工程認證背景下機器人學實踐教學研究

林旭梅，唐旭，朱文杰，田艷兵，趙瑞艷

（青島理工大學 信息與控制工程學院，山東 青島）

一 引言

工程教育專業認證是目前國際上通行的工程教育質量保證制度，也是實現工程教育的國際互認和工程師資格國際互認的重要基礎[1]。工程教育專業認證的核心理念為:以學生為中心(Student-Centered，SC)，以產出為導向(Outcome-Based Education，OBE)和持續改進(Continuous Quality Improvement，CQI)[2]。

教育部高教司張大良司長在戰略高度上談到新工科建設發展的重要性：工程教育主動布局和深化改革到位,就能對經濟轉型升級產生促進作用。反過來講,工程教育改革如果滯后,對于我們的產業升級進程,不僅不能支撐、服務,而且還會拖后腿。從新經濟的角度來講,急需發展新工科,更新改造傳統工科專業,滿足新經濟發展人才支撐的需要[3]。結合工程教育專業認證的核心理念和新工科發展的重要性，如何通過有效途徑提高學生創新能力和解決實際問題能力成為《機器人學》教學中的關鍵問題[4]。本文結合我校培養學生的總體目標，針對《機器人學》課程進行實踐教學研究，優化傳統的教學模式，對不同基礎情況學生進行分階段的特色培養，加強實踐性教學環節，以具體的項目案例來推進基礎教學—小組學習—實踐創新一體化教學改革，培養學生的動手能力，在實踐中增長知識，增強創新意識[5]。

依據基礎學習情況，給學生安排數字課堂網絡學習、小組討論學習以及實際案例創新學習，分階段進行有規律的遞進式的學習模式。實踐教學采用的案例適合學生在理論到實踐過程的過渡，過程中以社會需求為導向，結合專業自身特點，構建理論知識與工程需求相結合的課程體系，實踐教學在培養學生工程應用能力的同時，也系統性地培養學生科學規范的操作習慣及探索求真的鉆研精神。

二 教學現狀

國際標準化組織(International Organization for Standardization，ISO)對機器人的定義為“機器人是一種自動的、位置可控的、具有編程能力的多功能機械手，這種機械手具有幾個軸，能夠借助于可編程序操作處理各種材料、零件、工具和專用裝置，以執行種種任務”[6]。機器人學課程以機械原理、矩陣論、理論力學、控制工程基礎等為先修課程，是涉及機械學、電子技術、自動控制、計算機技術、傳感技術、人工智能等多學科交叉的課程[7]。機器人學集自動化、機械、計算機多個學科融合，對學生的數學基礎具有較高的要求，特別是動力學、矩陣論、微分運動等相關方面知識，本課程還要求學生具備一定的電子設計知識、電子信息知識[8]。在學習理論知識的同時，還要基于實際工程案例增強學生動手實踐的能力，不僅切合創新型人才培養的理念，也符合高校培養計劃的要求。

目前的《機器人學》課程教學存在的主要問題有：在分配教學目標時，沒有針對學生個人的基礎學習情況進行教學任務的分配；在實踐教學部分，僅帶領學生參觀實驗室中的套件實驗機器人和做部分與機器人相關的驗證實驗，應當增加基于機器人設計的相關實驗和基于實際工程案例的實踐教學內容。

（1）理論教學部分的公式推導過程較為枯燥，使得學習基礎情況較弱的學生在面對《機器人學》課程時，缺少應有的積極性、探索性，不利于教學進度的推進。

（2）實踐教學過程只參觀實驗室的套件實驗機器人和做部分與機器人相關的驗證實驗對學生來說收獲較少，安排學生走進工廠學習實際生產過程，學習不同功能機器人的技術細節，增強解決實際問題能力和創新能力，了解機器人市場發展趨勢。

（3）實踐教學缺少真實的機器人應用背景教學，可以帶領學生參觀學習碼頭搬用機器人、快遞派送機器人等在日常生活工作中技術較為成熟且應用廣泛的機器人，提升學生學習積極性的同時加強學生對機器人的實際應用能力。

（4）學生在實踐教學過程中缺少自我動手設計體驗，無法貫徹理論與實踐相融合的過程，應當安排學生參與實際課題項目設計研發。

三 實踐教學改革體系設計

（一） 機器人系統特點

機器人系統涉及多種傳感器的信號采集、控制器的信號處理和執行機構的信號輸出[9]。圖1 為機器人系統原理框圖。根據機器人完成的任務，選用不同功能傳感器，控制器根據傳感器信號完成設定任務。圖1 為一個通用機器人系統原理框圖。傳感器分別為視覺傳感器采用OPENMV 圖像處理的方式，其原理為通過分類并提取重要特征而排除多余的信息來識別圖像[10]；觸覺傳感器用于機器人中模仿觸覺功能的傳感器；力矩傳感器對各種旋轉或非旋轉機械部件上對扭轉力矩感知的檢測[11]；執行機構由舵機和電機組成。

圖1 機器人系統原理框圖

（二） 機器人實踐教學培養方案

以工程教育專業認證的核心理念和新工科發展的重要性為中心，進一步鞏固學生所學的基礎知識并增強動手實踐能力、創新能力，設計實踐教學的具體方案，圖2 為實踐教學培養方案框圖。適當減少課堂上教師板書講解基礎知識的時間，將理論知識的講解時間轉移到數字課堂上，供學生有多樣化、個性化的選擇，增加實踐案例教學的時間，提供實踐的方案，不局限學生實現課題目標的方式方法，顯著提高學生的創新思維和實踐能力；結合市場需求變化，與企業合作開展相關課程，培養與時俱進、適應時代發展的人才；增加綜合性、設計性的實驗案例，提高學生在實踐過程中的興趣。在硬件條件培養方面，利用3D 打印技術打造實踐案例教學中需要的零部件（如：無人車的輪子，四旋翼無人機的機翼等）。在實行實踐案例教學時，給學生提供無人車、無人機等先進教學平臺，使學生在了解當前機器人發展現狀的同時，提升學生的創新能力和實踐能力。

圖2 實踐教學培養方案

（三） 以學生為中心開展基礎教學

工程教育專業認證的核心理念中提到“以學生為中心”，針對學習基礎不同的學生開展有針對性的新形式教學模式（圖3），確保基礎情況不同的學生也可以積極參與到機器人學的學習中，人性化學習模式做到以學生為主，提高學生的興趣。新形式教學模式更符合多層次學生的學習需求，有針對性地分配學習任務，在最大程度上提升學生的學習積極性，有遞進性的學習過程確保學生在每階段的學習目標明確。圖3為新形勢教學模式框圖。

圖3 新形勢教學模式框圖

（1）本著以學生為中心的原則，考慮到基礎薄弱的學生在學習過程中可能會因為“聽不懂”而失去學習的興趣，增加了數字課堂的環節，學生可以自主安排基礎課程的網上學習時間，幫助學生彌補自身基礎知識的不足，體現人性化教學的理念。《機器人學》相比于其他學科，具有學科交融性強的特點，想要掌握好機器人學，要對動力學、運動學、微積分等學科進行學習；另外《機器人學》涉及的基礎學科也很廣泛，要對控制器、傳感器的類型和性能進行學習了解，為機器人的設計和操作打下堅實的基礎。

（2）針對基礎較好的學生，組建學習小組討論學習。在討論過程中查漏補缺，鞏固已學的知識內容，互相交流心得體會，為下一階段的項目案例分析學習打下扎實基礎。基于機器人學學科交融性強的特點，實施小組學習更能讓學生在探討的過程中及時發現自身在某一學科上的認識錯誤，也讓學生在互助的過程中突出某一學科的深刻見解。

（3）面對基礎扎實的學生，布置實際項目案例分析學習，讓學生在項目中發現問題、解決問題，在實踐中把所學到的理論知識融會貫通，培養學生的探索精神、創新能力和實踐能力。

（四） 堅持以產出為導向搭建實踐教學平臺

工程教育專業認證的核心理念中提到“以產出為導向”，社會市場對機器人功能、性能的需求不斷變化，直接反映在工廠、教研所等在機器人的開發生產上，通過帶領學生參觀學習新型機器人的開發生產過程，既對機器人現階段的發展有大方向上了解，也在實踐中學習機器人技術。

隨著無人技術的深化和因疫情影響導致的機器派送物資的需求，采用人工智能的機器人配送快遞、外賣等成為了當下發展的新趨勢，快遞派送機器人符合當下“無接觸配送”的要求，該機器人的軟硬件搭建基礎簡單適合學生動手實踐學習。

快遞派送機器人主要包括派送機器人的主體設計、儲物箱的搭建和互聯網云平臺通訊設計，設計中控制系統的硬件模塊主要包括：主控模塊、避障模塊、驅動模塊以及無線通信模塊等部分。圖4 為機器人硬件框圖。

圖4 機器人硬件框圖

該機器人使用的主控模塊涉及STM32 單片機是學生在實驗室中常用的控制模塊，輔助模塊較為基礎，適合引導學生將理論知識與實際案例初步融合，采用C 語言編程設計的邏輯順序，也適合學生理解機器人的功能和運行順序，并且方便進行功能擴展，在實踐過程中運用所學知識發現問題解決問題，提高學生的創新能力和探索精神。具體的實踐教學方法如下：由角度傳感器、GPS 和OPENMV 圖像處理來采集運送過程中的位置信息和小車距離障礙物的距離值，并將位置信息和距離信息輸入控制器；讓學生使用C 語言編譯程序下載到控制器中，由控制器來處理信息，并將輸出信息輸出給執行機構；由電機、舵機等組成的執行機構來進行障礙物躲避等動作。

四 結語

結合學生在不同學習階段的不同需要進行教學，做到統籌兼顧、全面發展。改變以往教學過程中的單調教學模式，開展多樣化、個性化的教學模式，符合工程教育專業認證的核心理念“持續改進”，在研究過程中不斷優化教學模式。實踐教學在以往的教學過程中存在不夠重視的問題，通過本次改革，實行適應學生發展的教學模式，讓學生在實踐教學中貫徹基礎知識的掌握，了解機器人在未來的發展趨勢和方向，提升自身的創新能力和動手能力，培養出符合新時代發展需求且專業素養過硬的創新型人才。