智能機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計(jì)課程改革探究

宮赤坤　陳雄武

摘要：智能機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計(jì)課程對(duì)培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力有很大幫助。本文對(duì)智能機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計(jì)課程現(xiàn)狀進(jìn)行剖析，指出目前教學(xué)中存在的一系列問(wèn)題，針對(duì)所提出的問(wèn)題設(shè)置相應(yīng)教學(xué)課程與改革方案，為改革探究智能機(jī)器人課程的高校提供一定參考。

關(guān)鍵詞：智能機(jī)器人;教學(xué)課程;改革方案

Research on the Reform of Intelligent Robot Innovation Design Course

GONG Chi-kun? CHEN Xiong-wu

（University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093，China）

【Abstract】The intelligent robot innovative design course is of great help to train students' innovative design ability. This article analyzes the current status of the intelligent robot innovative design courses， points out a series of problems in the current teaching， and sets up corresponding teaching courses and reform schemes for the proposed problems， providing a certain reference for the reform of universities exploring intelligent robot courses.

【Key words】Intelligent robot; teaching course; reform plan

智能機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計(jì)課程是與機(jī)器人設(shè)計(jì)、制造、應(yīng)用相關(guān)的學(xué)科，是研究機(jī)器人的基礎(chǔ)和重點(diǎn)。本課程以 “智能機(jī)器人”為載體，組織學(xué)生對(duì)智能機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，引導(dǎo)學(xué)生掌握機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、編程、調(diào)試技能，熟悉相應(yīng)的采購(gòu)、加工、裝配流程。本文以上海理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)器人工程專業(yè)為例，提出一種針對(duì)智能機(jī)器人專業(yè)課程設(shè)置和建設(shè)的探究思路。

一、國(guó)內(nèi)智能機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計(jì)課程教學(xué)現(xiàn)狀

在國(guó)外，機(jī)器人教育進(jìn)入課堂的時(shí)間較早。我國(guó)機(jī)器人工程專業(yè)設(shè)置雖較晚，但對(duì)機(jī)器人教學(xué)的研究卻已擁有很長(zhǎng)一段時(shí)間。如今，國(guó)內(nèi)各大高校在本科和研究生階段均開設(shè)機(jī)器人方面的相關(guān)課程。

國(guó)內(nèi)開設(shè)機(jī)器人方面的相關(guān)課程最早在研究生階段，面向?qū)ο笾饕ǜ咝Ｖ械臋C(jī)械、電氣、自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)等理工科專業(yè)。此類專業(yè)開設(shè)機(jī)器人課程時(shí)大多以機(jī)器人概論、機(jī)器人學(xué)、機(jī)器人基礎(chǔ)為主，通過(guò)理論學(xué)習(xí)使學(xué)生掌握機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、軌跡規(guī)劃、控制學(xué)等各方面內(nèi)容。但機(jī)器人學(xué)科是一門交叉性很強(qiáng)的學(xué)科，單單在一個(gè)課程內(nèi)講述機(jī)器人知識(shí)往往不切實(shí)際。

二、智能機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計(jì)課程教學(xué)中存在的問(wèn)題

1.理論知識(shí)深，學(xué)生理解難

智能機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計(jì)課程的理論知識(shí)較深，需有數(shù)學(xué)、力學(xué)基礎(chǔ)，尤其在運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、控制原理方面，要求學(xué)生具備良好的邏輯性，否則在學(xué)習(xí)時(shí)會(huì)感到非常抽象。通過(guò)一段時(shí)間的教學(xué)探究，按傳統(tǒng)課程設(shè)置講授機(jī)器人理論會(huì)嚴(yán)重削減學(xué)生對(duì)智能機(jī)器人課程的興趣，機(jī)器人課程教學(xué)中抽象又繁瑣的理論確實(shí)不利于學(xué)生吸收和應(yīng)用，在某種程度上反而引起學(xué)生的畏懼。

2.講授方式死板，學(xué)生興趣不高

高校課程主要以“教授講，學(xué)生聽(tīng)”為主，教學(xué)過(guò)程過(guò)于死板。當(dāng)今科技飛速發(fā)展，科幻電影層出不窮，課本上的智能機(jī)器人過(guò)于陳舊，毫無(wú)創(chuàng)新優(yōu)勢(shì)。在學(xué)生眼里，智能機(jī)器人絕不是書上的連桿、關(guān)節(jié)等機(jī)械結(jié)構(gòu)。相反，學(xué)生更喜歡創(chuàng)新型甚至自己獨(dú)立設(shè)計(jì)的智能機(jī)器人。

3.教學(xué)用書不明確，規(guī)劃設(shè)計(jì)不科學(xué)

智能機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計(jì)課程在國(guó)內(nèi)沒(méi)有統(tǒng)一規(guī)范的授課教材，部分高校開展智能機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計(jì)課程只是一味地跟風(fēng)機(jī)器人教育，整個(gè)教學(xué)過(guò)程沒(méi)有合理的教材和科學(xué)的教學(xué)規(guī)劃設(shè)計(jì)，個(gè)別學(xué)校甚至將一些公司的產(chǎn)品說(shuō)明書作為教材進(jìn)行教授，教學(xué)活動(dòng)隨意性太強(qiáng)。

4.知識(shí)應(yīng)用不足，忽略創(chuàng)新

智能機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計(jì)課程是交叉性非常強(qiáng)的學(xué)科，學(xué)生在學(xué)習(xí)智能機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計(jì)課程前須具備機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械原理、電子電工、控制工程基礎(chǔ)、傳感技術(shù)、測(cè)試技術(shù)等基礎(chǔ)課程知識(shí)，否則在學(xué)習(xí)時(shí)會(huì)遇到很大的阻力。然而在目前課程教學(xué)中，有的學(xué)生不能將智能機(jī)器人結(jié)構(gòu)與機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械原理知識(shí)相結(jié)合，有的學(xué)生不能運(yùn)用矩陣知識(shí)解決機(jī)器人的位姿變換，還有的學(xué)生對(duì)傳感技術(shù)一無(wú)所知，這些都體現(xiàn)出缺乏或難以應(yīng)用所學(xué)知識(shí)的現(xiàn)象。其次，教師過(guò)多側(cè)重理論教學(xué)、片面忽略創(chuàng)新。對(duì)于智能機(jī)器人的機(jī)械本體設(shè)計(jì)，只是基于原結(jié)構(gòu)而未積極引導(dǎo)學(xué)生基于理論設(shè)計(jì)基礎(chǔ)進(jìn)行結(jié)構(gòu)方面的創(chuàng)新，沒(méi)有讓學(xué)生獨(dú)立思考，動(dòng)手操作，探索優(yōu)化。

三、智能機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計(jì)課程教學(xué)內(nèi)容設(shè)置

智能機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計(jì)課程包括基礎(chǔ)理論、編程、項(xiàng)目實(shí)踐三部分，如表1所示。第一部分以理論知識(shí)為主，通過(guò)該階段學(xué)習(xí)學(xué)生可掌握機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、軌跡規(guī)劃三大核心理論知識(shí)，教學(xué)時(shí)可利用機(jī)器人器材搭建簡(jiǎn)易模型，通過(guò)模型激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維和創(chuàng)新能力;第二部分以學(xué)習(xí)軟件為主，機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中牽扯到大量矩陣運(yùn)算，學(xué)習(xí)MATLAB可大大減少運(yùn)算量，把更多精力投入機(jī)器人結(jié)構(gòu)創(chuàng)新中去。此外MATLAB還有專門的機(jī)器人模塊，能為機(jī)器人研究提供巨大方便。第三部分將基于項(xiàng)目將所學(xué)變?yōu)樗?，在已有理論知識(shí)和編程能力基礎(chǔ)上制作雙足機(jī)器人。動(dòng)手實(shí)踐是一個(gè)知識(shí)運(yùn)用與創(chuàng)新思考過(guò)程，它可以培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力，同時(shí)對(duì)鞏固知識(shí)體系、加深理論理解有巨大幫助。

四、結(jié)語(yǔ)

引入智能機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計(jì)課程，一方面，不僅可以調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，也可以加深學(xué)生對(duì)機(jī)器人理論知識(shí)的理解，更能提高學(xué)生的動(dòng)手操作能力，真正達(dá)到學(xué)以致用效果;另一方面，還可以讓學(xué)生充分發(fā)揮自主創(chuàng)新能力，從自主設(shè)計(jì)到動(dòng)手調(diào)試全方位認(rèn)識(shí)智能機(jī)器人，讓各個(gè)方面的能力得到全面鍛煉。

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