李鴻 李亞斌 王旭峰 胡燦 王龍

摘 要 機器人學(xué)課程是學(xué)校面向機械電子工程專業(yè)本科學(xué)生所開設(shè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課。了解傳統(tǒng)教學(xué)現(xiàn)狀，分析研究教學(xué)過程中存在的問題，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、考核方式等方面構(gòu)思機器人學(xué)課程建設(shè)方案及教學(xué)新方法。在機器人學(xué)課程教學(xué)中引入任務(wù)驅(qū)動教學(xué)方法，增加實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，構(gòu)建教學(xué)實驗平臺，激發(fā)學(xué)生主動學(xué)習(xí)的興趣，著重培養(yǎng)學(xué)生的實踐動手能力和創(chuàng)新思維，努力適應(yīng)新的教學(xué)方法，達到高質(zhì)量、高要求的教學(xué)目的。

關(guān)鍵詞 機器人學(xué)；教學(xué)改革；實踐教學(xué)；實驗平臺；任務(wù)驅(qū)動教學(xué)法

中圖分類號：G642.0 文獻標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2018）16-0095-03

1 引言

隨著科技的不斷進步，工業(yè)自動化和計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展，機器人生產(chǎn)技術(shù)越來越成熟，在焊接、裝配等行業(yè)獲得廣泛應(yīng)用，在旅游、社會服務(wù)、醫(yī)療等領(lǐng)域的應(yīng)用贏得極好的美譽，為人們的生活提供了極大的便利。同時，人們對機器人學(xué)也進行了深入研究。它是一門新的綜合性交叉學(xué)科，涉及科目很多，涉及知識面廣，涵蓋運動學(xué)和動力學(xué)、傳感技術(shù)、控制技術(shù)、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及應(yīng)用工程等內(nèi)容[1]。該課程的開設(shè)對學(xué)生的基礎(chǔ)知識有很高的要求，學(xué)習(xí)該課程有助于培養(yǎng)學(xué)生的綜合應(yīng)用能力和創(chuàng)新思維，也可以拓展強化機器人領(lǐng)域相關(guān)專業(yè)知識，同時對其他課程的研究具有重要的指導(dǎo)及理論支撐作用。目前，各高校、科研院所在對該課程內(nèi)容及其教學(xué)方法進行深入研究[2]。

2 教學(xué)現(xiàn)狀分析

機器人學(xué)是為塔里木大學(xué)本科機械電子工程專業(yè)開設(shè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，目前教學(xué)過程以教學(xué)大綱為指引，用傳統(tǒng)的教師灌輸式教學(xué)為學(xué)生講授課程內(nèi)容，學(xué)生課后死記硬背。事實證明，這種教學(xué)方法限制了學(xué)生的創(chuàng)新潛力，形成思維定式，未能激發(fā)出學(xué)生的敏銳思維和創(chuàng)新動力，從而影響了學(xué)生理解掌握課程的主要知識點，同時對學(xué)生的動手操作能力及創(chuàng)新技能培養(yǎng)造成一定的影響[3]。經(jīng)深入調(diào)研分析歸納，教學(xué)中發(fā)現(xiàn)一些突出問題。

學(xué)生對該課程的認(rèn)知度不高 針對機械電子工程本科生開設(shè)的機器人學(xué)課程，教學(xué)大綱要求學(xué)生熟悉機器人技術(shù)發(fā)展概況及其在生物生產(chǎn)、仿生機械、特種機器人等方面應(yīng)用的具體案例，掌握基本構(gòu)成、工作原理、動力學(xué)分析、傳感控制系統(tǒng)等基本知識[4]。但在教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對該門課程的積極性不高，認(rèn)為內(nèi)容多、難度大，不易理解，特別是對運動學(xué)中矩陣的變換，運動學(xué)、動力學(xué)等理論的推導(dǎo)分析，產(chǎn)生消極態(tài)度，久而久之，導(dǎo)致失去學(xué)習(xí)的興趣。

授課形式單一 對于機器人技術(shù)的授課形式目前是教師課堂講授為主，以灌輸式教學(xué)占據(jù)主導(dǎo)地位，教學(xué)過程單調(diào)死板。如對于機器人手腕講解，教師按課本知識盡管講解很詳細(xì)，學(xué)生還是不能很好地理解機器人手腕的翻轉(zhuǎn)、俯仰、偏轉(zhuǎn)的具體位置和方向，想象不出關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)角度為360°以上是怎么樣的。這種單一的授課形式不能適應(yīng)機器人學(xué)現(xiàn)代教育教學(xué)的需要，遠遠落后于機器人技術(shù)的快速發(fā)展，結(jié)果是課堂上都是教師“一講到底”，學(xué)生擺脫不了“上課記筆記，下課對筆記，考試背筆記”的狀況。

重理論，輕實踐 機器人學(xué)課程教學(xué)為32學(xué)時，全部為理論教學(xué)，缺少實踐教學(xué)環(huán)節(jié)和典型機器人應(yīng)用案例。這就容易導(dǎo)致學(xué)生只注重理論知識，忽略了實踐能力的培養(yǎng)和鍛煉，只掌握了表層意思，而沒有理解課程的精髓。

3 教學(xué)改革思路

通過大量調(diào)研分析，對機器人學(xué)教學(xué)內(nèi)容及方法進行綜合改革。通過改革，調(diào)整結(jié)構(gòu)，引入目前機器人領(lǐng)域最新研究成果，建立雙向交流的教學(xué)模式，改革傳統(tǒng)教學(xué)方式，增加現(xiàn)場、課堂分組討論教學(xué)環(huán)節(jié)，鞏固基礎(chǔ)理論知識，注重實踐教學(xué)，強化實踐鍛煉，提高學(xué)生對知識的綜合應(yīng)用能力，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)潛力和創(chuàng)新思維。

激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣 “興趣是最好的老師?！眱H課堂上單一地講授理論知識是不夠的，教師應(yīng)注重加強與學(xué)生的互動，啟發(fā)學(xué)生思維，引導(dǎo)學(xué)生主動思考、學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生自主思維能力；上好第一堂課至關(guān)重要，在第一堂課中，教師應(yīng)給學(xué)生講解先進的、最新的機器人應(yīng)用案例，結(jié)合相關(guān)機器人視頻，介紹今后機器人行業(yè)及領(lǐng)域的發(fā)展前景，讓學(xué)生感受現(xiàn)代科技發(fā)展的魅力，大力培養(yǎng)學(xué)生對機器人課程的學(xué)習(xí)興趣。

豐富教學(xué)手段

1）理論與實際相結(jié)合教學(xué)法。在講授理論知識的同時，一定要與實際相結(jié)合，列舉機器人在實際生活中的具體應(yīng)用。這種教學(xué)方法使學(xué)生在理解的同時達到掌握知識的目的，而不是死記硬背；并且有利于開闊學(xué)生的眼界，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)散思維能力與創(chuàng)新意識，使其綜合素養(yǎng)不斷提升。具體可以采用以下措施。

①采用實物模型輔助教學(xué)。尤其是機械部分，大部分學(xué)生立體想象能力較為薄弱，在課堂上用實物模型講解，讓學(xué)生實際動手操作，幫助學(xué)生更好地理解機器人各機械部分的工作原理。

②采用PPT及視頻教學(xué)[5]。將重點、難點內(nèi)容在PPT中以圖文并茂的形式展現(xiàn)在學(xué)生面前，提出問題讓學(xué)生討論解答，啟發(fā)思考，使學(xué)生參與其中；再結(jié)合視頻教學(xué)加深理解知識點，并對所學(xué)知識加以鞏固，使學(xué)生理解得更加透徹。

2）任務(wù)驅(qū)動教學(xué)法。任務(wù)驅(qū)動教學(xué)法是一種先進的教學(xué)方法，以理論功底扎實為前提，結(jié)合學(xué)生的學(xué)習(xí)活動及任務(wù)，以探索問題為契機，引導(dǎo)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，模擬真實的教學(xué)環(huán)境，讓學(xué)生帶著真實的任務(wù)去學(xué)習(xí)，掌握學(xué)習(xí)的主動權(quán)。將任務(wù)驅(qū)動教學(xué)法引入機器人學(xué)課程教學(xué)，與教學(xué)內(nèi)容更加契合。將整個班級分成幾個小組，每個小組內(nèi)部根據(jù)具體的任務(wù)來分工，教師現(xiàn)場宏觀指導(dǎo)，幫助學(xué)生明確方向，選擇適合自己的研究課題，具體設(shè)計研究過程由小組內(nèi)部獨立完成。小組內(nèi)學(xué)生通過觀察教師演示并初步分析程序后，進行討論和嘗試，親自動手進行操作，發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，既能培養(yǎng)獨立思考的能力，也能體現(xiàn)出自己的真正價值[6]。

以機械手的操作為例，在設(shè)計與實施任務(wù)時，教師應(yīng)把機械手多個學(xué)習(xí)模塊分解為抓取、握持、向上運動、向左旋轉(zhuǎn)、向右旋轉(zhuǎn)、釋放等一個個可以完成的“任務(wù)”。通過開展任務(wù)分工教學(xué)，學(xué)生完成指定的任務(wù)，可以用所學(xué)到的知識技能解決實際問題。教師要對整個教學(xué)過程進行評價，對學(xué)生有創(chuàng)意的想法給予肯定，引導(dǎo)學(xué)生進行自我評價，找出自己的缺點和不足，鼓勵小組內(nèi)成員進行互評，積極聽取同伴的意見和建議。通過分析研究，任務(wù)驅(qū)動教學(xué)法適合于機器人課程教學(xué)，既能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情，也能提高學(xué)生的合作學(xué)習(xí)能力，同時可以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和探索精神[7]。

3）強化實踐教學(xué)環(huán)節(jié)。實踐教學(xué)環(huán)節(jié)是對課堂教學(xué)的深化與補充，學(xué)生現(xiàn)場通過觀看教師演示操作，或者自己實際動手操作，可以加深對所學(xué)基本概念、工作原理及具體工作過程的理解，是機器人學(xué)教學(xué)環(huán)節(jié)中必不可少的部分。實踐教學(xué)的內(nèi)容包括機器人典型的機械結(jié)構(gòu)、機器人行走機構(gòu)、坐標(biāo)形式、物料運送過程、制造業(yè)、控制系統(tǒng)等，這些內(nèi)容都需要通過實驗平臺來實現(xiàn)，因此，改善實驗教學(xué)條件，建立機器人基礎(chǔ)實驗室至關(guān)重要。

可通過將實踐教學(xué)與科研課題相結(jié)合、建立校內(nèi)實習(xí)基地等方式，更加充實實驗室設(shè)備，更新實踐教學(xué)內(nèi)容，完善實踐教學(xué)環(huán)節(jié)。學(xué)生在具體的實踐過程中會發(fā)現(xiàn)自己對機械結(jié)構(gòu)設(shè)計、控制系統(tǒng)或者程序編寫更加感興趣。教師根據(jù)學(xué)生的興趣愛好，有針對性地鼓勵學(xué)生參加機器人類大學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計、學(xué)科競賽等，通過組織學(xué)生參與創(chuàng)新實踐活動，調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維。具體實施過程中，教師將具體的任務(wù)模塊化，使學(xué)生發(fā)揮自己的特長，運用所學(xué)知識解決實際問題[8]。

考核方式多元化 機器人學(xué)是一門實踐性很強的課程，上課時間為第七學(xué)期初，考核方式為期末閉卷考試。這個時期正好為學(xué)生擇業(yè)期或考研備考期，他們沒有充沛的精力投入復(fù)習(xí)，對于一些沒有完全理解的定義、公式推導(dǎo)，強化記憶以應(yīng)付考試，效果不佳。該課程的考核應(yīng)考慮實踐環(huán)節(jié)部分，因此，改革考核方式是必然選擇。

1）平時成績、試卷考試和實踐考核結(jié)合。平時成績根據(jù)考勤、作業(yè)、上課聽講、回答問題幾個方面對學(xué)生進行考核。將這三部分分別打出成績，按規(guī)定好的比例算出最后百分制的課程考核成績，形成最后的考核成績。

2）考試或者提交機器人作品?？梢宰灾鬟x擇其中的一種考核方式。設(shè)計制作機器人作品要求學(xué)生有很好的理論基礎(chǔ)，學(xué)生需要獨立完成設(shè)計、制作的整個過程。這種方式注重培養(yǎng)學(xué)生實際動手操作的能力，提升創(chuàng)新思維，同時可以鍛煉學(xué)生在突發(fā)情況下分析、解決問題的能力。

考核還可以考慮一些其他方面，比如對參加機器人類大學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計、學(xué)科競賽等技能比賽的學(xué)生，應(yīng)附加成績以鼓勵學(xué)生的創(chuàng)新活動，進而提高學(xué)生的創(chuàng)新能力。

4 結(jié)語

本文探討分析了機器人學(xué)傳統(tǒng)教學(xué)過程中存在的弊端，結(jié)合實際，提出相應(yīng)的教學(xué)改革設(shè)想，在教學(xué)過程中采用任務(wù)驅(qū)動等教學(xué)方法，實現(xiàn)學(xué)生熟練掌握理論知識、加強實踐鍛煉、提高動手操作技能和綜合學(xué)習(xí)能力的目標(biāo)。本課程的教學(xué)改革方案已在機械電工程2018屆專業(yè)試行，從學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、學(xué)習(xí)效果來看，達到預(yù)期的目標(biāo)。

參考文獻

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