崔蘭花，鄭紅偉，王偉，畢海霞

（1.河北工業(yè)大學(xué) 圖書館，天津 300401；2.河北工業(yè)大學(xué) 實驗實訓(xùn)中心，天津 300401；3.河北工業(yè)大學(xué) 大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)中心，天津 300401）

隨著機器人技術(shù)的日趨成熟，機器人開始被應(yīng)用于眾多領(lǐng)域，如工業(yè)制造、航空航天、日常生活等。大學(xué)生有必要在校期間根據(jù)自身需求學(xué)習(xí)與機器人相關(guān)的課程[1-2]。實踐教學(xué)是人才培養(yǎng)中不可或缺的重要環(huán)節(jié)[3-4]，也是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識和實踐應(yīng)用能力的重要一環(huán)[5]。機器人實訓(xùn)平臺在傳授知識、塑造理想、提升技能、完善品格等方面發(fā)揮了重要作用[6]。為適應(yīng)和滿足未來社會需求，國內(nèi)諸多高校相繼建立機器人實訓(xùn)平臺，匹配了相應(yīng)的機器人技術(shù)教學(xué)資源，開設(shè)了與之相關(guān)聯(lián)的課程。如中國礦業(yè)大學(xué)等高校以輪式移動機器人和類人機器人為載體構(gòu)，建機器人實驗教學(xué)平臺，面向工科類學(xué)生開展創(chuàng)新實踐綜合性教育[7]；西安工業(yè)大學(xué)從機器人工程專業(yè)需求出發(fā)，創(chuàng)建基于跨學(xué)科知識融合的機器人理論、層次化分模塊實踐、項目導(dǎo)向的課外實踐等教學(xué)模式[8]；天津理工大學(xué)以優(yōu)化設(shè)計及運動控制為研究對象，構(gòu)建了開放性同型異構(gòu)機器人實驗教學(xué)平臺，開展專業(yè)性較強的機器人實踐教育[9]。該類實驗教學(xué)項目具有專業(yè)性強、能力要求起點較高等特點，對于無專業(yè)基礎(chǔ)的文理科學(xué)生而言具有一定難度。鑒于此，河北工業(yè)大學(xué)搭建了一個以“認(rèn)知、實踐、創(chuàng)新”為目標(biāo)的層次化、竹節(jié)式機器人實踐教學(xué)體系，滿足了文科生認(rèn)知了解機器人、理科生實踐搭建機器人和工科生創(chuàng)新設(shè)計機器人的需求。

1 機器人實踐教學(xué)體系的研究

圍繞學(xué)?！半p一流”建設(shè)下的人才培養(yǎng)目標(biāo)，以滿足全年級所有專業(yè)學(xué)生實踐為目標(biāo)，依托學(xué)校的機器人實踐平臺，探索了一條不同專業(yè)、各年級適用的機器人技術(shù)認(rèn)知及實踐之路，形成了以工程認(rèn)知能力培養(yǎng)為常態(tài)、以實踐動手能力培養(yǎng)為重點、以創(chuàng)新意識和能力培養(yǎng)為核心、以工程素質(zhì)培養(yǎng)為目標(biāo)的層次化、竹節(jié)式機器人實踐教學(xué)體系。具體的授課對象、實訓(xùn)內(nèi)容、教學(xué)目標(biāo)等設(shè)置如圖1 所示。

圖1 機器人認(rèn)知實踐教學(xué)體系

1.1 確定機器人認(rèn)知實踐建設(shè)思路，構(gòu)建竹節(jié)式多層次實踐教學(xué)體系

依托機器人實踐平臺，以全員學(xué)習(xí)機器人知識為目標(biāo)，研究多層次的機器人教學(xué)體系構(gòu)建之路。根據(jù)面向授課對象不同、文理工科學(xué)生學(xué)習(xí)目標(biāo)不同、能力水平參差不齊等特征，將機器人教學(xué)劃分為了4 個層級，包括了以認(rèn)知過程為導(dǎo)向的基礎(chǔ)層、以實踐過程為導(dǎo)向的能力提高層、以創(chuàng)新意識和能力培養(yǎng)為導(dǎo)向的綜合創(chuàng)新層和以工程素質(zhì)培養(yǎng)為導(dǎo)向的自主創(chuàng)新層教學(xué)。

（1）以認(rèn)知過程為導(dǎo)向的基礎(chǔ)層。2016 年，新工科的概念被提出[10]，在其教育教學(xué)發(fā)展新需求中也提到了工科、新工科與人文社科之間的相互滲透關(guān)系，其具體表現(xiàn)為人文社科的專業(yè)知識無形影響工科學(xué)生文化素養(yǎng)的形成，新工科也對人文社科專業(yè)的工程認(rèn)知能力提出了新的要求[11-12]。以工科為特色的高等院校是進行工程認(rèn)知能力培養(yǎng)的良好基地，有著學(xué)科優(yōu)勢。以“工學(xué)并舉”為特色的河北工業(yè)大學(xué)，工科是優(yōu)勢學(xué)科，有著深厚的工程文化底蘊和豐富的實踐資源，多類型機器人設(shè)備、經(jīng)驗豐富的教師等資源為開展機器人技術(shù)知識認(rèn)知提供了便利。依托學(xué)校資源，筆者確定了以培養(yǎng)文理工科全年級工程認(rèn)知能力和傳承“工學(xué)并舉”文化為宗旨，以了解基本知識、熟悉機器人結(jié)構(gòu)為教學(xué)目標(biāo)，通過整合輪式移動機器人、水下機器人、工業(yè)機器人等設(shè)備資源，設(shè)計了融科學(xué)性、趣味性和觀賞性為一體的教學(xué)內(nèi)容。

以有趣的視頻吸引學(xué)生的注意力，如機器人跳舞、演奏等，使學(xué)生感知機器人；以工程文化之旅體驗機器人智能化工作過程，如深入基于機器人的汽車智能化車間，近距離觀看機器人實操過程，深刻體會機器人在現(xiàn)代制造技術(shù)領(lǐng)域的重要作用，了解工程文化；以身邊實物制作過程為題引導(dǎo)學(xué)生以科學(xué)的眼光看待機器人技術(shù)，如“自行車的主車體如何完成連接？”“汽車表面噴漆如何完成？”引導(dǎo)學(xué)生深入思考，引出機器人技術(shù)在日常生活中的重要性；以實操性強的機器人實物演示激發(fā)學(xué)生動手實踐內(nèi)在需求，如水下機器人、輪式移動機器人和搬運機器人等自組裝過程及競賽演示。

（2）以實踐過程為導(dǎo)向的能力提高層。實踐是高等工程教育的基本特征之一[13]，是知識轉(zhuǎn)化為能力的主要方式。故該層主要圍繞技能和實踐能力培養(yǎng)[14]，以融合多知識點的項目為載體，通過動手實踐使學(xué)生有效應(yīng)用機器人理論知識，掌握課堂所學(xué)知識點。

能力提高層設(shè)計了多個平行實驗項目，每個實驗項目可實現(xiàn)對一個或多個知識點的學(xué)習(xí)以及對一個或多個技能的鍛煉，同時，多個不同實驗項目也可實現(xiàn)對同一個知識點或同一個技能的學(xué)習(xí)和鍛煉。學(xué)生通過實踐訓(xùn)練、模型構(gòu)建、程序調(diào)試，掌握知識點，培養(yǎng)實踐動手能力。如學(xué)生利用舵機控制原理設(shè)計了簡易輪式移動機器人項目，實現(xiàn)舵機轉(zhuǎn)速控制；利用傳感器智能識別知識，驗證了難了具有相同功能的紅外測距傳感器和紅外接近傳感器在避障機器人系統(tǒng)中不同的應(yīng)用效果對智能機器人利用攝像頭實現(xiàn)尋物功能進行訓(xùn)練等。

（3）以創(chuàng)新意識和能力培養(yǎng)為導(dǎo)向的綜合創(chuàng)新層。該層設(shè)計了基于模塊化機器人套件和基于仿生機器魚套件的兩個實踐套餐，每個套餐含有多個實踐項目，每個項目包含設(shè)計、裝配及調(diào)試或設(shè)計、加工、裝配及調(diào)試環(huán)節(jié)，所用設(shè)備需至少含有一種機器人套件、一種三維設(shè)計軟件、一種零部件加工設(shè)備。如運球機器人項目，學(xué)生團隊根據(jù)項目功能需求，在現(xiàn)有套件基礎(chǔ)上，采用三維軟件創(chuàng)新設(shè)計機器人機械結(jié)構(gòu)，利用3D 打印或激光切割機加工部分零部件，運用鉗工設(shè)備進行機器人裝配，接入編寫的控制程序開展動作調(diào)試，撰寫設(shè)計說明書。

（4）以工程素質(zhì)培養(yǎng)為導(dǎo)向的自主創(chuàng)新層。工程素質(zhì)的主要內(nèi)涵包括四個方面：①有比較扎實的技術(shù)基礎(chǔ)；②受過必要的工程實踐訓(xùn)練；③有分析和解決工程實際問題的能力；④能夠吃苦耐勞，適應(yīng)較艱苦的工作環(huán)境。筆者在該層以四項工程素質(zhì)培養(yǎng)為目標(biāo)，設(shè)置了較高科技水平的科研項目、校企合作項目、匠心訓(xùn)練項目和競賽項目等實踐內(nèi)容（見表1）。

表1 實踐項目與工程素質(zhì)培養(yǎng)匹配表

1.2 常規(guī)式和開放式并行的機器人實踐運行模式

機器人實踐運行模式根據(jù)教學(xué)層次的不同而采取了常規(guī)式和開放式混合式教學(xué)模式（如圖2 所示），實現(xiàn)了并行運行。常規(guī)式是在固定時間、地點、資源的模式下進行常態(tài)化教學(xué)，包含了工程訓(xùn)練系列必修課、公共選修課等；開放式是在時間、地點、資源開放模式下進行的自主化教學(xué)，需要通過網(wǎng)上預(yù)約審核流程進行實踐，每組4～6 名學(xué)生在教師的指導(dǎo)下于一個學(xué)期內(nèi)完成實踐項目。

圖2 機器人實踐教學(xué)體系運行模式

1.3 實訓(xùn)成績評定

教師根據(jù)學(xué)習(xí)層次的不同對學(xué)習(xí)成績做了不同的評分標(biāo)準(zhǔn)，成績評定表見表2 所示。

表2 成績評定表

2 機器人實踐效果

自2017 年開始，學(xué)校開設(shè)了面向全校專業(yè)學(xué)生的工程認(rèn)知課程，機器人技術(shù)認(rèn)知課是其中之一。近兩年的課程滿意度調(diào)查結(jié)果顯示，機器人技術(shù)認(rèn)知課在12 門認(rèn)知課中名列前三，受到了廣大學(xué)生的好評。

2018 年伊始，四個小組12 位學(xué)生參加大學(xué)生機器人競賽，經(jīng)過近半年的獨立學(xué)習(xí)，從機器人文獻調(diào)研、方案設(shè)計、原理設(shè)計、零件加工到實物功能實現(xiàn)，在天津市機器人賽事上獲得了一等獎和二等獎各兩項；在河北省機器人競賽中獲得了一等獎兩項和二等獎一項；在國賽中獲得了特等獎和三等獎各一項。學(xué)生進行實踐訓(xùn)練與競賽的部分作品如圖3 所示。

圖3 學(xué)生作品

3 結(jié)語

“認(rèn)知、實踐、創(chuàng)新”的層次化、竹節(jié)式機器人實訓(xùn)平臺建設(shè)，一方面完善和優(yōu)化了機器人實訓(xùn)體系，實現(xiàn)了機器人技術(shù)知識學(xué)習(xí)的全覆蓋；另一方面也更加契合了理、工、文科不同專業(yè)學(xué)生對機器人實踐的需求。通過該系統(tǒng)下的機器人知識學(xué)習(xí)，有效提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，促進了學(xué)生學(xué)習(xí)效率的提高。