機(jī)器人工程實(shí)踐創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的思考

王東署，郭彤穎

(1.鄭州大學(xué)電氣工程學(xué)院，河南 鄭州，450001;2.沈陽(yáng)建筑大學(xué)信息與控制工程學(xué)院，遼寧沈陽(yáng)，110106)

我國(guó)的高等工程教育從20世紀(jì)50年代起，采用的基本上是科學(xué)主導(dǎo)工程的理念。目前，由國(guó)家中長(zhǎng)期科技發(fā)展規(guī)劃提出的“中國(guó)創(chuàng)造”等宏偉目標(biāo)驅(qū)動(dòng)，國(guó)內(nèi)很多高校正在積極推動(dòng)工程教育回歸工程(動(dòng)手、實(shí)踐、創(chuàng)新)運(yùn)動(dòng)，通過培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力和工程實(shí)踐能力，達(dá)到創(chuàng)新實(shí)踐教育所提出的目標(biāo)［1］。建設(shè)機(jī)器人工程實(shí)踐創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室(以下簡(jiǎn)稱機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室)就是這一理念的具體實(shí)踐。

1 機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室建設(shè)思路

機(jī)器人作為典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，涉及機(jī)械、電子、自動(dòng)控制和計(jì)算機(jī)軟硬件等學(xué)科，實(shí)踐性和綜合性都很強(qiáng)。機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)思路，可以概括為:以機(jī)器人為教學(xué)實(shí)訓(xùn)對(duì)象，運(yùn)用項(xiàng)目式教學(xué)法，培養(yǎng)能綜合運(yùn)用知識(shí)、具備創(chuàng)新能力、具有工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)、面向社會(huì)就業(yè)需求的畢業(yè)生。

以機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室為平臺(tái)，學(xué)生可以逐步掌握廣域的工科知識(shí)，激活和強(qiáng)化多方面的能力，了解自己的能力結(jié)構(gòu)，激發(fā)自身的學(xué)習(xí)興趣［2-5］。

2 機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室建設(shè)原則

(1)設(shè)計(jì)理念的先進(jìn)性:為了保證機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室的先進(jìn)性，必須考慮“模塊化、可重構(gòu)、全開放、標(biāo)準(zhǔn)化”的設(shè)計(jì)理念，通過工業(yè)總線將各個(gè)機(jī)器人功能模塊連接成統(tǒng)一的整體，符合“分布式控制”、“分布式計(jì)算”、“模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化”的發(fā)展趨勢(shì)。

(2)強(qiáng)大的實(shí)用性:由于采取模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化、全開放的設(shè)計(jì)理念，可以把復(fù)雜的機(jī)器人控制系統(tǒng)劃分為多個(gè)簡(jiǎn)單的功能組合。學(xué)生學(xué)習(xí)時(shí)深入淺出，由易到難，適應(yīng)本科低年級(jí)、本科高年級(jí)、研究生等不同階段的教學(xué)與研究需要。

(3)配置的合理性:機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室配備的相關(guān)實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新實(shí)踐設(shè)備必須適當(dāng)合理，既能覆蓋本科及研究生教學(xué)，又能適用于不同層次的教學(xué)任務(wù)。

3 機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室建設(shè)目標(biāo)和特點(diǎn)

機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室的主要建設(shè)目標(biāo)如下。

(1)在不改變現(xiàn)有教學(xué)體系和大綱的前提下，通過機(jī)器人實(shí)踐和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)，逐步將工程教育由“科學(xué)主導(dǎo)工程”轉(zhuǎn)變?yōu)椤肮こ探逃貧w工程”的培養(yǎng)方式。為社會(huì)培養(yǎng)實(shí)用人才，包括創(chuàng)新型人才和工程操作型人才，提高就業(yè)水平;使學(xué)生能將獲得的理論知識(shí)運(yùn)用到工程實(shí)踐中。

(2)機(jī)器人技術(shù)的創(chuàng)新實(shí)踐教育包括學(xué)生自主創(chuàng)新活動(dòng)和課堂競(jìng)賽等形式，讓學(xué)生通過在機(jī)器人載體上的親手實(shí)踐，提高其對(duì)課堂知識(shí)理解的深度與準(zhǔn)確性。

(3)通過參與主流的機(jī)器人競(jìng)賽，使學(xué)生在競(jìng)賽中運(yùn)用工程和科學(xué)知識(shí)，并且與其他隊(duì)伍交流、競(jìng)爭(zhēng)，達(dá)到鍛煉學(xué)生工程素質(zhì)、培養(yǎng)學(xué)生工程創(chuàng)新思想，樹立學(xué)校和所在專業(yè)品牌形象的目的。機(jī)器人競(jìng)賽是工程教育回歸工程理念的最好的鍛煉平臺(tái)，可以促進(jìn)“教學(xué)、科研、競(jìng)賽”三方面的良性循環(huán)和整體學(xué)科實(shí)力的螺旋式上升。

(4)本實(shí)驗(yàn)室還可以作為學(xué)生課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)的支撐平臺(tái)。

總的來說，機(jī)器人創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室具有如下特點(diǎn):

(1)延續(xù)性:學(xué)生通過“單片機(jī)原理與接口技術(shù)”、“電工電子技術(shù)”、“控制工程基礎(chǔ)”、“傳感器與測(cè)試技術(shù)”和“模擬電路與數(shù)字電路技術(shù)”等課程建立的知識(shí)體系，可以通過本教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)綜合應(yīng)用，從而使自身能力在應(yīng)用技術(shù)層面上得到有效提升。

(2)創(chuàng)新性:學(xué)生可以通過在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，有效提高對(duì)所學(xué)課程知識(shí)的綜合運(yùn)用能力和創(chuàng)新能力，這恰恰是目前學(xué)生培養(yǎng)中較為薄弱的環(huán)節(jié)。

(3)復(fù)合性:在實(shí)驗(yàn)室里，學(xué)生可同時(shí)接觸到電子學(xué)、自動(dòng)化技術(shù)、機(jī)械工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)等學(xué)科的知識(shí)并加以綜合應(yīng)用，這對(duì)培養(yǎng)復(fù)合型人才具有重要的意義。

(4)普適性:機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室是面向全校各工科專業(yè)開設(shè)的，學(xué)生受益面很廣。

(5)研究性:可進(jìn)一步針對(duì)高級(jí)專業(yè)技術(shù)人才的培養(yǎng)和科研工作提供開放的研究平臺(tái)，進(jìn)行機(jī)器人平臺(tái)的二次開發(fā)和研究，比如結(jié)合自動(dòng)化等學(xué)科的特點(diǎn)，在工程的智能控制方面進(jìn)行科學(xué)研究。

4 機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室建設(shè)內(nèi)容

1)為基礎(chǔ)課程和專業(yè)課程開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)

機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室可以為工科專業(yè)的很大一部分課程提供實(shí)驗(yàn)環(huán)境。

在理論教學(xué)之前，先展示有趣味的機(jī)器人構(gòu)型，如采用模塊化設(shè)計(jì)、可重構(gòu)、代碼開放、標(biāo)準(zhǔn)化的機(jī)器狗、機(jī)械蟹、蛇形機(jī)器人和高性能擂臺(tái)比賽機(jī)器人等，讓學(xué)生明白此門課程的實(shí)際運(yùn)用價(jià)值。然后再介紹涉及的課程，如“單片機(jī)原理及應(yīng)用”、“傳感器基礎(chǔ)”和“自動(dòng)控制原理”等，而在此后的實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)中，通過結(jié)合具體控制事例來實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)課與專業(yè)課的有效融合，提高教學(xué)效果。

2)以實(shí)踐為核心開展項(xiàng)目式教學(xué)

項(xiàng)目式教學(xué)法將傳統(tǒng)課程中的系統(tǒng)、完整的知識(shí)體系轉(zhuǎn)化為若干個(gè)教學(xué)項(xiàng)目，如針對(duì)完整的機(jī)器人控制，可劃分為運(yùn)動(dòng)學(xué)控制教學(xué)項(xiàng)目與動(dòng)力學(xué)控制教學(xué)項(xiàng)目來組織教學(xué)，使學(xué)生通過參與項(xiàng)目完成的全過程來進(jìn)行學(xué)習(xí)。項(xiàng)目式教學(xué)強(qiáng)調(diào)的是將以教案為重點(diǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)橐酝瓿身?xiàng)目為重點(diǎn)，其主要特點(diǎn)在于避開傳統(tǒng)的一味追求教學(xué)知識(shí)的完整性和系統(tǒng)性，始終圍繞著項(xiàng)目是否能夠完成而進(jìn)行，對(duì)知識(shí)結(jié)構(gòu)的要求本著“夠用”的原則，重點(diǎn)在于培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力、獨(dú)立獲取信息的能力和自主構(gòu)建知識(shí)的能力。其與傳統(tǒng)教學(xué)方法的比較如圖1所示。

3)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)課程

創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)課程可分為如下4個(gè)層次:

(1)導(dǎo)入階段:使用有趣的機(jī)器人例子激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，使用簡(jiǎn)單的編程實(shí)例，帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)入創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)課的大門。

(2)基礎(chǔ)項(xiàng)目:采用項(xiàng)目式教學(xué)方式，每學(xué)期設(shè)置20課時(shí)課程，通過完整項(xiàng)目，綜合運(yùn)用所學(xué)過的各學(xué)科知識(shí)，達(dá)到融會(huì)貫通的目的。

(3)深度項(xiàng)目和比賽項(xiàng)目:以一定深度的項(xiàng)目和比賽項(xiàng)目，鍛煉和培養(yǎng)高年級(jí)學(xué)生的技術(shù)水平，工程實(shí)踐素養(yǎng)。選拔優(yōu)秀的學(xué)生團(tuán)隊(duì)，參加比賽，驗(yàn)證創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教育成果的同時(shí)為學(xué)校贏得聲譽(yù)。

圖1 傳統(tǒng)專業(yè)課教學(xué)體系與項(xiàng)目式教學(xué)法對(duì)比

(4)課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì):利用多樣化、模塊化、可重構(gòu)的平臺(tái)，為學(xué)生提供多種可能性的技術(shù)實(shí)現(xiàn)方案，為課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)提供硬件基礎(chǔ)。

4)實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)地及布局

一個(gè)完善的機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室是一個(gè)集機(jī)器人教學(xué)、科技活動(dòng)和科學(xué)普及為一體的全功能實(shí)驗(yàn)室，由于教學(xué)過程更強(qiáng)調(diào)學(xué)生的主動(dòng)性、合作性和實(shí)踐性，需要更多的動(dòng)手活動(dòng)和師生互動(dòng)，因此需要比較大的空間。

實(shí)驗(yàn)室由六大主要功能區(qū)結(jié)合而成。

(1)教學(xué)區(qū):配置講臺(tái)、投影儀和黑板，是教師進(jìn)行機(jī)器人授課的主要空間。

(2)活動(dòng)區(qū):這是一個(gè)空?qǐng)龅?，讓學(xué)生有一個(gè)比較空曠的場(chǎng)地調(diào)試機(jī)器人。

(3)組裝區(qū):提供專用課桌和工具，搭建和改裝機(jī)器人。

(4)競(jìng)賽區(qū):擺放一個(gè)機(jī)器人擂臺(tái)，可以組織學(xué)生進(jìn)行機(jī)器人比賽。

(5)儲(chǔ)物區(qū):存放機(jī)器人及其相關(guān)設(shè)備和附件。

(6)展示區(qū):展示學(xué)生作品、榮譽(yù)等材料。

5)師資力量

師資力量是整個(gè)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室建設(shè)中最重要的部分。對(duì)于機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室和教學(xué)實(shí)際來講，師資、鼓勵(lì)學(xué)生的政策等軟環(huán)境重要性要超過實(shí)驗(yàn)室設(shè)備、場(chǎng)地和機(jī)器人平臺(tái)等硬件環(huán)境。作為以教學(xué)為主的機(jī)器人創(chuàng)新教學(xué)實(shí)驗(yàn)室，教師需要具備機(jī)器人教學(xué)和實(shí)驗(yàn)方面的實(shí)踐能力，最好有相關(guān)教學(xué)或者競(jìng)賽經(jīng)驗(yàn)。建議師資力量配備如下:

(1)1位專職教師，負(fù)責(zé)授課，指導(dǎo)學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐。專業(yè)背景最好為機(jī)械、自動(dòng)化和電子等相關(guān)學(xué)科;對(duì)機(jī)器人技術(shù)有所了解，最好具有從事過相關(guān)的競(jìng)賽或者實(shí)驗(yàn)工作的經(jīng)歷。

(2)1-2位實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師或者助教，負(fù)責(zé)指導(dǎo)學(xué)生實(shí)驗(yàn)，解答問題。可以是有實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的研究生，甚至可以是參加過機(jī)器人競(jìng)賽的高年級(jí)本科生。專業(yè)背景最好與機(jī)電、測(cè)控和自動(dòng)化相關(guān);熟練掌握數(shù)字電路知識(shí)和電路設(shè)計(jì)、分析;熟練掌握一種單片機(jī)的硬件開發(fā)和C語(yǔ)言編程，熟悉整個(gè)開發(fā)過程。

5 結(jié)語(yǔ)

本文從“工程教育回歸工程”的理念出發(fā)，對(duì)工科學(xué)院本科階段機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的思路、原則、目標(biāo)和內(nèi)容進(jìn)行了探討，希望能對(duì)我國(guó)高校機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室建設(shè)提供一點(diǎn)有益的參考。筆者相信，機(jī)器人工程實(shí)踐創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室建設(shè)能夠促進(jìn)學(xué)校教學(xué)和科研工作的開展，促進(jìn)傳統(tǒng)教學(xué)方法向項(xiàng)目式教學(xué)方法轉(zhuǎn)變，同時(shí)能激發(fā)學(xué)生科研的興趣，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力、創(chuàng)新能力以及團(tuán)隊(duì)合作的精神，為學(xué)生創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)的培養(yǎng)提供一個(gè)寬廣的平臺(tái)。

［1］ 閻世梁，張華，肖曉萍，王銀玲，熊開封.高等工程教育中的機(jī)器人教育探索與實(shí)踐［J］.上海:實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2013，32(8):149-153

［2］ 姚志鳳，薛少平，陳亞娟.機(jī)器人創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室的多元化模式探究［J］.南京:電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2012，34(5):76-78

［3］ 于莉.機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的探討［J］.西安:高校實(shí)驗(yàn)室工作研究，2010，3:103-105

［4］ 李林喜，葛素霞，賈翠玲，王利利，閏秀芳，喬秀蕓.開放機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室對(duì)學(xué)生能力培養(yǎng)研究［J］.武漢:現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè)，2014，6:99-100

［5］ 王旭仁，劉麗珍，黃向陽(yáng)，王萬森.智能機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室建設(shè)研究［J］.北京:計(jì)算機(jī)教育，2013，19:85-87