基于机器人发展和应用的机器人技术课程教学探讨

来源:用户上传      作者:

　　摘  要 通过分析机器人技术课程的主要教学内容和特点，探讨适合于机器人技术课程的教学策略和方法，为机器人技术课程的教学效果改进和教学方法研究提供新思路和新方法。
　　关键词 机器人技术;教学方法;MATLAB;Simulink
　　中图分类号：G642    文献标识码：B
　　文章编号：1671-489X（2019）04-0102-03
　　Abstract This paper analyzes the main teaching contents and characteristics of robotics courses， discusses teaching strategies and methods suitable for Robot Technology course， and provides new ideas and new methods for the improvement of teaching effects and teaching methods of Robot Technology course.
　　Key words robot technology; teaching method; MATLAB; Simulink
　　1 引言
　　机器人学是人类进入20世纪以来具有代表性的多学科交叉的边缘科学，是正在蓬勃发展的一个重要研究领域，它包括机构学、机械动力学、电子学、控制工程、传感技术、计算机科学、模式识别、人工智能、仿生学等广泛的领域。在现代工业生产、生活中，机器人已经逐渐成为人类不可或缺的重要助手，据预测2050年前后将进入机器人时代[1]。
　　因此，为了适应现代科技和社会发展对机器人技术人才的急迫需要[2]，国内外高校相继开展机器人相关课程以及机器人工程专业的建设和招生培养工作。机器人技术课程是机器人工程、机械工程、控制工程、人工智能等相关专业的一门专业主干课程，作为一门新兴课程，其教学策略和教学方法等都还存在极大不足。因此，进行机器人技术课程教学策略和方法的研究具有重要的现实意义[3-4]。
　　2 教学内容分析
　　机器人技术课程一般是国内外机器人工程、机械工程、控制工程、人工智能等相关专业的一门专业主干课程，其先修课程包括高等数学、理论力学、线性代数、机械原理和控制工程基础等，适用于机器人、机械设计及理论、机械电子工程、机械制造及其自动化、控制理论与控制工程等专业，主要讲述机器人学中应用较为广泛和成熟的基本理论和基本技术知识[5]。一般主要授课内容包括：机器人的发展历史、类型、组成等;机器人学的数学基础;机器人正向运动学;机器人逆向运动学;机器人运动规划;机器人动力学;机器人控制技术;机器人的未来发展趋势等[6]。通过本课程的学习，使学生熟悉机器人和机器人学的基本概念，初步掌握机器人系统的运动分析和控制技术的相关基础知识，了解国内外机器人学发展概况和机器人技术前沿及其发展趋势，为今后继续学习与机器人相关课程及到机电企事业单位实习或工作奠定良好基础。
　　在机器人技术课程教学内容中较为广泛地涉及了数学微分方程、三角函数、矩阵理论、虚功原理、达朗贝尔原理（D’Alembert principle）、拉格朗日方程（Lagrangeequation）、牛顿—欧拉动力学（Newton-Euler dynamics）、控制技術等理论知识，对学生在数学、力学、控制理论等方面的相关知识提出高要求，这为机器人技术课程的教学实施带来巨大挑战。
　　不难看出，机器人技术课程的教学内容大体上可以分为两大部分，即机器人的常识部分和理论知识部分。对于机器人常识部分的教学内容，可以通过图片、视频和认知性实验教学等教学方法来完成，以提高学生学习兴趣，扩展学生机器人知识视野;对于机器人理论知识部分，则应采用由浅入深的理论知识讲解、例题分析、习题练习以及重点知识讨论等方式，再结合仿真模拟动画或视频以及操作性实验教学，以促进学生主动学习的积极性，培养创新思维和训练实验技能，达到学生对教学内容的有效吸收和基础理论知识的熟练掌握[7-8]。
　　3 教学策略和方法
　　根据机器人技术课程的特点，以及《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010—2020年）》《国家中长期人才发展规划纲要（2010—2020年）》“卓越工程师教育培养计划”和《中国制造2025》实现制造强国战略目标的主旨精神，契合国家培养创新能力强、适应未来智能技术发展的工程技术人才的现实需要，本文提出机器人技术课程可采用的教学策略和方法。
　　问题启发式教学  启发式教学是一种创设问题情境，启发学生思维，培养学生学习能力的教学方法。随着科学技术的迅猛发展，未来机器人行业对职业者的问题解决能力、创新创造能力和自学习能力等都提出新要求。因此，让学生学会独立发现或探索新知识、获取新知识，比课堂中所教授的课程新知识更重要。基于问题启发式教学，以启发学生的思维为核心，通过调动学生学习的主动性和创造性，挖掘其内在潜能，使外部教育产生一种内化作用，从而提高教学的实效性。
　　基于问题启发式教学的机器人技术课程教学过程为：教师对所教授内容的知识点进行分析，提出适合启发学生获得新知识的问题;针对前述问题，教师引导学生思考、探索问题，分析问题形成的缘由和解决问题的办法，引入学生对新知识的学习;通过前述问题的分析和解决，调动学生学习新知识的渴望和主动性，逐步实现学生对教学内容的主动获得和掌握，并可培养学生解决问题技能和创新思维能力;教师进行教学反思和改进。
　　兴趣引导式教学  目前，在学生学习课程和内容日益增加的同时，厌学学生的数量以及厌学现象也在显著增加。厌学除了与所学课程的难易程度以及教师的教学方法有关外，更与学生的主观原因密不可分，即学生缺乏对所学课程的学习兴趣是引起厌学的本质原因。心理学研究认为，兴趣就是力求探究某种事物或从事某种活动的心理倾向。在科学教学中，教师如能设法激起学生的兴趣，使之产生强烈的求知欲望，学生就能以饱满的情绪投入学习，并能充分发挥主动精神，出色地完成学习任务，教学就能获得较大成功，正如“知之者不如好之者，好之者不如乐之者”。 　　在机器人技术课程教学过程中，可采取的兴趣引导式教学方式有：1）根据教学计划安排的教学时数，确定合适的教学内容、教学手段和教学技巧，增强课堂氛围和师生互动，使学生感到所学内容生动有趣和易于理解;2）利用互联网技术建立课程网站，使得师生能够共享教学大纲、课件等教学资料，方便学生灵活自主地预习、学习和复习，弥补机器人技术课程课时少、难度大、接受慢的缺点;3）紧
　　跟机器人技术发展前沿，及时更新教学内容或向学生介绍机器人研究的新成果、新应用、新趋势，激发学生的好奇心、求知欲和科研精神，使得学生想学习、爱学习、乐学习。
　　教练结合式教学  这里提出的教练结合式教学，是指把教师的课堂讲授与学生的练习相结合的一种教学方法。概括来讲，教练结合式教学可以分为两部分主要内容，即教师的教授（简称教师的教）和学生的练习（简称学生的练，可以采用课堂练习和课下练习相结合的方式开展），二者之间应该是有机结合、相辅相成的关系。
　　针对机器人技术课程的具体教学内容，教师的教主要是指进行机器人技术课程中的基本原理（如机器人学的数学基础相关部分）、分析方法（如机器人正向运动学、机器人逆向运动学、机器人运动规划和控制技术等相关部分）以及理论知识推导（如机器人动力学相关部分）等的讲解分析，引导和帮助学生深入理解所学知识;学生的练主要是指针对机器人技术课程的知识点，通过让学生实际练习（如机器人技术课程中涉及的繁杂矩阵变换计算、机器人运动规划等，可通过让学生进行简易矩阵运算或利用MATLAB软件编程练习，深化对所学知识的理解、认知;机器人技术课程中的控制技术部分，则可利用MATLAB软件中的仿真工具箱Simulink进行具体控制方法或参数的效果分析和对比验证）的方式，达到对所学知识熟练掌握和巩固的目的。
　　实验操作式教学  机器人技术课程具有鲜明的创新性、综合性、探索性和实践性等特点。所以，采用实验操作式教学方式，或在机器人技术课程教学中引入实验课时数，对学生深入理解和掌握教学内容大有裨益，对提升学生的创新思维以及动手操作能力也大有好处。
　　由于机器人技术课程的教学内容既包括常识知识部分，也包括理论知识部分，因此在设计机器人技术课程的实验操作式教学策略或实验课时，也应针对不同的教学内容采取不同的实验教学方法或方式。如中国矿业大学机器人技术课程的实验教学部分就包括机器人虚拟仿真实验、工业机器人控制实验、移动机器人建图及自主导航实验、移动机器人遥操作控制实验以及无人机控制及操作实验等内容。运用实验设备，教师可以结合具体的教学内容开展现场演示教学、机器人运动学/动力学的运动展示、机器人控制方法效果演示以及学生操作实验（让学生亲手设计、制作、调试机器人等）等，充分达到激发学生学习积极性与探索精神，強化学生对课程内容的理解和掌握，并能培养学生的创新思考能力以及实践动手操作能力。
　　科教联合式教学  有学者说科研是教学的“源头活水”，如果没有科研做支撑，大学课堂教学就会失去“灵魂”。著名科学家钱伟长指出：“教学没有科研做底蕴，就是一种没有观点的教育。”所以，对于正在蓬勃发展的机器人技术来讲，采用科教联合式教学方式尤为重要。教师通过机器人技术方面的科学研究，将会更透彻地理解教学内容，更精准地把握课程知识点，在教学过程中会更容易地做到教学内容的深入浅出、有的放矢，也能及时为课程教学内容补充新知识、新理论、新方法、新实例，这对激发学生的学习兴趣与求知欲，提高机器人技术课程的教学质量都非常有利。同时，有条件的学校或教师也可通过让学生参与机器人创新设计或科研的形式来实施部分教学内容，这对初步培养学生的科研精神和创新能力大有好处。
　　4 结语
　　针对机器人技术课程的主要教学内容和特点，探讨提高机器人技术课程教学质量的策略和方法，希望对促进国内机器人技术课程教学效果的改善和课程教改研究具有积极意义。
　　参考文献
　　[1]刘善增.少自由度并联机器人机构动力学[D].北京：科学出版社，2015.
　　[2]王玉珏.我国高校工科机器人教育发展现状及对策研究[D].兰州：兰州大学，2013.
　　[3]苏冬梅，刘洁晶.机器人课程教学的反思[J].衡水学院学报，2015，17（1）：109-111.
　　[4]王旭仁，姚叶鹏，刘丽珍，等.机器人课程建设探索和思考[J].计算机教育，2011（15）：89-91.
　　[5]克拉格.机器人学导论[M].北京：机械工业出版社，2005.
　　[6]斯庞，哈钦森，维德雅萨加.机器人建模和控制[M].贾振中，徐静，付成龙，等，译.北京：机械工业出版社，2016.
　　[7]刘善增，李艾民，冯世哲，等.增强机械类基础课程教学效果方法探讨[J].中国教育技术装备，2017（4）：83-85.
　　[8]刘善增，冯世哲，等.机械类基础课程师生共进式有效教学策略分析[J].中国教育技术装备，2017（20）：100-102.
转载注明来源:https://www.xzbu.com/9/view-14994495.htm