以实践为导向的机器人教学改革探索

张奔

摘 要 针对我国高校机器人实践教学的不足，结合三江学院开展机器人教学现状进行分析研究，以实践为导向，提出针对机器人教学内容、方法的多层次立体的教学改革和探索。实践表明，改革后的教学内容和方法能有效提升学生的工程能力和创新意识，也为工科院校开展以实践教学为导向、培养创新型人才的模式进行了有效的探索与实践。

关键词 机器人教学；教学模式；实践教学；教学改革

中图分类号：TP242.2 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2017）06-0091-02

1 前言

机器人是高度整合机械、电子、计算机、材料、控制和仿生学的产物，在工业、农业、医学、军事等领域中均有重要用途，机器人学已经成为近年来各国科技发展的重要方向。因此，机器人教育已经成为高等院校相关专业的重要课程。但是由于机器人学的多学科交叉性以及较强的理论和实践性要求，只有制订一套切实符合应用型本科教学规律及要求的课程教学方案，强化实践，以应用为导向，才能真正意义上培养适合地方工业经济发展的应用型人才。

本文以三江学院机械工程学院机械电子工程专业为例，在对国内外高校机器人学科教学调研的基础上，针对本校本专业的特点，提出一些建议和改革措施，应用于近两年的教学之中，并取得较好的教学效果[1]。

2 国内外机器人教学现状

美国机器人教学现状 相对于国内而言，美国等西方国家的机器人教育起步较早，从中小学到高等教育到研究生教育的机器人教学体系较为完善。如麻省理工、卡内基·梅隆、斯坦福、伯克利等著名美国高校均针对不同对象开设了机器人课程。其机器人教学具有以下特点[2]。

1）课程设置灵活。美国高校中的机器人课程设置相对比较灵活，针对不同专业课程种类较多，如麻省理工学院就开设了机器人学、机器人导论、自控机器人设计竞赛、机器人编程竞赛等不同的课程。这些课程的针对方向和对象都不同，教学体系安排、考核方法也有所不同。

2）课程设置交叉性强。美国高校中机器人课程设置对学生知识领域的要求较高，这和美国完善的机器人乃至科技教学体系有关。许多高校的机器人课程对学生有很多先修课程要求，而且在导论性课程以后还有相关深入性课程供学生进行选修。以麻省理工为例，机器人导论课程需要先修动力学建模与控制课程，而机器人编程课程要求先修Java编程基础。

3）以项目为导向，实践性强。美国高校的机器人教學，尤其是科研实力较强的高校，往往以其最新的科研成果为载体，力图让学生参与到科研和实践当中，在实践和动手过程中学习。另外，很多课程的考核方式也是以团队项目来代替传统意义的理论考试。

国内机器人教学现状 国内高校在最近几年也都在相关专业的高年级或者硕士研究生阶段开设了机器人相关课程。课程设置相对国外还比较单一，基本以机器人导论性课程为主。课程中理论环节比重较大，实践环节较少，很多高校实践课程为零。

三江学院针对机械电子工程专业在第七学期开设机器人技术及其应用这门课程，其教学环节及过程还存在很多不足。

1）重理论轻实践。大量的教学时间花费在机器人机构学和控制策略的讲述上，而实践动手机会很少，学生大多兴趣不高，接受程度也较差。

2）教学内容较为陈旧。机器人学科发展日新月异，而机器人课程教学还是以传统经典教材为主，教学内容落后，并不能跟上时代要求，导致学生学而无用，校园学习和工作实践相脱节。

3 改革措施及效果

针对三江学院机器人技术及其应用课程存在的问题和不足，以实践为导向，提出一系列课程体系改革的方法和方向。

将机器人与其他相关课程教学相结合 机器人学本身是一门多学科交叉性学科。就三江学院机械电子工程专业而言，在进行机器人课程教学之前，学生已经先修过机械设计、理论力学、C语言、单片机等相关课程，但教学中并没有以机器人为对象进行过研究。

在机械电子工程专业学生的相关先修课程教学中，试图以机器人为本体，在教学中对机器人的相关知识做到简单介绍；另外在相关课程的课程设计中，如单片机课程设计中，将机器人控制系统作为设计内容，两门课或多门课相结合进行学习，效果事半功倍。

注重实践，提倡学生创新性培养 实践教学一直是工科高校尤其是应用型本科院校的重要教学手段。机器人学也是一门典型的实践教学课程，除了在有限的理论教学时间内，要求学生掌握机器人机构学、运动学、控制学、人工智能等各个方面的知识以外，还以实践为导向，引导学生动手去分析和解决问题，这对学生对知识的理解和掌握更为重要[3]。

结合机械工程学院机器人综合实验室，借助各种机器人开发平台，组装机器人，编写、调试机器人程序，让更多的学生在更多的教学环节进入实验室中。具体措施如下所示。

1）完善实验室建设，增大实践教学比重。机器人课程实践从零开始，其比重逐年增大，实验室已经可以针对不同的教学内容开设16个课时的针对性课内实验。

2）以比赛促学习，调动学生学习积极性。组织学生参加各种机器人比赛，在实践课程中就引入课内竞赛的机制，一方面对实践教学进行补充，另一方面对学生进行选拔，进而为师生构建科研团队、构建创新性培养平台提供有利基础。近年来，实验室在多项全省机器人竞赛中获得优异的成绩。

3）改革课程考核体系，提高实践比重。以往的机器人课程考核多数以理论考试为主，学生往往以此忽略实践环节。现在采用理论考核+实验考核+综合作业的方式进行全面考查，而且其比重为5：2：3。尤其是在理论课程开始就下发综合作业，要求学生以任务为导向，在理论课学习过程中，利用所学知识及时解决实际问题。将机器人理论教学与实践教学相结合，并对课程内容进行延展，充分调动学生学习的积极性和课下自学的能力。改变以往实践教学中标准化、程序化的弊端，使学生不受教材和结论的约束，完全做到自主性学习和研究，培养学生的创新能力、动手能力和跨专业综合应用能力[4]。

开展校企合作，深化学生能力培养 随着中国工业向工业4.0转型，机器人成为工业4.0生态系统中的重要一环，尤其是近年来，由于人力成本的增高和计算机等相关行业的发展，机器人工业发展日益蓬勃。

因此，企业对机器人方面的人才需求也相应增加。通过对西门子、埃斯顿等相关机器人企业的调研，发现企业对毕业生的知识技术要求和传统的机器人教学知识储备存在较大的出入。造成以上矛盾的主要原因是传统的机器人教学以理论教学为主，着重于对机器人运动学、动力学及控制学等相关学科的简单堆砌，而缺乏以机器人为对象的实践应用型教学。

通过和企业进行理论教学+实验室共建+工厂实习+毕业实习+就业的多层次合作，吸收企业灵活、应用性强、知识技术更新快等优势，增强机器人教学的实践导向性，使学生更直观和深入地认识机器人，掌握机器人应用的相关知识。具体措施包括[5]：

1）学习相关企业对于机器人领域岗前培训的内容，了解企业需求，并尽可能地把企业需要的知识糅合到机器人理论教学之中；

2）和企业进行机器人实验室共建，请企业工程师加入到实践教学环节中，帮助学生提高实践动手能力；

3）组织学生进行工厂参观实习和毕业实习，让毕业生在进行毕业实习的同时，以工程项目为背景，进行毕业设计。

4 总結与展望

通过以实践教学为导向的机器人教学改革，加强学生对知识的掌握，提高教学质量，增强学生的动手能力和就业竞争力。通过在三江学院机械电子工程专业的教学实践反馈来看，机器人教学改革受到学生、教师和用人单位的一致好评。如何通过以机器人教学为载体，进一步强调实践教学重要性，通过实践教学和理论教学相结合，激发学生的创新能力和协作能力，是进一步进行机器人教学改革和发展的方向。

参考文献

[1]李彦林，郭建新，胡蓉，等.工程训练课程体系中机器人模块教学改革[J].实验科学与技术，2010，8（5）：132-134.

[2]张存鹰，尹飞凰.关于高职院校实现机器人教学的探索与实践[J].价值工程，2011，30（12）：198.

[3]杨维，吕栋腾，吴德君，等.高职《机器人制作与编程》课程教学改革与实践[J].产业与科技论坛，2014（17）：207-208.

[4]战强，闫彩霞，蔡尧，等.机器人教学改革的探索与实践[J].现代教育技术，2010，20（3）：144-146.

[5]肖静，余颖，张道海，等.立足机器人竞赛促进创新训练与实践教学改革[J].东华理工大学学报：社会科学版，2013，32（2）：189-192.