工程認(rèn)證背景下自動(dòng)化類專業(yè)創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)研究

林旭梅，唐 旭，朱文杰，田艷兵，趙瑞艷

（青島理工大學(xué)信息與控制工程學(xué)院 山東 青島 266500）

工程教育專業(yè)認(rèn)證是國際通行的工程教育質(zhì)量保證制度，也是提高工科教學(xué)質(zhì)量的重要基礎(chǔ)[1]。工程認(rèn)證以學(xué)生為中心、產(chǎn)出為導(dǎo)向和持續(xù)改進(jìn)為核心理念[2]。工程教育的正確實(shí)施和精準(zhǔn)改革對產(chǎn)業(yè)升級和優(yōu)化產(chǎn)生重要作用。根據(jù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的要求，亟須發(fā)展新工科，加快對傳統(tǒng)工科專業(yè)的重塑升級，為新經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供人才支持[3]。結(jié)合工程教育專業(yè)認(rèn)證的核心理念和新工科發(fā)展的重要性，如何通過有效途徑提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和解決實(shí)際問題的能力成為“機(jī)器人學(xué)”“自動(dòng)控制理論”等教學(xué)中的關(guān)鍵問題。

本文結(jié)合青島理工大學(xué)（以下簡稱“我校”）培養(yǎng)學(xué)生的總體目標(biāo)，針對“機(jī)器人學(xué)”“自動(dòng)控制理論”課程進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)研究，優(yōu)化傳統(tǒng)的教學(xué)模式，對不同基礎(chǔ)的學(xué)生進(jìn)行分階段特色培養(yǎng)，加強(qiáng)實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，以具體的項(xiàng)目案例來推進(jìn)基礎(chǔ)教學(xué)、案例教學(xué)、項(xiàng)目課等實(shí)踐創(chuàng)新一體化教學(xué)改革，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手操作能力，在實(shí)踐操作中加深對知識的學(xué)習(xí)和理解，提升創(chuàng)新意識。

根據(jù)不同學(xué)生的情況，給學(xué)生安排數(shù)字課堂網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)、小組討論學(xué)習(xí)以及實(shí)際案例創(chuàng)新學(xué)習(xí)，分階段開展遞進(jìn)式學(xué)習(xí)。實(shí)踐教學(xué)通過案例式、項(xiàng)目課的深入理論分析、仿真到實(shí)物不同階段的過渡，教學(xué)過程以社會需求為導(dǎo)向，結(jié)合專業(yè)自身的特點(diǎn)，構(gòu)建理論知識與工程需求相結(jié)合的課程體系，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力、創(chuàng)新能力、工程應(yīng)用能力，促進(jìn)學(xué)生養(yǎng)成科學(xué)規(guī)范的操作習(xí)慣和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目蒲袘B(tài)度。

1 教學(xué)現(xiàn)狀

機(jī)器人一般定義為“機(jī)器人是一種能夠通過編程和自動(dòng)控制來執(zhí)行諸如作業(yè)或移動(dòng)等任務(wù)的機(jī)器，它既可以接受人類的指揮，又可以運(yùn)行預(yù)先編排的程序，也可以根據(jù)以人工智能技術(shù)制定的原則綱領(lǐng)行動(dòng)”[4]。“機(jī)器人學(xué)”課程以“線性代數(shù)”“矩陣?yán)碚摗薄白詣?dòng)控制原理”“傳感器與檢測技術(shù)”“計(jì)算機(jī)控制”“機(jī)械原理”等為先修課程，是涉及自動(dòng)控制、傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)、人工智能、機(jī)械工程等多學(xué)科交叉的課程。“機(jī)器人學(xué)”課程將自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)、機(jī)械等多個(gè)學(xué)科融合，要求學(xué)生具備扎實(shí)的數(shù)理基礎(chǔ)，尤其是矩陣論、三角函數(shù)、微積分方程等相關(guān)方面的知識，一定的電子設(shè)計(jì)知識。在學(xué)習(xí)理論知識的同時(shí)，還要基于實(shí)際工程案例增強(qiáng)學(xué)生的動(dòng)手能力，不僅切合創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的理念，也符合高校培養(yǎng)計(jì)劃的要求。

目前“機(jī)器人學(xué)”“自動(dòng)控制理論”等課程教學(xué)存在的主要問題有：在分配教學(xué)目標(biāo)時(shí)，沒有針對學(xué)生不同的基礎(chǔ)學(xué)習(xí)情況進(jìn)行教學(xué)任務(wù)的分配；在實(shí)踐教學(xué)部分，有時(shí)僅帶領(lǐng)學(xué)生參觀實(shí)驗(yàn)室中的套件實(shí)驗(yàn)機(jī)器人和做部分與機(jī)器人相關(guān)的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。為解決以上問題，應(yīng)針對性地增加以下實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容：

①理論教學(xué)部分的公式推導(dǎo)過程較為枯燥，使得學(xué)習(xí)基礎(chǔ)較弱的學(xué)生在面對“機(jī)器人學(xué)”課程時(shí)，缺少積極性、探索性，不利于教學(xué)進(jìn)度的推進(jìn)，應(yīng)增加理論仿真教學(xué)案例。

②實(shí)踐教學(xué)過程只參觀實(shí)驗(yàn)室的套件實(shí)驗(yàn)機(jī)器人和做部分與機(jī)器人相關(guān)的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，學(xué)生獲得感少。應(yīng)安排學(xué)生到工廠學(xué)習(xí)、了解實(shí)際生產(chǎn)過程，學(xué)習(xí)不同功能機(jī)器人的技術(shù)細(xì)節(jié)，增強(qiáng)學(xué)生解決實(shí)際問題的能力和創(chuàng)新能力，了解機(jī)器人前沿發(fā)展。

③實(shí)踐教學(xué)缺少真實(shí)的機(jī)器人應(yīng)用背景教學(xué)，應(yīng)通過參觀貨物搬用機(jī)器人、快遞派送機(jī)器人等技術(shù)較為成熟的機(jī)器人，提升學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，同時(shí)加強(qiáng)學(xué)生對機(jī)器人應(yīng)用能力的理解。

④學(xué)生在實(shí)踐教學(xué)過程中缺少動(dòng)手設(shè)計(jì)體驗(yàn)，難以將理論與實(shí)踐相融合，應(yīng)鼓勵(lì)學(xué)生參與科研課題項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和研發(fā)。

2 實(shí)踐教學(xué)改革體系設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)器人控制系統(tǒng)的特點(diǎn)

機(jī)器人控制系統(tǒng)涉及多種傳感器的信號采集、控制器的信號處理和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的信號輸出。根據(jù)機(jī)器人完成的任務(wù)，選用不同功能傳感器、控制器對傳感器采集的信號進(jìn)行處理，通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成設(shè)定任務(wù)。其中，視覺采用OPENMV 處理的方式，其原理為通過物體特征提取、識別圖像[5]；觸覺傳感器采用基于觸覺壓力的傳感器；力矩傳感器可完成對各種旋轉(zhuǎn)物體力矩的檢測；執(zhí)行機(jī)構(gòu)由舵機(jī)和減速電機(jī)組成。

2.2 機(jī)器人等自動(dòng)化實(shí)踐教學(xué)設(shè)計(jì)方案

以工程教育專業(yè)認(rèn)證的核心理念和新工科發(fā)展為中心，進(jìn)一步鞏固學(xué)生所學(xué)的基礎(chǔ)知識并增強(qiáng)其動(dòng)手實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力，設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)的具體方案如圖1 所示。減少教師理論授課學(xué)時(shí)，增加實(shí)踐案例和項(xiàng)目課，并提供個(gè)性化和多樣化的實(shí)踐案例給學(xué)生選擇，拓展學(xué)生的創(chuàng)新思維、提高其實(shí)踐能力；結(jié)合市場需求變化，與企業(yè)合作開展相關(guān)課程，培養(yǎng)與時(shí)俱進(jìn)、適應(yīng)時(shí)代發(fā)展的人才；增加綜合性、設(shè)計(jì)性的實(shí)驗(yàn)案例，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。在硬件設(shè)計(jì)方面，利用3D 打印技術(shù)設(shè)計(jì)實(shí)踐案例教學(xué)中需要的零部件（如：無人車的輪子，四旋翼無人機(jī)的機(jī)翼等）。在完成實(shí)踐案例時(shí)，提供無人車、無人機(jī)等先進(jìn)的教學(xué)平臺，使學(xué)生在了解當(dāng)前機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀的同時(shí)，提升學(xué)生的創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力。

圖1 實(shí)踐教學(xué)培養(yǎng)設(shè)計(jì)方案

2.3 以學(xué)生為中心開展實(shí)踐教學(xué)

工程教育專業(yè)認(rèn)證的核心理念是“以學(xué)生為中心”，針對學(xué)習(xí)基礎(chǔ)不同的學(xué)生開展有針對性的教學(xué)模式，確保基礎(chǔ)情況不同的學(xué)生能夠積極參與到機(jī)器人等實(shí)際系統(tǒng)的學(xué)習(xí)中，做到以學(xué)生為中心，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)力。新形式的教學(xué)模式更符合多層次學(xué)生的學(xué)習(xí)需求，有針對性地分配學(xué)習(xí)任務(wù)，能夠最大限度地提升學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，遞進(jìn)性的學(xué)習(xí)過程能確保學(xué)生完成每階段的學(xué)習(xí)任務(wù)。具體措施如下：

①本著以學(xué)生為中心的原則，考慮到基礎(chǔ)薄弱的學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中可能會因?yàn)椤奥牪欢倍W(xué)習(xí)的興趣，可增加數(shù)字課堂的環(huán)節(jié)，學(xué)生可以自主安排基礎(chǔ)課程的網(wǎng)上學(xué)習(xí)時(shí)間，幫助學(xué)生彌補(bǔ)自身基礎(chǔ)知識的不足。“機(jī)器人學(xué)”“自動(dòng)控制理論”相比于其他學(xué)科，具有學(xué)科交融性強(qiáng)的特點(diǎn)，想要掌握好機(jī)器人學(xué)，還要學(xué)習(xí)動(dòng)力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、微積分等學(xué)科；另外“機(jī)器人學(xué)”等涉及的基礎(chǔ)學(xué)科也很廣泛，要對傳感器的不同類型和性能進(jìn)行學(xué)習(xí)了解，為機(jī)器人的設(shè)計(jì)和操作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

②針對基礎(chǔ)較好的學(xué)生，組建討論學(xué)習(xí)小組。在討論過程中查漏補(bǔ)缺，鞏固已學(xué)的知識內(nèi)容，交流心得體會，為下一階段的項(xiàng)目案例分析打下扎實(shí)基礎(chǔ)。基于機(jī)器人學(xué)學(xué)科交融性強(qiáng)的特點(diǎn)，實(shí)施小組學(xué)習(xí)策略能讓學(xué)生在探討的過程中及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，也能提高對某一知識點(diǎn)的理解和掌握。

③面對基礎(chǔ)扎實(shí)的學(xué)生，可布置實(shí)際項(xiàng)目案例分析學(xué)習(xí)，讓學(xué)生在項(xiàng)目中發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，在實(shí)踐中把所學(xué)到的理論知識融會貫通，培養(yǎng)學(xué)生的探索精神、創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力。

2.4 堅(jiān)持以產(chǎn)出為導(dǎo)向搭建實(shí)踐教學(xué)平臺

隨著人工智能技術(shù)的深化和社會發(fā)展的需求，采用機(jī)器人配送快遞、外賣等成為當(dāng)下的新趨勢，快遞派送機(jī)器人符合當(dāng)下“無接觸配送”的要求，該機(jī)器人的軟硬件搭建適合動(dòng)手實(shí)踐學(xué)習(xí)。快遞派送機(jī)器人設(shè)計(jì)主要包括：派送機(jī)器人的主體、儲物箱的搭建和互聯(lián)網(wǎng)云平臺通訊設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)中控制系統(tǒng)的硬件模塊主要包括：主控模塊、避障模塊、驅(qū)動(dòng)模塊以及無線通信模塊等部分。該機(jī)器人使用的主控模塊可用STM 32 系列單片機(jī)，避障傳感器可選用超聲波或激光等，在項(xiàng)目教學(xué)中實(shí)施“知行耦合”，引導(dǎo)學(xué)生將理論知識與實(shí)際案例融合，搭建機(jī)器人的基礎(chǔ)模塊，并預(yù)留接口方便功能擴(kuò)展，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和探索精神。具體的實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容如下：由GPS、超聲波傳感器、OPENMV圖像處理來采集運(yùn)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、距離等傳感信息輸入控制器；根據(jù)控制算法計(jì)算的結(jié)果，由電機(jī)、舵機(jī)等組成的執(zhí)行機(jī)構(gòu)來進(jìn)行障礙物躲避等動(dòng)作。

3 結(jié)語

結(jié)合學(xué)生在不同學(xué)習(xí)階段的不同需要，做到統(tǒng)籌兼顧、全面發(fā)展。改變以往教學(xué)過程中單一的教學(xué)模式，開展多樣化的教學(xué)模式，符合工程教育專業(yè)認(rèn)證的核心理念“持續(xù)改進(jìn)”，在研究過程中不斷優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容。改變教學(xué)方法、增加項(xiàng)目課等綜合性實(shí)踐教學(xué)案例，通過不斷改進(jìn)的教學(xué)內(nèi)容，結(jié)合線上線下資源，讓學(xué)生“忙起來”；同時(shí)在知識傳遞中注重育人教育、增強(qiáng)學(xué)生的民族自豪感和職業(yè)奮斗精神，培養(yǎng)愛國敬業(yè)、使命擔(dān)當(dāng)?shù)那閼选?/p>