新工科背景下“機器人學”課程教學改革探索與實踐

摘要：機器人學是機器人工程專業的核心課程，新工科背景下的人才培養需求對機器人學課程的學習提出更高的要求。本文針對我校機器人學課程教學中存在的問題進行分析，在教學內容、教學模式、實踐環節和課程考核等方面進行改革探討與實踐，提高教學質量，培養理論與技術并重的綜合性應用人才。

關鍵詞：新工科；機器人學；教學改革；教學實踐

新工科專業是傳統工科專業的升級改造，以培養智能制造、云計算、人工智能、機器人等未來新興產業和新經濟需要的實踐能力強、創新能力強、具備國際競爭力的高素質復合型新工科人才［12］。機器人工程專業是“新工科”背景下以培養機器人產業、智能制造等領域創新實踐型人才為目標的多學科綜合性專業。安徽工程大學人工智能學院于2017年新增機器人工程專業，面向機器人產業和智能制造裝備領域，培養兼具計算機軟硬件、機械系統、機電控制系統設計能力，擁有創新創業精神、自主學習能力的高素質應用人才。

機器人學課程是機器人工程專業的重要核心課程，是一門年輕的、日新月異的交叉學科，包括機械、電子、傳感器、自動控制、計算機以及人工智能等［34］。隨著新工科背景下人才培養需求的改變，機器人學課程教學也要進行改革，以滿足人才培養的要求。本文針對我校機器人學課程教學中存在的問題進行分析并提出改革方案和措施，激發學生學習興趣，培養學生應用能力和創新精神。

一、“機器人學”課程性質和學習過程

從第一臺工業機器人問世以來，機器人已被廣泛應用于汽車、電子、航空航天等領域。我國也相繼提出“中國制造2025”“十四五機器人產業發展規劃”“機器人+應用行動實施方案”等戰略文件，足見國家對機器人發展的重視。機器人學作為一門新興學科，研究的是如何綜合運用機械、傳感器、驅動器和計算機來實現人類某些方面的功能，僅有80多年的發展歷程，現在正是國內外研究的熱點。我院機器人工程專業將機器人學設為核心專業課，培養學生機器人相關的理論知識的學習和操作能力，滿足機器人企業和制造業發展所需要的各項能力需求。

機器人學課程的學習需要學生先修數學和物理相關的基礎課程，為了加強學生對機器人學理論知識的理解，還需要增加課內實驗和機器人實際操作內容，并且教師可以指導學生參加機器人相關的競賽來提高學生的學習興趣和成就感。此外，還需要理論聯系實際，讓學生參與到機器人實際研發應用中去，讓機器人學課程的知識充分發揮作用。機器人學課程的學習作為一個理論鋪墊，讓學生走上工作崗位以后，在遇到實際問題時能夠有舉一反三解決問題的能力。

二、課程教學現狀

我校機器人工程專業培養能夠從事機器人關鍵技術研究、整機開發、關鍵零部件研發制造、機器人集成應用，以及智能制造系統規劃設計和維護的高素質應用型人才，人才培養定位符合企業發展需求。但是以往機器人學課程教學中，教學內容、教學方法、實踐實驗環節及考核方式存在一定的問題，難以滿足新工科人才培養需求，具體問題如下：

（1）理論教學內容需要精簡優化。目前，理論教學過程中采用的教材比較著名的包括JohnJ.Craig著的IntroductiontoRobotics［5］以及著名機器人學者MarkW.Spong主編的《機器人建模和控制》［6］等。部分內容包含大量矩陣運算和公式推導，對學生的數學基礎要求較高。此外，國內外關于機器人的最新和最前沿的研究沒有體現在教材中，應基于新工科背景結合應用型高校對學生的培養要求，精簡優化理論教學內容。

（2）學時安排不合理，學習過程倉促。我院機器人學課程總學時32學時，總學時偏少，其中理論學時為28學時，大部分學時用來講解基礎的重點內容，部分理論內容不能夠充分展開講解；課內實驗學時只有4學時，課內實驗和實踐教學安排過少，理論內容不能充分得到鞏固。

（3）教學方法單一，學習效果不好。現有教學模式以課堂授課為主，教師借助課件和板書講解知識點，部分章節公式推導復雜繁多，一節課中學生要接受的內容過多，難以消化。填鴨式的課堂講授，學生容易走神困倦，教學模式不夠豐富，不利于提高教學成效。

（4）實驗實踐環節薄弱，理論與實踐脫節。我院機器人學課程的實踐課程學時安排過少，理論內容不能充分地得到加強鍛煉，且實驗設備數量有限，不能滿足學生使用需求。此外，還存在校企交流不夠深入的問題，我校位于蕪湖市機器人產業園區，在人才就業方面具有巨大優勢，應將人才培養與企業需求結合起來，真正做到理論聯系實際。

（5）考核評價方式單一，難以反映學習成效。傳統的考核方式主要依據期末考試成績和平時成績，過于籠統，不能很好地反映出學生的綜合能力。期末考試時，學生只在考前根據考試重點進行突擊復習，不能反映出學生實際的掌握情況和教學成效，需要對考核評價體系進行優化。

三、新工科背景下教學改革實踐探索

結合新工科背景，針對專業培養目標制定相應的教學內容優化和教學方法改革，使學生能有效運用專業知識和工程技術原則解決機器人工程領域復雜工程問題，能從事機器人工程及相關領域的設計制造、技術開發、工程應用等相關工作。具體改革內容如下：

（1）優化理論教學內容。根據新工科專業人才培養需求，在經典教材的基礎上對課程內容進行優化，對知識點有側重地進行講解。第一章緒論加入國內外機器人最新前沿相關的研究，讓學生接觸到最新的前言技術。第二章介紹機器人機構，結合企業導師的實戰經驗，分析國內機器人頭部企業產品的設計結構和設計方法，讓學生對機器人結構的設計更加具備工程化的特點，同時，講解機構原理啟發他們思考機器人的創新設計。第三章和第四章講述機器人位姿的數學描述與坐標變換、機器人運動學，理論部分借助三維建模軟件或者動畫輔助講解，使得坐標系的建立和DH參數可視化，易于學生理解。正運動學建模以學院實驗室中使用的埃夫特機器人為例進行講解，使學生更加熟悉實驗室設備。逆運動學建模讓學生了解逆運動學的推導原理和方法即可。第五章、第六章、第七章內容為機器人靜力學、動力學和運動規劃，采用簡單的平面串聯機構為示例，讓學生理解相關概念和計算步驟，特別是動力學部分，著重講解拉格朗日法和歐拉法這兩個經典方法。第八章介紹機器人控制的相關理論知識，以平面串聯機構為例，讓學生學會動力學計算方法，逐漸將相關理論擴展到工業機器人，講解過程中充分借助Matlab、Solidworks和Adams等軟件進行計算和仿真，幫助學生深入理解理論內容。通過課程內容的優化，學生可以了解機器人前沿技術，熟練掌握工業機器人機構設計、運動學分析、控制系統設計等理論知識，培養他們運用所學知識解決機器人領域的相關問題的能力。

（2）合理安排課程學時。總學時增加到48學時，其中，理論學時為40學時，課內實驗學時為8學時。理論學時安排4學時學習機器人學的認知，介紹機器人的定義及發展簡介、機器人的專業術語及分類和機器人的主要研究方向和相關科普。機器人機構和數學基礎安排4學時，介紹機器人機構的基礎知識及分類、機器人機構簡圖的畫法、典型機器人機構和機器人學數學基礎的介紹。機器人運動學安排12學時，包括機器人運動方程的表示、機器人連桿DH參數及其坐標變換、機器人運動學分析案例、機器人逆運動學和雅可比矩陣速度分析。機器人靜力學設定6學時，包括機械臂連桿受力與關節平衡驅動力計算、靜力平衡方程與靜力映射分析、靜力學的逆問題和力與力矩的坐標變換。機器人動力學分析設定4學時，包括拉格朗日動力學法和牛頓歐拉動力學法。機器人軌跡規劃設定4學時，學習機器人路徑規劃和機器人軌跡規劃。機器人控制設定6學時，介紹操作臂的線性控制、非線性控制和操作臂的力控制，讓學生在修完自動控制原理或現代控制理論課程之后初步了解機器人的控制。課內實驗包括Matlab仿真編程實驗4學時和機械臂離線編程實驗4學時。Matlab仿真編程實驗讓學生建立機器人模型并驗證其正逆運動學方程以及機器人的軌跡規劃。機械臂離線編程實驗在實驗室中對機械臂進行編程操作，包括碼垛、標定、機器人軌跡示教編程和離線寫字編程、離線打磨軌跡生成等，強化學生對理論知識的理解，鍛煉學生對機器人的操作、應用和編程能力。

（3）改進教學方法和教學模式。教師采用多環節和多種方式教學，包括：課程講授、課堂討論、復習總結、專題報告等。用多媒體演示若干機器人的照片和錄像，讓學生對機器人有一個概括的了解。講授機器人機構、運動學、動力學等內容時，通過圖形視頻輔助說明講課內容。但是，機器人學是一門綜合性較強的學科，很多內容僅靠理論講解學生不容易接受，因此，可以采用案例式教學方法幫助學生深入理解課題講授的知識。比如講完機器人機構、運動學建模的章節，讓學生使用Solidworks對簡單的機器人模型進行建模并嘗試結構創新，運用Matlab軟件的Roboticstoolbox工具箱進行運動仿真驗證。講解動力學章節時，讓學生在之前建立的三維模型和運動學模型基礎上推導動力學模型，然后運用Adams軟件進行動力學仿真。講解機器人控制章節時，讓學生使用Matlab軟件的Simulink對先前建立的三維模型進行控制仿真。案例式仿真實驗使學生在學習理論知識后及時獲得結果反饋，提高了學生的學習興趣，培養了學生的實踐能力和創新意識。

采用線下線上混合式教學模式，如雨課堂可以將直接授課從集體性的學習空間中轉移至個體性的學習空間，形成一種交互性的動態的學習空間，使學生在面對面授課中收獲更為豐富、更具價值的學習體驗。翻轉課堂可以提高學生的學習興趣、自主性和參與度。多樣化的教學模式旨在啟發學生如何發現問題，如何解決問題，鼓勵學生提出新思想，培養創新意識。

（4）強化實踐實驗環節。將軟件仿真結果用機器人實驗設備進行驗證，訓練學生機器人實操應用能力；設計實驗內容，讓學生進行機器人編程、運動規劃和控制實驗，鞏固課堂教學理論知識，提高學生綜合應用能力；鼓勵學生積極參加機器人操作和創新設計比賽，在比賽中理解和應用所學理論知識，以賽促學；設計基于項目式的實驗方案，將教師的項目課題、“互聯網+”或者大學生創新實踐項目等相關的內容設計成機器人學實踐實驗方案，充分與實際工程應用和創新意識培養相結合，讓學生主動參與并進行實踐實驗操作，運用所學知識和技能解決實際問題，使學生在實驗中強化對問題的分析能力，激發學生的創新性思維，培養團隊協作能力。

加強校企合作交流融合。充分利用蕪湖市國家機器人產業園這一優勢資源，積極與機器人相關企業合作。邀請企業人員來學院演講交流，從企業角度啟發學生，介紹機器人前沿技術和機器人相關的應用技術，提高學生的學習興趣，引導學生進行創新性思考；創建企業機器人班，讓有興趣的學生積極報名，深入企業基層，了解機器人從研發到整裝再到調試應用的過程，設定考核標準，對考核合格的同學頒發證書予以鼓勵，表現特別優秀的學生可以和企業簽訂合同，畢業后直接進入企業工作；教師申請產學研項目，利用產學結合式培養方法，將課內課外實踐及實驗課程與項目結合起來；聯合企業共建教學資源，深化產教融合，搭建機器人教學實驗設備，產學研聯合開發與應用；引入企業導師制，特聘企業優秀人才加入機器人學課程教學和學生培養當中，實現實際應用指導理論教學。

（5）完善考評體系。一般考核方式中，期末考試成績占60%，平時成績占40%，由于過于籠統，不能很好地反映出學生的綜合能力。結合以上教學內容、教學方式的改革情況，對考核方式進行完善，將實踐實驗等過程充分納入考核，合理劃分期末考試、平時成績、企業研學、創新競賽和實驗的占比，如期末考試成績占50%，平時成績占10%，項目式實驗占20%，企業研學、創新競賽各占10%。期末考試主要考查學生理論知識點掌握情況，平時成績考查學生的學習態度、出勤等情況，項目式實驗、企業研學及創新競賽考查學生的創新能力和實踐應用能力。通過多種形式的考核方式，全方位多角度地考察學生的學習效果和評價學生的綜合素質，提高了學生學習興趣，教學效果取得良好成效。

結語

結合新工科背景下機器人工程專業人才培養需求，針對我校機器人學課程教學過程中遇到的問題進行了教學改革的探索與實踐，優化了教學內容，更加符合新工科人才培養需求；采用線上線下結合的教學模式和理論與仿真結合的教學方法，充分調動學生的學習興趣；調整學時安排，豐富實踐環節，加強校企交流融合，鼓勵學生積極參加競賽，提高了學生解決實際問題的能力和創新意識；完善課程考評方式，考察了學生的綜合素質。通過教學改革提高了機器人工程專業學生的機器人學課程的教學質量和學習成效，為培養符合行業需求的新工科人才奠定了基礎。

參考文獻：

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［2］周開發，曾玉珍.新工科的核心能力與教學模式探索［J］.重慶高教研究，2017，5（03）：2235.

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［4］陳德潮.大數據背景下機器人學課程的教學改革研究［J］.科技風，2020（05）：56.

［5］JohnJ.Craig.機器人學導論（第三版）［M］.北京：機械工業出版社，2014.

［6］MarkW.Spong，SethHutchinson，M.Vidyasagar.機器人建模和控制［M］.北京：機械工業出版社，2019.

基金項目：安徽省級本科質量工程項目（項目編號：2021jyxm0120；2021fwxxcy006）；安徽工程大學校級本科教學質量提升計劃項目（項目編號：2022xxkk03；2021szyzk69；2023jyxm86；2023szyzk60）；安徽工程大學引進人才科研啟動基金項目（項目編號：2021YQQ025）；2022年安徽工程大學校級質量工程課程建設類項目課程思政優質課“機器人工程專業前沿”

作者簡介：姚輝晶（1990—），女，漢族，江蘇徐州人，博士，講師，研究方向：機器人機構學；江本赤（1979—），男，漢族，安徽金寨縣人，博士，副教授，安徽工程大學人工智能學院副院長，研究方向：機器人技術與智能制造系統；劉玉飛（1988—），男，漢族，安徽利辛人，博士，副教授，安徽工程大學人工智能學院副院長，研究方向：機器人技術及應用。