王 劍,馬宏緒,黃茜薇,劉建平

(國防科技大學(xué)機電工程與自動化學(xué)院,湖南長沙 410073）

關(guān)于本科教育機器人教學(xué)的思考

王 劍,馬宏緒,黃茜薇,劉建平

(國防科技大學(xué)機電工程與自動化學(xué)院,湖南長沙 410073）

智能機器人在高等院校工科信息類專業(yè)教育中具有重要作用。本文首先簡要介紹了我校在機器人教學(xué)和競賽組織方面的基本情況,特別針對目前面向自動化、仿真和機械專業(yè)本科生所開設(shè)的“軍用機器人技術(shù)”課程,詳細介紹了它的教學(xué)目標、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、實驗以及考核方式。最后,我們結(jié)合教學(xué)實踐,從教學(xué)內(nèi)容、方法和實驗以及與競賽的結(jié)合等方面提出了“軍用機器人技術(shù)”的課程建設(shè)與改進的意見。

機器人教學(xué);課程建設(shè);機器人實驗;機器人競賽

0 引言

智能機器人是當今技術(shù)前沿之一,集成了生物、機械、電子、材料、能源、計算機硬件、軟件、人工智能、多媒體技術(shù)、通訊技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等眾多領(lǐng)域的尖端科技。因此,以機器人作為研究對象建設(shè)教學(xué)平臺具有很高的學(xué)術(shù)價值,有利于從系統(tǒng)角度開拓學(xué)生視野,培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素質(zhì)和團隊意識[1-3]。

國內(nèi)外許多高等院校都已開展了機器人教學(xué)工作。麻省理工學(xué)院開設(shè)了“認知機器人學(xué)”、“機器人學(xué)導(dǎo)論”、“自控機器人設(shè)計競賽”和“機器人編程競賽”等課程,分別在航空航天學(xué)、機械工程學(xué)和電氣工程與計算機科學(xué)專業(yè)中開設(shè);俄勒岡州立大學(xué)電子工程與計算機科學(xué)系分別在“電子設(shè)計概念導(dǎo)論”、“計算機原理與匯編語言”和“機械設(shè)計”等多門課程中,使用TekBots機器人作為學(xué)習(xí)平臺;北京郵電大學(xué)為本科生開設(shè)了“工業(yè)機器人技術(shù)”,相應(yīng)的實驗課為“機器人系統(tǒng)綜合性試驗”[4];浙江大學(xué)自動控制系為本科生開設(shè)了“機器人學(xué)”,在校內(nèi)組織了多種形式的機器人競賽活動,包括FIRA小型組足球機器人競賽、開放性公共目標機器人競賽。總之,國內(nèi)外高校廣泛開展了以機器人為對象的教學(xué)平臺建設(shè),開設(shè)機器人技術(shù)課程、開展本科畢業(yè)設(shè)計的機器人實踐活動以及多層次機器人競賽活動。

我校很早開設(shè)了面向研究生的“機器人控制”課程,2000年以后,為機械、自動化和仿真專業(yè)的本科生開設(shè)了“軍用機器人技術(shù)”課程,并針對相關(guān)專業(yè)的碩士和博士研究生增設(shè)了機器人設(shè)計高級專題研討。此外,我校還組織參加國內(nèi)外各種機器人競賽,包括本科生層次的CCTV機器人大賽、智能車大賽以及面向研究生的FIRA小型組、仿真組足球機器人比賽和RoboCup中型組足球機器人和救援機器人比賽等。

1 本科機器人課程情況

我校本科生“軍用機器人技術(shù)”課程安排在第6學(xué)期。通過課程內(nèi)容的合理拓展,充分挖掘?qū)W生的潛力,培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力,實現(xiàn)了學(xué)生的個性化發(fā)展。

1.1 課程開設(shè)目標

“軍用機器人技術(shù)”課程開設(shè)的目標主要有以下三個方面:①使學(xué)生了解機器人技術(shù)的基本發(fā)展歷程及其綜合性特點;②突出軍事特色,使學(xué)生了解軍用機器人目前的發(fā)展現(xiàn)狀與基本技術(shù)水平;③使學(xué)生掌握軍用機器人原理和關(guān)鍵技術(shù)。

1.2 教學(xué)內(nèi)容與基本教學(xué)方法

“軍用機器人技術(shù)”課程的內(nèi)容包含五大部分:①機器人的基本概念、分類方法與發(fā)展歷程;②軍用機器人的分類及戰(zhàn)場作用與使用特點;③以典型軍用機器人系統(tǒng)為例,介紹機器人系統(tǒng)原理與建模方法;④軍用機器人感知技術(shù);⑤機器人控制技術(shù)。

第①和第②部分主要用于幫助學(xué)生建立機器人的基本概念。課程的重點內(nèi)容在第③至第⑤部分,是學(xué)生進行機器人系統(tǒng)分析、設(shè)計和應(yīng)用的基礎(chǔ)[5]。

教學(xué)方法上,一方面要能反映當前軍用機器人技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢,結(jié)合動畫和錄像的演示,增強教學(xué)的時效性;另一方面突出基本概念,特別是機器人系統(tǒng)的概念,幫助學(xué)生真正理解機器人技術(shù)。

1.3 實驗與考核

“軍用機器人技術(shù)”課程目前只有演示性實驗,尚無學(xué)生動手參與的專項實驗和設(shè)計性實驗。后續(xù)教學(xué)計劃中,已經(jīng)對部分教學(xué)內(nèi)容進行調(diào)整,增加相應(yīng)的專項實驗,而設(shè)計性的實驗則主要通過相應(yīng)的機器人競賽逐步開展,如央視機器人大賽和智能車大賽等。

“軍用機器人技術(shù)”課程在考核方式上,主要考察學(xué)生自主學(xué)習(xí)和積極思考的能力。因此,筆者在實際的教學(xué)過程中,采用了學(xué)生組隊自主選題進行系統(tǒng)設(shè)計和機器人相關(guān)技術(shù)探討并撰寫論文的方式。我們按照自愿報名的原則,用2學(xué)時左右的時間,讓部分學(xué)生上講臺宣讀其研究成果或者探討問題,然后大家一起提問討論。對學(xué)生經(jīng)過調(diào)研、分析和設(shè)計所形成的論文進行綜合評審。實踐表明,這一教學(xué)形式能夠較好地調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性,培養(yǎng)其主動學(xué)習(xí)的能力。

2 課程建設(shè)與改進的思考

2.1 教學(xué)內(nèi)容的更新

從工科本科生的培養(yǎng)目標來看,機器人課程的教學(xué)內(nèi)容應(yīng)圍繞機器人系統(tǒng)進行增補和刪減,明確哪些內(nèi)容是本科階段需要掌握的,哪些內(nèi)容可以留待研究生階段進一步深入學(xué)習(xí)。

例如,在機器人建模方法中,不必深究動力學(xué)建模和逆運動學(xué)計算方法等,而宜將重點放在前向運動學(xué)原理與計算中。當學(xué)生應(yīng)用這些知識進行典型機器人的規(guī)劃與控制實驗時,自然會聯(lián)想到逆運動學(xué)問題;當進行高速運動控制實驗時,學(xué)生會通過實驗現(xiàn)象認識到動力學(xué)特性對于控制的影響。

另外,在傳感器原理講述中,應(yīng)側(cè)重于目前機器人系統(tǒng)中應(yīng)用較多的一些傳感器,如測速碼盤、測角位置用的電位計和局部定位的激光測距儀等,而應(yīng)用較少的傳感器,如測速發(fā)電機等內(nèi)容可以刪減。同時,每一學(xué)期都應(yīng)對各種類型的傳感器案例進行整理,補新刪舊,這有利于學(xué)生獲取最新的知識和信息,這對于后續(xù)的傳感器選型和系統(tǒng)設(shè)計等都是至關(guān)重要的。

2.2 機器人技術(shù)的實驗教學(xué)

(1)增加機器人的專項實驗

專項實驗主要包括虛擬仿真實驗和實際系統(tǒng)的專項實驗。如針對運動學(xué)問題的典型機器人系統(tǒng)的規(guī)劃控制實驗和針對傳感器基本原理的機器人單關(guān)節(jié)控制實驗或雙輪差速小車速度伺服實驗。

(2)開設(shè)開放性的機器人實驗

我們結(jié)合了某幾類競賽的系統(tǒng)設(shè)計,作為主要的實驗內(nèi)容。隨著實驗的逐步開展,也可以設(shè)定某幾類共同的設(shè)計目標。在控制技術(shù)實驗室里,我們面向?qū)W生開設(shè)開放性實驗項目。學(xué)生首先提交相關(guān)的設(shè)計論證報告,指導(dǎo)教師給出相應(yīng)的意見。在設(shè)計論證報告通過后,實驗室將提供一定的技術(shù)支持,在元器件和加工制作上給與經(jīng)費支持,最終指導(dǎo)學(xué)生完成相應(yīng)的系統(tǒng)設(shè)計與制作,實現(xiàn)其預(yù)期功能。

2.3 實驗指導(dǎo)老師的培訓(xùn)

由于機器人系統(tǒng)本身的特殊性和綜合性,實驗指導(dǎo)和管理的難度比較大,對實驗指導(dǎo)教師的能力有較高的要求。因此,需要加強實驗指導(dǎo)教師的相關(guān)知識與技能培訓(xùn),使他們具有自己獨特的專長,如機構(gòu)設(shè)計與故障診斷排除、電路設(shè)計和系統(tǒng)設(shè)計等方面的專長。

2.4 加強課程教學(xué)與競賽的結(jié)合

從本科機器人教學(xué)的目標來看,使學(xué)生掌握機器人技術(shù)基本原理,并應(yīng)用于系統(tǒng)設(shè)計以完成某些功能最為重要。而機器人競賽可以展現(xiàn)學(xué)生這些能力,要求學(xué)生在明確目標和規(guī)則下完成指定的系統(tǒng)分析、設(shè)計任務(wù)與功能實現(xiàn)。

例如,筆者在講授傳感器原理部分時,結(jié)合智能車速度控制精度與光電碼盤的選型這一競賽中的具體問題展開,發(fā)現(xiàn)學(xué)生很快就能理解碼盤工作的基本原理,證明這是一個可供參考的、直觀的案例,既有利于教學(xué)任務(wù)的實施,又有利于今后競賽的開展。

3 結(jié)語

本文從機器人教學(xué)的重要性出發(fā),簡單介紹了我校機器人教學(xué)開展的基本情況,具體分析了我校本科機器人技術(shù)課程的現(xiàn)狀和特點,結(jié)合筆者自身的實踐經(jīng)驗,提出了本科機器人課程建設(shè)與改進的幾點意見。其中部分意見已在教學(xué)活動中得到體現(xiàn),取得了良好的效果。筆者期望在今后的機器人教學(xué)實踐活動中,能夠利用各種有利條件和資源,積極創(chuàng)新,為我校機器人教學(xué)獲取更大的成績。

[1] 萬佑紅,蔣國平.機器人教育與大學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的探索[J].南京:電氣電子教學(xué)學(xué)報,27(4):6-9

[2] 陸承景.對機器人學(xué)科教學(xué)目標和內(nèi)容的實踐與思考[J].北京:中國電化教育,27(12):72-73

[3] 吳獻鋼.智能機器人創(chuàng)新實驗的實踐與改革[J].成都:實驗科學(xué)與技術(shù),6(5):102-103,121

[4] 魏世民.北京郵電大學(xué)機器人教學(xué)與競賽實踐[J].北京:機器人技術(shù)與應(yīng)用,21(5):31-33

[5] 白井良明(日)編著,王棣棠譯.機器人工程[M].北京:科學(xué)出版社.2006

Study on Robotics Teaching for Undergraduates Education

WANG Jian,MA Hong-xu,HUANG Qian-wei,LIU Jian-ping

(Co llegeo f Mechtronic and Automa tion,NationalUn iversity o f De fense Techno logy,Changsha 410073,China)

Intelligent robot p lays an im portant role in modern engineering education in institute of high learning.This paper introduces robot teaching and robot competition organization in our university firstly.Then themain objective,content,teachingmethod,experiments and forms of examination of Technology of Military Robots course,w hich is set up for undergraduatesmajoring in automation,simulation and mechanical engineering,are exp lained in detail.Finally,com bined w ith personal teaching activities,several suggestions are proposed,which are related to content,teaching techniques,experimentsand combination with robot competitions.

robot teaching;construction of course;robot experiments;robot competition

TP242

A

1008-0686(2011)02-0019-03

2010-07-21;

2010-11-28

王 劍(1978-),男,博士,講師,主要從事機器人技術(shù)、非線性系統(tǒng)控制等教學(xué)科研工作,E-mail:jianw ang12@nudt.edu.cn

馬宏緒(1966-),男,博士,教授,主要從事智能機器人系統(tǒng)、空中機器人、仿人機器人等相關(guān)方向的教學(xué)科研工作,

E-mail:mhx1966@163.com