“機(jī)器人控制技術(shù)”教學(xué)改革實(shí)踐

李曉航 魯敦科 王曉軍 王曰英

摘 要 為了解決學(xué)生在其學(xué)習(xí)過程中出現(xiàn)的學(xué)習(xí)動(dòng)力不足和學(xué)習(xí)目標(biāo)不明確等問題，在《機(jī)器人控制技術(shù)》課程的教學(xué)改革實(shí)踐中，作者提出以優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容、改進(jìn)教學(xué)方式和手段、改善實(shí)踐條件、完善課程評(píng)分體系和考核方式等方法，從而激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性和積極性。通過加強(qiáng)理論與實(shí)踐相結(jié)合，激發(fā)學(xué)生對(duì)本課程的學(xué)習(xí)興趣，從而提高學(xué)生學(xué)習(xí)效率和課程教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞 機(jī)器人控制技術(shù) 教學(xué)改革 教學(xué)質(zhì)量

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2019.03.023

Abstract In order to solve the problems of students' lack of learning motivation and unclear learning objectives in their learning process， the author proposes some methods to solve this problem. In the teaching practice and reformation of "Robot Control Technology" course， we use optimize teaching content， improve teaching methods， improve practical conditions， improve the curriculum scoring system and assessment methods to stimulate students' autonomy and enthusiasm. By strengthening the combination of theory and practice will help to stimulate student's interest in this course and improve students' learning efficiency and the quality of course teaching.

Keywords robot control technology； teaching reformation； teaching quality

0引言

目前我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人需求量在亞洲排行第三，考慮到我國(guó)不斷深化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，加快建設(shè)現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展體系以及勞動(dòng)力資源匱乏等因素，未來我國(guó)對(duì)機(jī)器人的需求量將會(huì)進(jìn)一步增加，市場(chǎng)的擴(kuò)展速度也會(huì)加速上升。機(jī)器人相關(guān)的領(lǐng)域引起國(guó)家的高度重視，因此我校自動(dòng)化系新增了一門特色專業(yè)課程——機(jī)器人控制技術(shù)。

機(jī)器人控制技術(shù)是我校自動(dòng)化控制專業(yè)的一門重要的前言學(xué)科，考慮到這門課程涉及領(lǐng)域廣、數(shù)學(xué)理論強(qiáng)、與其他學(xué)科交叉性強(qiáng)等特點(diǎn)，學(xué)生在學(xué)習(xí)這門課程之前需要掌握線性代數(shù)、模擬電子技術(shù)、傳感器檢測(cè)技術(shù)、現(xiàn)代控制理論等知識(shí)。本文從分析“機(jī)器人控制技術(shù)”的教學(xué)現(xiàn)狀以及進(jìn)行教學(xué)改革的意義入手，通過優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容、改進(jìn)教學(xué)方式和手段、改善實(shí)踐條件，從而提高本課程的教學(xué)質(zhì)量與學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。

1課程特點(diǎn)及教學(xué)目標(biāo)

1.1 課程特點(diǎn)

機(jī)器人控制技術(shù)這門課主要介紹機(jī)器人的發(fā)展歷史，基本原理，結(jié)構(gòu)組成，應(yīng)用領(lǐng)域及未來的發(fā)展趨勢(shì)。重點(diǎn)介紹了有關(guān)機(jī)器人技術(shù)的基礎(chǔ)理論，穿插地介紹了當(dāng)前機(jī)器人的一些應(yīng)用領(lǐng)域，如特種機(jī)器人、仿生機(jī)器人、探索機(jī)器人和輪式機(jī)器人等。最后介紹了當(dāng)前國(guó)內(nèi)外機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)與差距，開闊學(xué)生的眼界，激發(fā)學(xué)生對(duì)機(jī)器人控制技術(shù)的興趣。通過課堂教學(xué)使學(xué)生初步掌握機(jī)器人控制技術(shù)、了解主要機(jī)器人的發(fā)展情況，掌握基本原理與方法，為未來開展機(jī)器人技術(shù)研究與開發(fā)奠定基礎(chǔ)。

1.2 教學(xué)目標(biāo)

機(jī)器人控制技術(shù)課程的教學(xué)目標(biāo)是要求學(xué)生掌握機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)、智能控制和自動(dòng)化控制基礎(chǔ)、機(jī)器人軌跡規(guī)劃、機(jī)器人位置和力的混合控制和傳感器理論基礎(chǔ)等，學(xué)生在充分掌握理論知識(shí)的同時(shí)，還需要擁有較強(qiáng)的解決實(shí)際問題的能力，從而使學(xué)生可以學(xué)以致用而不是只會(huì)紙上談兵，也不會(huì)因?yàn)槔碚撝R(shí)學(xué)習(xí)的不夠深入而導(dǎo)致難以繼續(xù)深入和探索未來的方向。

2 教學(xué)現(xiàn)狀分析

目前我院的自動(dòng)化專業(yè)開設(shè)“機(jī)器人控制技術(shù)”課程被安排在大三上學(xué)期開課，總學(xué)時(shí)為32課時(shí)。通過調(diào)查研究，將教學(xué)過程存在的問題歸納為以下四個(gè)方面。

2.1 教學(xué)內(nèi)容陳舊

機(jī)器人控制是一門快速發(fā)展的新領(lǐng)域，迄今為止僅有幾十年的時(shí)間，很多新的思想、技術(shù)、方法和應(yīng)用層出不窮，這導(dǎo)致機(jī)器人控制技術(shù)教材的更新速度難以追隨學(xué)科發(fā)展的速度，以至于教材內(nèi)容缺乏科研創(chuàng)新，不能很好地反映學(xué)科的發(fā)展。難以了解和接觸到新的研究領(lǐng)域和熱門研究方向，將在一定程度上影響學(xué)生的好奇心和學(xué)習(xí)興趣。

2.2 教學(xué)方法單一，側(cè)重理論推導(dǎo)

機(jī)器人課程涉及內(nèi)容較多，知識(shí)點(diǎn)之間關(guān)系比較繁雜，國(guó)內(nèi)教材主要講述一些基本原理和應(yīng)用，導(dǎo)致教學(xué)內(nèi)容上過多注重理論知識(shí)的講解，且動(dòng)力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、軌跡規(guī)劃摻雜過多的公式推導(dǎo)，學(xué)生會(huì)因計(jì)算難度大，導(dǎo)致其興趣不高，最終嚴(yán)重影響教學(xué)質(zhì)量。

2.3 實(shí)踐教學(xué)安排過少，學(xué)生動(dòng)手能力受到制約

由于機(jī)器人造價(jià)比較高，受實(shí)驗(yàn)設(shè)備的制約，實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)很難展開，使得實(shí)踐性教學(xué)的力度不夠大，學(xué)生只滿足于概念理論與計(jì)算，對(duì)這門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程缺少直觀感受，不能提高學(xué)生的動(dòng)手能力和實(shí)驗(yàn)分析能力。

2.4 成績(jī)考核方式傳統(tǒng)

課程成績(jī)是考察學(xué)生知識(shí)掌握情況與學(xué)習(xí)效果的重要方式。傳統(tǒng)的機(jī)器人控制技術(shù)課程考核采用閉卷考試的方式進(jìn)行，學(xué)生如果想該課程獲得高分，通常只需死記硬背書本中的知識(shí)點(diǎn)，在期末考試中便可應(yīng)對(duì)，然而學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力卻無法在考試成績(jī)中體現(xiàn)。因此，這種傳統(tǒng)的考核方法不僅無法客觀地反映出學(xué)生的學(xué)習(xí)情況與解決問題的能力，更無法準(zhǔn)確地評(píng)估學(xué)生的綜合素質(zhì)素養(yǎng)和創(chuàng)新實(shí)踐能力。

3 教學(xué)改革探索與實(shí)踐

針對(duì)“機(jī)器人控制技術(shù)”課程兼具理論學(xué)習(xí)與實(shí)踐操作的教學(xué)要求這一特點(diǎn)，在教學(xué)過程中不能只要求學(xué)生熟練推導(dǎo)書本中的公式，否則可能導(dǎo)致學(xué)生因?yàn)閺?fù)雜的計(jì)算過程而喪失學(xué)習(xí)興趣；應(yīng)當(dāng)以引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)為主，教師突出知識(shí)重點(diǎn)為輔，以求做到在學(xué)習(xí)的過程中可以深入淺出。在實(shí)踐操作的過程中，教師可以結(jié)合已經(jīng)講解過的理論知識(shí)，幫助學(xué)生進(jìn)一步理解掌握機(jī)器人控制的原理與意義。將動(dòng)力學(xué)、傳感器、軌跡規(guī)劃、運(yùn)動(dòng)學(xué)、控制方法理論等相關(guān)知識(shí)有效和實(shí)踐操作過程相結(jié)合，而不是要求學(xué)生按照已有的操作步驟按部就班地完成實(shí)驗(yàn)。綜合以上分析，我們從以下四個(gè)方面進(jìn)行教學(xué)改革，從而幫助學(xué)生提高學(xué)習(xí)效率與興趣，增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐操作能力。

3.1 課前預(yù)習(xí)知識(shí)，課中進(jìn)行知識(shí)交流

課前預(yù)習(xí)知識(shí)是教學(xué)過程中一個(gè)相當(dāng)重要的環(huán)節(jié)，它將會(huì)影響課堂上的學(xué)習(xí)情況，能夠使學(xué)生帶著問題來學(xué)習(xí)，所以在這一階段必須保證學(xué)生可以認(rèn)真地完成課前預(yù)習(xí)任務(wù)。因此，在這階段應(yīng)提前布置任務(wù)讓學(xué)生預(yù)習(xí)下堂課所講的知識(shí)，讓學(xué)生帶著問題認(rèn)真主動(dòng)地完成預(yù)習(xí)作業(yè)；并且可以建議學(xué)生搜索一些相關(guān)文獻(xiàn)閱讀來拓寬他們的知識(shí)面。例如“機(jī)器人控制技術(shù)”第二章節(jié)主要講解數(shù)理基礎(chǔ)，對(duì)應(yīng)的預(yù)習(xí)作業(yè)是“給一個(gè)指定的坐標(biāo)系，讓繞基坐標(biāo)系的軸旋轉(zhuǎn)90度，求變換所得的新坐標(biāo)系”。

課中環(huán)節(jié)主要通過了解學(xué)生課前預(yù)習(xí)的情況，對(duì)學(xué)生遇到問題和難點(diǎn)進(jìn)行重點(diǎn)講解，使教師所講的知識(shí)更加具有針對(duì)性，并通過隨堂考核檢驗(yàn)課前預(yù)習(xí)知識(shí)情況；或者將知識(shí)點(diǎn)劃分，讓學(xué)生以小組的形式組制作PPT匯報(bào)自己通過預(yù)習(xí)學(xué)習(xí)到了哪些知識(shí)，不僅可以提高學(xué)生在課堂上的參與度，而且可以加強(qiáng)學(xué)生之間的團(tuán)結(jié)精神。

3.2 適當(dāng)調(diào)整課程內(nèi)容，做到與時(shí)俱進(jìn)

目前機(jī)器人控制技術(shù)發(fā)展迅速，教材內(nèi)容的更新速度難以跟隨科技發(fā)展的步伐，教師在教學(xué)過程中需要對(duì)教材內(nèi)容作適當(dāng)?shù)娜∩岷脱a(bǔ)充，對(duì)于一些過程較為復(fù)雜的數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)可以對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)化，因?yàn)楸究茖W(xué)生就業(yè)的方向不是做科研理論推導(dǎo)與分析，所以在講授課程時(shí)應(yīng)當(dāng)著重突出最基本的概念定義和實(shí)際應(yīng)用。此外應(yīng)當(dāng)補(bǔ)充新的熱門技術(shù)知識(shí)與課堂內(nèi)容相結(jié)合，做到與時(shí)俱進(jìn)。通過介紹機(jī)器人行業(yè)最新的發(fā)展趨勢(shì)，可以增強(qiáng)學(xué)生對(duì)當(dāng)前主流技術(shù)發(fā)展的了解和興趣。在教學(xué)的過程中，教師可以與學(xué)生交流自己目前科研應(yīng)用到的相關(guān)原理和技術(shù)，并交流自己的研究經(jīng)驗(yàn)和心得，不僅可以使學(xué)生了解自動(dòng)化專業(yè)和機(jī)器人控制技術(shù)的前沿發(fā)展，而且可以掌握兩者滲透融合的思路和方法，從而激發(fā)他們更大的學(xué)習(xí)動(dòng)力。

3.3 改善實(shí)踐條件，增加實(shí)驗(yàn)課時(shí)

機(jī)器人控制技術(shù)的實(shí)驗(yàn)課是教學(xué)規(guī)劃中的重要環(huán)節(jié)之一，課程以培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力作為目標(biāo)，在加強(qiáng)學(xué)生對(duì)理論知識(shí)理解的同時(shí)，應(yīng)當(dāng)注重培養(yǎng)學(xué)生將所學(xué)知識(shí)和實(shí)踐操作相結(jié)合的能力以及自主創(chuàng)新的能力，并且極大程度地增加學(xué)生對(duì)這門課程的學(xué)習(xí)興趣。機(jī)器人控制技術(shù)課程中有些內(nèi)容比較抽象，學(xué)生理解起來會(huì)有難度。在實(shí)驗(yàn)課中采取現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)實(shí)踐的方法，可以使學(xué)生克服厭惡心理，提高他們學(xué)習(xí)效率。

3.4 完善課程評(píng)分體系和考核方式

為了確保教學(xué)改革的順利落實(shí)和更加完善地檢驗(yàn)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，有必要對(duì)該課程的評(píng)分體系和考核模式進(jìn)行改革。主要措施是改進(jìn)和優(yōu)化機(jī)器人控制技術(shù)課程的評(píng)分模式。通過閉卷考試、日常課后作業(yè)和課堂表現(xiàn)、實(shí)驗(yàn)課環(huán)節(jié)以及課程設(shè)計(jì)匯報(bào)的形式，按照一定的比例來對(duì)該課程進(jìn)行考核。在課堂教學(xué)的考試環(huán)節(jié)重點(diǎn)考查學(xué)生對(duì)相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)的掌握是否熟練，盡量避免考察只需記憶的機(jī)械題目。通過課前預(yù)習(xí)作業(yè)的完成情況和平時(shí)課堂上的表現(xiàn)來衡量學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力。實(shí)踐操作環(huán)節(jié)主要考查學(xué)生的動(dòng)手能力和合作精神。課程設(shè)計(jì)報(bào)告主要讓學(xué)生在實(shí)踐環(huán)節(jié)對(duì)課程進(jìn)行總結(jié)，記錄自己學(xué)習(xí)該課程過程中的收獲以及遇到的問題，鍛煉學(xué)生獨(dú)立的分析、歸納和總結(jié)問題的能力。

4 結(jié)語

本文以“機(jī)器人控制技術(shù)”課程為依托，結(jié)合學(xué)校的實(shí)際情況，分析課程在教學(xué)過程中存在的問題，并以培養(yǎng)應(yīng)用型人才為目標(biāo)，提出了相應(yīng)的教學(xué)改革措施。通過對(duì)課程理論內(nèi)容的優(yōu)化設(shè)置，對(duì)教學(xué)方式、教學(xué)內(nèi)容及實(shí)踐條件的不斷改革創(chuàng)新，對(duì)課程評(píng)分體系和考核方式的完善，大大提高了學(xué)生的自主創(chuàng)新能力以及解決實(shí)際問題的能力，充分發(fā)揮了學(xué)生的主觀能力性和教師的引導(dǎo)作用，為培養(yǎng)應(yīng)用型人才奠定了良好的基礎(chǔ)。

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