[摘要]機(jī)器人因其是涉及的知識(shí)面非常廣泛的綜合性系統(tǒng)而成為理工科高等院校自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)、機(jī)械以及電子等相關(guān)專業(yè)開設(shè)的一門重要的專業(yè)課程。機(jī)器人技術(shù)雖然經(jīng)過幾十年的飛速發(fā)展，仍然有相當(dāng)多的問題未能解決，因而也成為高校師生進(jìn)行科學(xué)研究和創(chuàng)新實(shí)踐的良好平臺(tái)。本文以學(xué)生能力培養(yǎng)為目標(biāo)，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法等方面對(duì)機(jī)器人教學(xué)思路進(jìn)行了探索，提出了三位一體的教學(xué)模式。實(shí)踐表明，改革后的機(jī)器人教學(xué)思路和教學(xué)方法能有效提高教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生的實(shí)踐能力。

　　[關(guān)鍵詞]教育技術(shù)論文發(fā)表,機(jī)器人學(xué),三位一體,創(chuàng)新精神,工程實(shí)踐

　　自從1920年捷克劇作家卡雷爾・凱培克在《羅薩姆的萬能機(jī)器人》中第一次提出 “機(jī)器人”(Robota，Robot)這個(gè)名詞就開啟了人類的“機(jī)器人之夢(mèng)”。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)不僅僅是重復(fù)勞動(dòng)的機(jī)器而是具有了一定的智能性甚至能自主的完成人類賦予的特定任務(wù)的智能機(jī)器。

　　機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展水平已經(jīng)成為高科技發(fā)展的代表，很多國家尤其是歐美等發(fā)達(dá)國家在高校設(shè)立專門機(jī)器人研究機(jī)構(gòu)，提供大量的資金支持機(jī)器人技術(shù)的研發(fā)并開設(shè)機(jī)器人相關(guān)的課程。我國在這方面也取得了很大的進(jìn)展，如嫦娥三號(hào)攜帶的玉兔號(hào)月球車的成功充分證明了我國機(jī)器人技術(shù)的成果。

　　一、機(jī)器人學(xué)課程的重要性

　　深空探測(cè)等重大工程的開展，將進(jìn)一步推動(dòng)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展。從另外一個(gè)角度來看，機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展對(duì)于其他行業(yè)的發(fā)展也起著非常重要的促進(jìn)作用，如自主移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)可以為汽車輔助駕駛提供解決方案。在高校已經(jīng)有相當(dāng)多的理工科專業(yè)開設(shè)機(jī)器人課程，而且機(jī)器人是多領(lǐng)域高度交叉、多學(xué)科高度融合的系統(tǒng)，它涵蓋了電子、機(jī)械、計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制、及人工智能等多學(xué)科，因而要求學(xué)生能夠綜合運(yùn)用機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)等方面知識(shí)才能更好地進(jìn)行系統(tǒng)操作和設(shè)計(jì)，因而機(jī)器人課程也是培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的良好平臺(tái) [1，2]。另外，通過機(jī)器人課程可以用較少的教育投入(包括人力、物力以及時(shí)間等)獲得較大的教育成果(主要包括學(xué)生獲得的知識(shí)、技能以及情感培養(yǎng)等)，從而得到優(yōu)化的教與學(xué)效果。

　　本文結(jié)合南京郵電大學(xué)卓越工程師培養(yǎng)計(jì)劃的大學(xué)生能力培養(yǎng)目標(biāo)，從機(jī)器人課程的教學(xué)模式出發(fā)，探索了一種結(jié)合了課堂講授、仿真模擬、實(shí)驗(yàn)操作為一體的從理論基礎(chǔ)到理論理解和驗(yàn)證再到理論指導(dǎo)實(shí)踐的三位一體的教學(xué)模式，并在南京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院的“機(jī)器人學(xué)”課程中進(jìn)行了實(shí)踐，取得了較好的成效。

　　二、機(jī)器人學(xué)教學(xué)中存在的問題

　　機(jī)器人這門課程具有高度知識(shí)交叉性和綜合性以及工程實(shí)踐性的特點(diǎn)[3]。因而在以往的教學(xué)中所采取的課堂講授法的教學(xué)方式因?yàn)橹v授方式的局限性而無法充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性、無法將抽象的數(shù)學(xué)模型具體化形象化，學(xué)生對(duì)于教學(xué)內(nèi)容理解不深入不能融會(huì)貫通，因而對(duì)于學(xué)生能力的培養(yǎng)效果不明顯[4]。存在的問題具體闡述如下：

　　1.教學(xué)內(nèi)容不能緊跟時(shí)展。

　　由于機(jī)器人技術(shù)更新快速，課程選用的教材出版周期較長，導(dǎo)致了教學(xué)內(nèi)容遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于當(dāng)前機(jī)器人領(lǐng)域的新的發(fā)展趨勢(shì)。且授課內(nèi)容大體仍然在按照教材章節(jié)的基礎(chǔ)內(nèi)容來設(shè)計(jì)，這樣使得學(xué)生在學(xué)習(xí)機(jī)器人坐標(biāo)空間和運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)模型這些理論基礎(chǔ)的時(shí)候表現(xiàn)的興趣缺乏。

　　2.教學(xué)中對(duì)學(xué)生啟發(fā)和實(shí)踐的內(nèi)容較少。

　　機(jī)器人通常作為大學(xué)生的專業(yè)課程，專業(yè)課承擔(dān)著實(shí)現(xiàn)學(xué)生能力培養(yǎng)這一目標(biāo)的重要任務(wù)，通過機(jī)器人課程的學(xué)習(xí)，要求學(xué)生能夠結(jié)合所學(xué)的知識(shí)分析問題并解決問題，因而單純的講授并不適用于這門課。

　　為了學(xué)生的培養(yǎng)質(zhì)量，真正實(shí)現(xiàn)學(xué)生能力培養(yǎng)，提高機(jī)器人教學(xué)質(zhì)量，需要針對(duì)上述問題對(duì)機(jī)器人學(xué)課程的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法進(jìn)行改革，探討新的教學(xué)方案。

　　三、改進(jìn)措施

　　針對(duì)前面分析的機(jī)器人學(xué)課程教學(xué)中存在的問題，針對(duì)南京郵電大學(xué)自動(dòng)化專業(yè)卓越工程師培養(yǎng)計(jì)劃中學(xué)生的培養(yǎng)目標(biāo)從教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法兩個(gè)方面探討三位一體的教學(xué)模式，即課堂講授、仿真模擬、實(shí)驗(yàn)操作為一體，具體內(nèi)容如下：

　　1.將當(dāng)今最典型的和最先進(jìn)的機(jī)器人系統(tǒng)與教材中的內(nèi)容相結(jié)合安排授課內(nèi)容。

　　首先，在緒論中充分展示機(jī)器人發(fā)展的歷程，以及國內(nèi)國外目前機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀，廣泛收集美國DARPA、CMU、MIT日本Honda以及國內(nèi)的中科院、清華大學(xué)、國防科技大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等知名研究機(jī)構(gòu)的最新機(jī)器人技術(shù)研究進(jìn)展并通過視頻展示給學(xué)生，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，以使學(xué)生認(rèn)識(shí)到機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的脈絡(luò)以及機(jī)器人技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域和重要性。

　　其次，在機(jī)器人學(xué)課程內(nèi)容的機(jī)器人坐標(biāo)變換、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)以及機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型部分，適當(dāng)?shù)臏p少理論公式推導(dǎo)，而是將抽象的模型具體化，增加機(jī)械手臂仿真軟件在課堂的演示內(nèi)容，通過仿真軟件在投影儀中展示機(jī)械手臂機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，將抽象的坐標(biāo)變換中的矩陣運(yùn)算轉(zhuǎn)化為機(jī)械手臂關(guān)節(jié)的具體位置參數(shù)的運(yùn)算，而且將機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型具化為機(jī)械手臂的運(yùn)動(dòng)模型，通過具體的演示過程講解和分析機(jī)械手臂各個(gè)參數(shù)之間的關(guān)系和運(yùn)算。

　　再次，在機(jī)器人傳感器部分的課堂教學(xué)中增加具體的機(jī)器人傳感器工作過程仿真內(nèi)容，如基于被動(dòng)視覺傳感器、主動(dòng)雷達(dá)傳感器等的障礙物檢測(cè)，并進(jìn)行了仿真結(jié)果的對(duì)照，通過分析這兩種信號(hào)從信號(hào)源的產(chǎn)生差異導(dǎo)致傳感器獲得的信號(hào)分別是二維平面數(shù)據(jù)和三維深度數(shù)據(jù)，進(jìn)而導(dǎo)致后續(xù)的分析方法的差異，以及檢測(cè)結(jié)果和干擾因素的差異，并在實(shí)驗(yàn)中增加了基于視覺的機(jī)器人避障的環(huán)節(jié)以及基于激光雷達(dá)的機(jī)器人避障環(huán)節(jié)，進(jìn)一步的討論傳感器的信息融合。使學(xué)生對(duì)于傳感器的工作過程包括信息獲取、信息處理等過程有了深入的認(rèn)識(shí)。

　　最后，在實(shí)驗(yàn)部分，安排了移動(dòng)機(jī)器人創(chuàng)意實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，要求學(xué)生參考飛思卡爾智能車設(shè)計(jì)跟蹤光源的移動(dòng)機(jī)器人，提供基本的機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)，以及傳感器接口，編程環(huán)境，需要學(xué)生根據(jù)自身設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)過程選擇傳感器，且在編程環(huán)境中編寫程序以獲得傳感器數(shù)據(jù)，并能最終檢測(cè)到光源位置進(jìn)行跟蹤。通過這一實(shí)驗(yàn)內(nèi)容學(xué)生能夠?qū)⑺鶎W(xué)的機(jī)器人模型以及傳感器、軟件編程、自動(dòng)控制等知識(shí)綜合運(yùn)用，提高其動(dòng)手能力和創(chuàng)新意識(shí)，并且實(shí)驗(yàn)采取小組合作的模式，能夠鍛煉學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作精神。 　　2.教學(xué)方法的改革

　　(1)案例具化法

　　在每一個(gè)主題的講授內(nèi)容中都安排了具體的案例進(jìn)行分析。安排國內(nèi)外典型的機(jī)器人如火星車、google無人駕駛汽車、ASIMO等來分析機(jī)器人系統(tǒng)配置、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、傳感器融合、控制方法等內(nèi)容。另外通過具體的仿真模擬如可以將機(jī)器人系統(tǒng)的坐標(biāo)變換、運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的融合到機(jī)械手的仿真過程中，通過具體的機(jī)械手控制實(shí)例講解和分析抽象的機(jī)器人模型。進(jìn)一步的，通過作者本人開發(fā)的機(jī)器人避障軟件在投影儀上展示程序中信息的獲取、信息的處理、對(duì)獲得的有效信息進(jìn)行判斷、識(shí)別最終作出決策過程;通過仿真軟件驗(yàn)證經(jīng)典的路徑規(guī)劃方法，A*算法是經(jīng)典的路徑規(guī)劃算法，但是僅僅通過教材中的幾幅圖片往往不能讓學(xué)生深入地理解這一算法的精髓，所以設(shè)計(jì)了A*算法軟件演示內(nèi)容，通過投影儀講軟件的掩飾過程投影到白板上，并將程序一步一步地執(zhí)行，這樣學(xué)生很容易理解這一算法的搜索計(jì)算過程。在機(jī)器人學(xué)課程中還有很多軟件可以用來分析和講解在機(jī)器人中傳感器信息的獲取以及機(jī)器人系統(tǒng)的決策等問題，這里不再一一贅述。

　　(2)啟發(fā)學(xué)生主動(dòng)參與教學(xué)

　　在一次課程結(jié)束時(shí)，針對(duì)下一次課程的內(nèi)容如典型的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方式、移動(dòng)機(jī)器人定位、移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航等設(shè)計(jì)問題，督促學(xué)生搜索這一問題相關(guān)的機(jī)器人資料，且其收集的材料可以通過投影儀展示給老師和全班同學(xué)。學(xué)生對(duì)于新興的機(jī)器人技術(shù)常常表現(xiàn)出濃厚的興趣，往往能積極的參與到老師設(shè)計(jì)的問題當(dāng)中并能針對(duì)同學(xué)收集的材料進(jìn)行討論和分析。

　　這種學(xué)生主動(dòng)參與教學(xué)的方法不僅能促進(jìn)學(xué)生資料收集的能力，而且也使得學(xué)生化被動(dòng)的接受為主動(dòng)的思考。另一方面對(duì)于同學(xué)收集的案例和提出的觀點(diǎn)，其他學(xué)生更樂于進(jìn)行交流和提出疑問。在這一探討過程中學(xué)生的創(chuàng)新思維得到了拓展，提高了其思考問題分析問題能力。

　　在實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)中也充分考慮學(xué)生自主實(shí)踐，按照工程實(shí)踐中的任務(wù)制，將學(xué)生分成4人一組。在實(shí)驗(yàn)中只規(guī)定實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)不規(guī)定實(shí)驗(yàn)的過程，這樣學(xué)生可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，通過自己的理解設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的過程，不同的組織間可能采用不同的傳感器，或者不同的算法來搭建自己的平臺(tái)，最終我們會(huì)對(duì)各組的成果進(jìn)行驗(yàn)收打分。另外，各個(gè)組所采用的硬件、軟件的差異性導(dǎo)致其成果有好有壞，這為我們?cè)O(shè)置了一個(gè)很好的討論題目――這些差異是什么原因?qū)е碌?通過這一實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ侥軌蚺囵B(yǎng)學(xué)生自主解決問題的能力和團(tuán)隊(duì)合作的精神。

　　經(jīng)過三年的時(shí)間，這種三位一體的教學(xué)模式取得了不錯(cuò)的成績，得到了學(xué)生的廣泛認(rèn)可。為南京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院培養(yǎng)了一批又一批大學(xué)畢業(yè)生，并且南京郵電大學(xué)的大學(xué)生機(jī)器人隊(duì)在國內(nèi)甚至世界的大學(xué)生機(jī)器人競(jìng)賽中都取得了不錯(cuò)的成績，尤其是在 2013Robocup機(jī)器人足球世界杯比賽中獲得3D仿真足球機(jī)器人項(xiàng)目冠軍。

　　四、結(jié)論

　　機(jī)器人學(xué)課程是南京郵電大學(xué)自動(dòng)化專業(yè)的專業(yè)課程，機(jī)器人學(xué)教學(xué)效果將直接影響著學(xué)生能力的培養(yǎng)，據(jù)卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃安排，在學(xué)生能力培養(yǎng)的要求下，機(jī)器人學(xué)教學(xué)以學(xué)生為主題，以切實(shí)提高學(xué)生的整體專業(yè)水平、工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力為目標(biāo)，以為社會(huì)培養(yǎng)全面優(yōu)秀的自動(dòng)化領(lǐng)域人才為方向，從理論基礎(chǔ)、工程實(shí)踐、創(chuàng)新思維等方面提高學(xué)生的素質(zhì)。

　　本文主要研究了提高學(xué)生能力為目標(biāo)的機(jī)器人學(xué)教學(xué)的新思路，提出并實(shí)踐了課堂講授、仿真模擬、實(shí)驗(yàn)操作為一體的三位一體的教學(xué)模式，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，使得學(xué)生能主動(dòng)的參與到教學(xué)活動(dòng)中來，并取得了一定的成果。在今后的教學(xué)過程中，一方面，我將爭取與周邊的機(jī)器人研究所合作為學(xué)生提供更多的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐機(jī)會(huì)，另一方面將更加深入研究教學(xué)方法，逐步提高自身的教學(xué)水平和能力，從而進(jìn)一步提高教學(xué)效果與質(zhì)量。

　　基金項(xiàng)目：江蘇省研究生教育教學(xué)改革研究與實(shí)踐課題(JGZZ12_038)資助

　　[參考文獻(xiàn)]

　　[1]戰(zhàn)強(qiáng)，閆彩霞，蔡堯.機(jī)器人教學(xué)改革的探索與實(shí)踐[J].現(xiàn)代教育技術(shù)，2010，20(03)：144-146.

　　[2]胡發(fā)煥，劉祚時(shí)，朱花.以機(jī)器人大賽為契機(jī)探索大學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)模式[J].中國電力教育，2013，28：59-60+62.

　　[3]戰(zhàn)強(qiáng)，王東月.《機(jī)器人學(xué)》課程教學(xué)改革探討[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)(社會(huì)科學(xué)版)，2010，23(2)：117-121.