王班 馮長(zhǎng)水 李冰茹

摘要：隨著教學(xué)改革的深入和機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，《機(jī)器人技術(shù)》課程的教學(xué)模式也需要進(jìn)一步探索和研究。本文將機(jī)器人基礎(chǔ)理論、典型機(jī)器人專題與課堂互動(dòng)分享相結(jié)合，探索適應(yīng)機(jī)械工程專業(yè)的一種教學(xué)新模式。在學(xué)生掌握機(jī)器人基本理論與發(fā)展前沿的同時(shí)，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣及學(xué)習(xí)能力。

關(guān)鍵詞：互動(dòng)分享；機(jī)器人技術(shù)；教學(xué)探索

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2018）24-0011-02

一、引言

隨著時(shí)代的發(fā)展與社會(huì)的進(jìn)步，機(jī)器人在人類生產(chǎn)和生活中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，機(jī)器人已經(jīng)滲透到人類社會(huì)的各個(gè)角落[1]。機(jī)器人技術(shù)涉及到機(jī)械、電氣、控制、材料、力學(xué)、計(jì)算機(jī)等多個(gè)學(xué)科，是當(dāng)今機(jī)電工程學(xué)科極為活躍的研究領(lǐng)域之一，代表了機(jī)電一體化的最高成就[2，3]。目前，許多高等院校已在本科階段開設(shè)機(jī)器人相關(guān)課程，通過相關(guān)課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生不僅掌握了機(jī)器人的基礎(chǔ)知識(shí)，還可了解到機(jī)器人領(lǐng)域的最新成果，增加對(duì)機(jī)器人的興趣?！稒C(jī)器人技術(shù)》是杭州電子科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院開設(shè)的一門32學(xué)時(shí)的專業(yè)選修課，學(xué)生通過該課程的學(xué)習(xí)，初步了解并掌握機(jī)器人技術(shù)所涉及的基本理論、基礎(chǔ)知識(shí)、工程應(yīng)用與發(fā)展，為畢業(yè)后從事機(jī)器人及機(jī)械自動(dòng)化的應(yīng)用、開發(fā)和創(chuàng)新設(shè)計(jì)工作打好基礎(chǔ)。以往，《機(jī)器人技術(shù)》課程一般采取傳統(tǒng)講授法的教學(xué)模式，而由于課程涉及學(xué)科眾多，一方面學(xué)生難以在短時(shí)間內(nèi)掌握大量的機(jī)器人基本理論，另一方面也使得學(xué)生感覺課程乏味。針對(duì)此種情況，本文秉承“輕傳授理論，重激發(fā)興趣”的理念，以培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力與學(xué)科素養(yǎng)為目標(biāo)，提出了將機(jī)器人基礎(chǔ)理論、典型機(jī)器人專題與課堂互動(dòng)分享相結(jié)合的教學(xué)模式。另外，為適應(yīng)此種教學(xué)方法，提出了“課堂互動(dòng)分享匯報(bào)+課程報(bào)告”相結(jié)合的多元化考核方式。

二、教學(xué)模式

《機(jī)器人技術(shù)》課程的教學(xué)目標(biāo)是使學(xué)生在掌握機(jī)器人機(jī)械機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)的軟、硬件結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，具有對(duì)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本能力、對(duì)機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件開發(fā)選型的技術(shù)基礎(chǔ)，了解機(jī)器人控制系統(tǒng)軟件的基本功能，在教與學(xué)過程中注重培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力、自學(xué)能力和語(yǔ)言表達(dá)能力。

1.機(jī)器人基礎(chǔ)理論教學(xué)。機(jī)器人技術(shù)涉及眾多學(xué)科，讓學(xué)生了解、掌握機(jī)器人相關(guān)的基礎(chǔ)理論是十分必要的。機(jī)器人技術(shù)是構(gòu)建機(jī)器人裝置所涉及到的機(jī)械、電氣、控制及編程等技術(shù)，具體包括機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)、機(jī)器人動(dòng)力學(xué)、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃、機(jī)器人力控制、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制、機(jī)器人智能控制、機(jī)器人視覺及機(jī)器人編程等相關(guān)理論內(nèi)容。為更好地開展課堂教學(xué)，機(jī)器人技術(shù)的先修課程有：畫法幾何與工程制圖、工程材料及熱加工、理論力學(xué)、材料力學(xué)、互換性與技術(shù)測(cè)量、機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械控制工程、電子技術(shù)基礎(chǔ)。本部分主要以教師講解為主，結(jié)合黑白板書進(jìn)行動(dòng)力學(xué)的推導(dǎo)，結(jié)合動(dòng)畫理解機(jī)器人工作原理，結(jié)合視頻了解機(jī)器人的工程應(yīng)用等。

2.典型機(jī)器人專題。分專題介紹幾類不同領(lǐng)域的機(jī)器人，主要包括工業(yè)機(jī)器人、移動(dòng)機(jī)器人、仿生機(jī)器人、微型機(jī)器人、空中機(jī)器人、空間機(jī)器人及水下機(jī)器人等。主要介紹每種典型機(jī)器人的發(fā)展歷史、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀、基本組成及應(yīng)用領(lǐng)域等，最后針對(duì)某一具體機(jī)器人進(jìn)行舉例講授。此部分同樣以老師講解為主，結(jié)合相關(guān)機(jī)器人的視頻，使學(xué)生對(duì)機(jī)器人技術(shù)有更加形象具體的認(rèn)知。

以空間機(jī)器人為例，主要內(nèi)容包括當(dāng)前空間機(jī)器人的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)、系統(tǒng)組成、應(yīng)用情況等，并結(jié)合筆者正在開展的科研項(xiàng)目，介紹了一種典型的空間機(jī)器人——空間繩網(wǎng)捕獲機(jī)器人。教學(xué)過程中，首先引出兩種常用的空間捕獲方式即剛性捕獲和柔性捕獲；分析比較了剛性與柔性捕獲兩種方案的優(yōu)缺點(diǎn)后，得到了繩網(wǎng)捕獲機(jī)器人在非合作目標(biāo)捕獲中的優(yōu)勢(shì)，如：抓捕容錯(cuò)性強(qiáng)、作業(yè)距離長(zhǎng)及飛行器間耦合作用弱等。以一種典型空間繩網(wǎng)捕獲系統(tǒng)為例講述其捕獲原理及硬件組成：發(fā)射器、柔性繩網(wǎng)、收口質(zhì)量塊、系繩收放裝置等；結(jié)合當(dāng)前研究形式，分析了目前繩網(wǎng)機(jī)器人需要深入研究的理論問題，如：非合作目標(biāo)物跟瞄與參數(shù)識(shí)別，繩網(wǎng)發(fā)射參數(shù)及網(wǎng)形保持，繩網(wǎng)包裹后的快速收口，捕獲后的繩系組合體擺動(dòng)、振動(dòng)控制，拖曳離軌過程的防纏繞等；結(jié)合筆者的科研項(xiàng)目，著重展示了繩網(wǎng)機(jī)器人捕獲目標(biāo)物后的組合體建模、擺動(dòng)控制、防沖擊控制及地面模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)等；最后對(duì)空間繩網(wǎng)捕獲機(jī)器人后續(xù)發(fā)展進(jìn)行了展望。通過教師講授上述內(nèi)容并結(jié)合動(dòng)畫、視頻等演示，使學(xué)生對(duì)空間繩網(wǎng)捕獲機(jī)器人有了更加全面的認(rèn)識(shí)，并掌握了機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般方法。

3.課堂互動(dòng)分享。分享式教學(xué)要求教師把教學(xué)活動(dòng)組織成一個(gè)在教師激勵(lì)和指導(dǎo)下學(xué)生自主學(xué)習(xí)，分享智慧和成果，分享思考和經(jīng)驗(yàn)，享受認(rèn)同與尊重，實(shí)現(xiàn)共同成長(zhǎng)的互動(dòng)過程[4]。為了提高學(xué)生的參與度和學(xué)習(xí)積極性，要求學(xué)生就與機(jī)器人相關(guān)的知識(shí)、分類或者工程應(yīng)用等進(jìn)行課堂互動(dòng)，分享PPT專題匯報(bào)，其中匯報(bào)時(shí)間為30分鐘左右，其后為學(xué)生互動(dòng)提問及教師點(diǎn)評(píng)環(huán)節(jié)。學(xué)生在資料查找、幻燈片制作及匯報(bào)過程中將會(huì)加深對(duì)機(jī)器人技術(shù)的印象，課堂匯報(bào)使大家可以相互分享成果，從而對(duì)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展、分類及相關(guān)知識(shí)要點(diǎn)有更加全面的了解。學(xué)生的匯報(bào)內(nèi)容大致可以分為機(jī)器人分類介紹、機(jī)器人相關(guān)技術(shù)、機(jī)器人應(yīng)用及簡(jiǎn)易機(jī)器人設(shè)計(jì)等，所教班級(jí)24名學(xué)生的互動(dòng)分享匯報(bào)情況如表1所示。由表1可知，三分之二的學(xué)生都選擇了專題機(jī)器人介紹，他們根據(jù)自己的興趣及前期對(duì)機(jī)器人的了解，選擇一種專題機(jī)器人進(jìn)行相關(guān)資料的查找，分別對(duì)其原理、發(fā)展現(xiàn)狀、技術(shù)難點(diǎn)與熱點(diǎn)、應(yīng)用情況以及發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了介紹；還有部分學(xué)生就自己前期參加的科技類競(jìng)賽的作品進(jìn)行了機(jī)器人設(shè)計(jì)的匯報(bào)，對(duì)過往作品進(jìn)行總結(jié)與升華，使得其他同學(xué)也開拓了眼界、增長(zhǎng)了見識(shí)；另有一小部分同學(xué)進(jìn)行了與機(jī)器人相關(guān)技術(shù)與應(yīng)用的分享匯報(bào)。此種自主選題匯報(bào)方式可充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，有利于增強(qiáng)學(xué)生對(duì)于機(jī)器人知識(shí)點(diǎn)的吸收與發(fā)掘?qū)W生的學(xué)習(xí)潛力。

三、考核方式

為了調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性，提高教學(xué)效果，還需進(jìn)一步改革教學(xué)考核模式，采用多元化、開放化的考核方式。結(jié)合上述教學(xué)方式，該課程主要采用“課堂互動(dòng)分享匯報(bào)+課程報(bào)告”的考核形式，并結(jié)合平時(shí)考勤?？傇u(píng)成績(jī)包括三部分：考勤成績(jī)10%，互動(dòng)分享匯報(bào)30%，課程報(bào)告60%。

四、總結(jié)

課堂互動(dòng)分享匯報(bào)的形式使學(xué)生在掌握機(jī)器人知識(shí)的基礎(chǔ)上，更加了解機(jī)器人的相關(guān)技術(shù)及其在各個(gè)行業(yè)的應(yīng)用前景，提高了學(xué)生查閱資料與自主學(xué)習(xí)能力，開闊了學(xué)生的視野，提升了學(xué)生的專業(yè)素養(yǎng)和參與度。有利于增強(qiáng)學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的吸收與理解，有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，從而培養(yǎng)適合社會(huì)需求的高層次機(jī)器人專業(yè)人才。

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