興趣和動力[8]。案例式教學由項目或案例為切入點，以真實的機器人為工程案例為背景，以解決技術難題為目標，提供另一種學習動力，提高學生學習興趣；以詳盡的任務書模式為驅動，幫助學生在實際案例中梳理機器人的結構、數學基礎等課程前置學習內容，以任務打卡的形式進一步學習機器人知識要點，降低理解難度，提升學習效果；以案例為主導，引導學生提出問題并思考，化被動為主動，改善課堂氛圍，如圖1 所示。

圖1 案例式教學改革思路

2.2 理論實踐同步教學

以真實案例為教學框架，將案例進行知識點的細化與拆解，與課程中的理論知識一一對應，實現理論與實踐同步教學。課程中，課堂可在教室與實驗室之間來回切換，在實踐中發現并思考理論問題，在理論中學習實踐，在實踐中鞏固理論，形成“教-學-做-思”四位一體的學習閉環，如圖1 所示，真正做到在學中做，在做中學。課程側重由輕實踐重理論，轉換到重實踐重理論的教學模式，提升學生操作技能，引導學生養成遇到問題思考并解決問題的習慣。

2.3 案例同步仿真教學

為解決理論學習與實踐學習之間的割裂感，采用同步仿真教學方法。該方法主要通過對相同案例的仿真教學，將理論知識中的原理具象化，采用“理論學習-仿真模擬-實踐實驗”三位一體的教學組織模式，如圖1 所示，建立完整的仿真模擬平臺，搭建理論與實踐之間的橋梁，增加學生學習深度的同時，讓學生更容易理解和掌握各知識點間的銜接，避免出現因知識點間的割裂而造成的學習效果下降。

3 課程改革的實施過程

以“GLUON-613”機械臂作為工程案例進行教學及說明。通過工程案例，以任務為導向，分析系統運作流程，從具體的任務要求到知識點的細化與分析，在由知識點的學習到虛擬平臺的仿真，最后再通過實踐實驗進行知識點的驗證，形成學習閉環，培養學生發現問題、分析問題、解決問題的能力。

3.1 案例式教學框架設計

設計以“GLUON-613 機械臂空間中畫圓”為最終教學任務的任務書，驅動學生思考目標任務所需的前置知識內容。通過對目標任務的思考，原任務應被拆解為“機械臂運動”“空間中畫圓”等初步問題。而機械臂的運動又可以分為運動學和動力學進行運動控制，運動學又可分為正運動學和逆運動學，而對機械臂進行運動學或動力學分析的基礎則是對機械臂進行數學建模，空間中畫圓可進一步任務是機械臂的軌跡規劃。將目標任務進行任務的細分后進行層次的梳理，可根據知識點的遞進關系，選擇合適的內容進行理論知識教學順序，如圖2 所示。

圖2 案例式教學改革框架

3.2 案例式教學方式優化

進行“理論-仿真-實踐”三位一體及“教-學-做-思”四位一體的教學方式優化，以案例GLUON-613為依托，通過設計不同的實驗任務及仿真任務與拆解后的理論學習任務一一對應（表1），做到理論知識、仿真模擬及實驗實踐的同步進行。

表1 教學方式優化后的任務對照表

3.3 案例式教學仿真設計

仿真實驗以MATLAB 與SOLIDWORKS 聯合仿真為基礎。將GLUON-613 機械臂的三維模型導入到三位畫圖軟件SOLIDWORKS 中，通過各同學案例引導下自行分析的數學模型，通過SW2URDF 插件，在各關節建立不同的坐標系，并設立不同的關節運動關系后，導出為URDF 文件，使用機器人工具箱導入到MATLAB 中，使用SIMULINK 搭建對應知識點仿真系統，進一步通過仿真理解理論知識與實踐之間的關系，如圖3 所示。通過教學框架中的知識點設置，建立對應的仿真實驗。

圖3 仿真實驗系統設計

4 教學改革效果

以上述案例進行教學改革的初步測試，針對該課程在學期結束后對學生進行回訪調查，總結出改革前理論為主教學與改革后案例式教學在教學方法、教學內容、教學手段滿意程度及期末成績的對比，見表2。

表2 教學改革前后對比

通過對比教學改革前后教改指標的結果可以發現，案例式教學法在教學方法、內容、手段滿意度都高于改革前的教學方式，尤其是在實操合格率上有較大的改善，說明案例式教學法更容易提高學生學習興趣，三位一體的教學方式增加了學生理論與實踐之間的理解，提高理論成績的同時，也提高了實踐實驗的質量。

5 結語

為了改善機器人學基礎課程教學中存在的重理論而輕實踐、理論知識晦澀難懂、課堂與實際應用割裂嚴重等問題，提出一種機器人學基礎案例式教學改革方案。主要通過以GLUON-613 機器人為案例框架的案例引導式教學模式、理論實踐同步教學、案例同步仿真教學等方法，進行案例式的教學框架設計、教學仿真設計、教學方法優化，從而改善學生學習效果，提升學生解決綜合問題的能力，為培養應用復合型人才打下堅實基礎。