[摘要]機器人因其是涉及的知識面非常廣泛的綜合性系統(tǒng)而成為理工科高等院校自動化、計算機、機械以及電子等相關(guān)專業(yè)開設(shè)的一門重要的專業(yè)課程。機器人技術(shù)雖然經(jīng)過幾十年的飛速發(fā)展，仍然有相當多的問題未能解決，因而也成為高校師生進行科學(xué)研究和創(chuàng)新實踐的良好平臺。本文以學(xué)生能力培養(yǎng)為目標，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法等方面對機器人教學(xué)思路進行了探索，提出了三位一體的教學(xué)模式。實踐表明，改革后的機器人教學(xué)思路和教學(xué)方法能有效提高教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生的實踐能力。

　　[關(guān)鍵詞]教育技術(shù)論文發(fā)表,機器人學(xué),三位一體,創(chuàng)新精神,工程實踐

　　自從1920年捷克劇作家卡雷爾・凱培克在《羅薩姆的萬能機器人》中第一次提出 “機器人”(Robota，Robot)這個名詞就開啟了人類的“機器人之夢”。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，機器人技術(shù)已經(jīng)不僅僅是重復(fù)勞動的機器而是具有了一定的智能性甚至能自主的完成人類賦予的特定任務(wù)的智能機器。

　　機器人技術(shù)的發(fā)展水平已經(jīng)成為高科技發(fā)展的代表，很多國家尤其是歐美等發(fā)達國家在高校設(shè)立專門機器人研究機構(gòu)，提供大量的資金支持機器人技術(shù)的研發(fā)并開設(shè)機器人相關(guān)的課程。我國在這方面也取得了很大的進展，如嫦娥三號攜帶的玉兔號月球車的成功充分證明了我國機器人技術(shù)的成果。

　　一、機器人學(xué)課程的重要性

　　深空探測等重大工程的開展，將進一步推動機器人技術(shù)的發(fā)展。從另外一個角度來看，機器人技術(shù)的發(fā)展對于其他行業(yè)的發(fā)展也起著非常重要的促進作用，如自主移動機器人技術(shù)可以為汽車輔助駕駛提供解決方案。在高校已經(jīng)有相當多的理工科專業(yè)開設(shè)機器人課程，而且機器人是多領(lǐng)域高度交叉、多學(xué)科高度融合的系統(tǒng)，它涵蓋了電子、機械、計算機、自動控制、及人工智能等多學(xué)科，因而要求學(xué)生能夠綜合運用機械、電子、計算機等方面知識才能更好地進行系統(tǒng)操作和設(shè)計，因而機器人課程也是培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新能力的良好平臺 [1，2]。另外，通過機器人課程可以用較少的教育投入(包括人力、物力以及時間等)獲得較大的教育成果(主要包括學(xué)生獲得的知識、技能以及情感培養(yǎng)等)，從而得到優(yōu)化的教與學(xué)效果。

　　本文結(jié)合南京郵電大學(xué)卓越工程師培養(yǎng)計劃的大學(xué)生能力培養(yǎng)目標，從機器人課程的教學(xué)模式出發(fā)，探索了一種結(jié)合了課堂講授、仿真模擬、實驗操作為一體的從理論基礎(chǔ)到理論理解和驗證再到理論指導(dǎo)實踐的三位一體的教學(xué)模式，并在南京郵電大學(xué)自動化學(xué)院的“機器人學(xué)”課程中進行了實踐，取得了較好的成效。

　　二、機器人學(xué)教學(xué)中存在的問題

　　機器人這門課程具有高度知識交叉性和綜合性以及工程實踐性的特點[3]。因而在以往的教學(xué)中所采取的課堂講授法的教學(xué)方式因為講授方式的局限性而無法充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性、無法將抽象的數(shù)學(xué)模型具體化形象化，學(xué)生對于教學(xué)內(nèi)容理解不深入不能融會貫通，因而對于學(xué)生能力的培養(yǎng)效果不明顯[4]。存在的問題具體闡述如下：

　　1.教學(xué)內(nèi)容不能緊跟時展。

　　由于機器人技術(shù)更新快速，課程選用的教材出版周期較長，導(dǎo)致了教學(xué)內(nèi)容遠遠落后于當前機器人領(lǐng)域的新的發(fā)展趨勢。且授課內(nèi)容大體仍然在按照教材章節(jié)的基礎(chǔ)內(nèi)容來設(shè)計，這樣使得學(xué)生在學(xué)習(xí)機器人坐標空間和運動學(xué)、動力學(xué)模型這些理論基礎(chǔ)的時候表現(xiàn)的興趣缺乏。

　　2.教學(xué)中對學(xué)生啟發(fā)和實踐的內(nèi)容較少。

　　機器人通常作為大學(xué)生的專業(yè)課程，專業(yè)課承擔著實現(xiàn)學(xué)生能力培養(yǎng)這一目標的重要任務(wù)，通過機器人課程的學(xué)習(xí)，要求學(xué)生能夠結(jié)合所學(xué)的知識分析問題并解決問題，因而單純的講授并不適用于這門課。

　　為了學(xué)生的培養(yǎng)質(zhì)量，真正實現(xiàn)學(xué)生能力培養(yǎng)，提高機器人教學(xué)質(zhì)量，需要針對上述問題對機器人學(xué)課程的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法進行改革，探討新的教學(xué)方案。

　　三、改進措施

　　針對前面分析的機器人學(xué)課程教學(xué)中存在的問題，針對南京郵電大學(xué)自動化專業(yè)卓越工程師培養(yǎng)計劃中學(xué)生的培養(yǎng)目標從教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法兩個方面探討三位一體的教學(xué)模式，即課堂講授、仿真模擬、實驗操作為一體，具體內(nèi)容如下：

　　1.將當今最典型的和最先進的機器人系統(tǒng)與教材中的內(nèi)容相結(jié)合安排授課內(nèi)容。

　　首先，在緒論中充分展示機器人發(fā)展的歷程，以及國內(nèi)國外目前機器人的發(fā)展現(xiàn)狀，廣泛收集美國DARPA、CMU、MIT日本Honda以及國內(nèi)的中科院、清華大學(xué)、國防科技大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等知名研究機構(gòu)的最新機器人技術(shù)研究進展并通過視頻展示給學(xué)生，調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，以使學(xué)生認識到機器人技術(shù)發(fā)展的脈絡(luò)以及機器人技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域和重要性。

　　其次，在機器人學(xué)課程內(nèi)容的機器人坐標變換、機器人運動學(xué)以及機器人動力學(xué)模型部分，適當?shù)臏p少理論公式推導(dǎo)，而是將抽象的模型具體化，增加機械手臂仿真軟件在課堂的演示內(nèi)容，通過仿真軟件在投影儀中展示機械手臂機器人各個關(guān)節(jié)的運動，將抽象的坐標變換中的矩陣運算轉(zhuǎn)化為機械手臂關(guān)節(jié)的具體位置參數(shù)的運算，而且將機器人運動學(xué)模型具化為機械手臂的運動模型，通過具體的演示過程講解和分析機械手臂各個參數(shù)之間的關(guān)系和運算。

　　再次，在機器人傳感器部分的課堂教學(xué)中增加具體的機器人傳感器工作過程仿真內(nèi)容，如基于被動視覺傳感器、主動雷達傳感器等的障礙物檢測，并進行了仿真結(jié)果的對照，通過分析這兩種信號從信號源的產(chǎn)生差異導(dǎo)致傳感器獲得的信號分別是二維平面數(shù)據(jù)和三維深度數(shù)據(jù)，進而導(dǎo)致后續(xù)的分析方法的差異，以及檢測結(jié)果和干擾因素的差異，并在實驗中增加了基于視覺的機器人避障的環(huán)節(jié)以及基于激光雷達的機器人避障環(huán)節(jié)，進一步的討論傳感器的信息融合。使學(xué)生對于傳感器的工作過程包括信息獲取、信息處理等過程有了深入的認識。

　　最后，在實驗部分，安排了移動機器人創(chuàng)意實驗設(shè)計，要求學(xué)生參考飛思卡爾智能車設(shè)計跟蹤光源的移動機器人，提供基本的機器人移動平臺，以及傳感器接口，編程環(huán)境，需要學(xué)生根據(jù)自身設(shè)計的實驗過程選擇傳感器，且在編程環(huán)境中編寫程序以獲得傳感器數(shù)據(jù)，并能最終檢測到光源位置進行跟蹤。通過這一實驗內(nèi)容學(xué)生能夠?qū)⑺鶎W(xué)的機器人模型以及傳感器、軟件編程、自動控制等知識綜合運用，提高其動手能力和創(chuàng)新意識，并且實驗采取小組合作的模式，能夠鍛煉學(xué)生的團隊合作精神。 　　2.教學(xué)方法的改革

　　(1)案例具化法

　　在每一個主題的講授內(nèi)容中都安排了具體的案例進行分析。安排國內(nèi)外典型的機器人如火星車、google無人駕駛汽車、ASIMO等來分析機器人系統(tǒng)配置、運動機構(gòu)、傳感器融合、控制方法等內(nèi)容。另外通過具體的仿真模擬如可以將機器人系統(tǒng)的坐標變換、運動學(xué)模型的融合到機械手的仿真過程中，通過具體的機械手控制實例講解和分析抽象的機器人模型。進一步的，通過作者本人開發(fā)的機器人避障軟件在投影儀上展示程序中信息的獲取、信息的處理、對獲得的有效信息進行判斷、識別最終作出決策過程;通過仿真軟件驗證經(jīng)典的路徑規(guī)劃方法，A*算法是經(jīng)典的路徑規(guī)劃算法，但是僅僅通過教材中的幾幅圖片往往不能讓學(xué)生深入地理解這一算法的精髓，所以設(shè)計了A*算法軟件演示內(nèi)容，通過投影儀講軟件的掩飾過程投影到白板上，并將程序一步一步地執(zhí)行，這樣學(xué)生很容易理解這一算法的搜索計算過程。在機器人學(xué)課程中還有很多軟件可以用來分析和講解在機器人中傳感器信息的獲取以及機器人系統(tǒng)的決策等問題，這里不再一一贅述。

　　(2)啟發(fā)學(xué)生主動參與教學(xué)

　　在一次課程結(jié)束時，針對下一次課程的內(nèi)容如典型的機器人運動方式、移動機器人定位、移動機器人導(dǎo)航等設(shè)計問題，督促學(xué)生搜索這一問題相關(guān)的機器人資料，且其收集的材料可以通過投影儀展示給老師和全班同學(xué)。學(xué)生對于新興的機器人技術(shù)常常表現(xiàn)出濃厚的興趣，往往能積極的參與到老師設(shè)計的問題當中并能針對同學(xué)收集的材料進行討論和分析。

　　這種學(xué)生主動參與教學(xué)的方法不僅能促進學(xué)生資料收集的能力，而且也使得學(xué)生化被動的接受為主動的思考。另一方面對于同學(xué)收集的案例和提出的觀點，其他學(xué)生更樂于進行交流和提出疑問。在這一探討過程中學(xué)生的創(chuàng)新思維得到了拓展，提高了其思考問題分析問題能力。

　　在實驗的設(shè)計中也充分考慮學(xué)生自主實踐，按照工程實踐中的任務(wù)制，將學(xué)生分成4人一組。在實驗中只規(guī)定實驗的目標不規(guī)定實驗的過程，這樣學(xué)生可以根據(jù)實驗?zāi)繕耍�通過自己的理解設(shè)計實驗的過程，不同的組織間可能采用不同的傳感器，或者不同的算法來搭建自己的平臺，最終我們會對各組的成果進行驗收打分。另外，各個組所采用的硬件、軟件的差異性導(dǎo)致其成果有好有壞，這為我們設(shè)置了一個很好的討論題目――這些差異是什么原因?qū)е碌?通過這一實驗?zāi)Ｊ侥軌蚺囵B(yǎng)學(xué)生自主解決問題的能力和團隊合作的精神。

　　經(jīng)過三年的時間，這種三位一體的教學(xué)模式取得了不錯的成績，得到了學(xué)生的廣泛認可。為南京郵電大學(xué)自動化學(xué)院培養(yǎng)了一批又一批大學(xué)畢業(yè)生，并且南京郵電大學(xué)的大學(xué)生機器人隊在國內(nèi)甚至世界的大學(xué)生機器人競賽中都取得了不錯的成績，尤其是在 2013Robocup機器人足球世界杯比賽中獲得3D仿真足球機器人項目冠軍。

　　四、結(jié)論

　　機器人學(xué)課程是南京郵電大學(xué)自動化專業(yè)的專業(yè)課程，機器人學(xué)教學(xué)效果將直接影響著學(xué)生能力的培養(yǎng)，據(jù)卓越工程師教育培養(yǎng)計劃安排，在學(xué)生能力培養(yǎng)的要求下，機器人學(xué)教學(xué)以學(xué)生為主題，以切實提高學(xué)生的整體專業(yè)水平、工程實踐能力和創(chuàng)新能力為目標，以為社會培養(yǎng)全面優(yōu)秀的自動化領(lǐng)域人才為方向，從理論基礎(chǔ)、工程實踐、創(chuàng)新思維等方面提高學(xué)生的素質(zhì)。

　　本文主要研究了提高學(xué)生能力為目標的機器人學(xué)教學(xué)的新思路，提出并實踐了課堂講授、仿真模擬、實驗操作為一體的三位一體的教學(xué)模式，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，使得學(xué)生能主動的參與到教學(xué)活動中來，并取得了一定的成果。在今后的教學(xué)過程中，一方面，我將爭取與周邊的機器人研究所合作為學(xué)生提供更多的實驗實踐機會，另一方面將更加深入研究教學(xué)方法，逐步提高自身的教學(xué)水平和能力，從而進一步提高教學(xué)效果與質(zhì)量。

　　基金項目：江蘇省研究生教育教學(xué)改革研究與實踐課題(JGZZ12_038)資助

　　[參考文獻]

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