“新工科”背景下机器人学课程教学改革与探索
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作者:王晶 薛光辉
摘 要：“机器人学”是机器人工程专业的核心课程。它的教学质量和效果直接关系着学生专业基础的掌握和技术创新能力的培养。本文结合我校“新工科”专业建设背景，分析传统课程教学中存在的突出问题，提出实践性较强的课程改革方案，从而为新工科背景下的人才培养探索途径，进一步的提高教学质量。
关键词：机器人学 机器人工程 教学改革
中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2020）03（b）-0180-02
机器人工程是“新工科”背景下建立的以培养机器人产业、智能制造等领域创新创业型人才为目标的多学科综合专业[1]。我校于2019年开设机器人工程专业，汇集了机械工程、测控技术与仪器、计算机科学技术等多个优势学科，旨在建立多层次、多学科融合的机器人工程人才培养模式。机器人学课程作为机器人工程专业的专业核心课程，计划在大三上半学年开设，是一门综合运动学、动力学、传感器技术、控制理论等多项基础理论的综合课程，是学生的未来进行科学研究与工程实践的基础课程。在“新工科”的背景下，需要克服以往课程体系存在的形式单一、结构老化等诸多问题[2]。
本文结合现有机器人相关理论课程（“机器人学导论”，“机器人技术基础”）的课堂授课经验，综合理论型教学与实验型教学课程的特点，分析教学中存在的问题以及学生特点，提出新的培养模式下“机器人学”课程的教学改革方案，探索增强实践思想的课程环节，使学生在充分理解理论基础的同时能够灵活运用所学知识解决实际问题。
1 课程特点分析
1.1 “机器人学导论”课程分析
“机器人学导论”课程是面向大四学年测控技术与仪器、机械工程专业本科生开设的导论形式的专业选修课程，开设学时为32学时的理论授课。涉及内容包括绪论（4学时）、传感器（4学时）、驱动器（2学时）、位姿变换（4学时）、运动学（2学时）、静力学（2学时）、动力学（4学时）、控制技术（4学时）、轨迹规划（4学时）、机器人计算机（2学时）等相关基础知识，在学时分布上可以看出，对于相应的运动学、动力学等内容并未作较深入的讲解。同时，在授课的过程中发现，大四学年的学生对于上述内容的理解存在一定的困难，分析原因为：相关内容的基础课程一般在大一及大二年级就已结束，学生对于新知识的接受和理解需要较长时间的巩固和预习周期，而对于大四学年的学生往往在时间上无法分配过多精力。因此，对于理论性以及基础延申性较强的授课内容不建议在大四专业开设。
1.2 “机器人技术基础”课程分析
结合前期授课过程中存在的问题，我们在16级的培养大纲中对于大四学年的机器人技术相关课程作出了调整，将“机器人技术基础”课作为专业必修课程，开设学时为32学时，其中理论环节16学时、实验环节16学时。授课内容结合移动机器人设计大赛，重点讲述传感器技术、移动机器人定位技术、控制技术以及机械设计等内容。在实践环节，使用移动平台机器人，培养学生从移动机器人机械结构设计、电气设备选型、控制方案以及程序軟件编写全流程化的实践能力，提高了学生的学习兴趣，同时，加深了软硬件知识的理解。但课程的设置弱化了机器人设计中的位姿理论、运动学、动力学等基础知识，不适用于机器人工程专业的教学。
1.3 “机器人学”课程分析
“机器人学”课程是我校针对19级机器人工程专业教学大纲开设的专业必修课，与以往非机器人工程专业的教学不同，既要加深理论基础的讲解，又需要保证学生对于新知识的理解和接受的程度。对于本专业“机器人学”课程的教学内容，涵盖了机械原理、控制理论、电工电子技术、通信工程、计算机等多门学科[3-4]，理论环节需要从以往导论课中侧重机械学基础理论的授课内容中有所转变，增加电工电子、控制理论以及计算机技术等内容的授课环节，以保证内容的全面性。因此，综合以往课程教学经验，开设在大三上半学年较为合适，在理论教学的同时需要增设实验课程，以巩固学生对于理论学习的理解。
2 “机器人学”课程建设与改革思路
根据前面对于课程特点的分析总结，在“新工科”背景下机器人工程专业开设“机器人学”课程，要涵盖全面的理论知识，同时在有限的课时下设置实操性较强的实验环节。因此，课程总学时设置为48学时，包括44学时理论授课以及4学时实验环节，具体课程改革思路如下。
（1）按照机器人子系统结构，搭建课程总体框架。机器人的三大子系统包括运动子系统、控制子系统和辨识子系统。子系统的构成涵盖机器人设计中的各关键技术环节。因此，将课程内容划归至各子系统中，可使学生灵活掌握所学知识。课程总体框架如图1所示。
（2）划分知识体系结构，增强基础知识的联想与贯穿。鉴于“机器人学”课程的理论综合性，在授课过程中增加知识联想环节，启发式的引导学生利用所学知识理解新的内容。如，在运动控制章节的教学上，可以以问答形式启发学生回顾控制原理的基础知识，更快地理解机器人系统控制的要素以及控制环节的设计。
（3）结合机器人大赛，增加案例式教学环节。在教学过程中，引进机器人大赛中对机器人功能设计的要求，以实例教学的形式帮助学生理解课程内容的意义及其在实践中的应用。如，在讲述动力学方程时，可对移动机器人大赛中的移动小车进行案例建模，加深学生对所学知识的运用。
（4）理论与实验环节交叉，巩固问题理解。学校建立了机器人工程实验室，配有移动平台机器人、六足机器人以及智能机器人手臂等。学生在理论学习的同时配合以下四个实验内容：①小车平台的动力学模型;②机械臂平台运动学模型;③机械臂轨迹规划;④小车的运动控制，进一步地增强学生对学习内容的理解。
3 结语
本文结合“新工科”背景下机器人工程专业的培养目标，分析和总结以往机器人相关课程的教学经验，提出了理论体系建立与实践教学相结合的“机器人学”课程建设与改革方案，在创新型实验的配合下，完善了48学时的课程体系建立，为学生未来从事专业研究以及创新创业提供扎实的基础保障。
参考文献
[1] 蔡军，郭鹏.“新工科”背景下以创新人才为培养导向的实验教学改革及实践[J].高教学刊，2019（11）：52-55.
[2] 万琴，吴迪，林国汉.“新工科”背景下的机器人工程专业教学研究[J].科技创新导报，2018（30）：132-135.
[3] 刘相权，李启光.机器人学课程教学改革的探索与实践[J]. 教育教学论坛，2018，3（10）：126-128.
[4] 战强，曹秀洁.PBL教学方法在机器人教学中的应用研究[J].中国教育信息化，2019（19）：73-76.
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