席萬(wàn)強(qiáng) 邵子宴

摘?要：依據(jù)“機(jī)器人學(xué)”的課程性質(zhì)，以及應(yīng)用型本科院校的人才培養(yǎng)方案要求，以無(wú)錫學(xué)院為例，從學(xué)時(shí)安排、教材內(nèi)容、教學(xué)方法、師資力量、考核方式等幾方面剖析了“機(jī)器人學(xué)”教學(xué)過(guò)程中存在的問(wèn)題。并從這幾點(diǎn)詳細(xì)探討了實(shí)踐性較強(qiáng)的課程改革方案，旨在提升學(xué)生學(xué)習(xí)熱情，增強(qiáng)學(xué)生創(chuàng)新、自主學(xué)習(xí)意識(shí)，提高教學(xué)質(zhì)量，為探索培養(yǎng)創(chuàng)新應(yīng)用型人才模式提供參考。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人學(xué)；課程改革；應(yīng)用型本科院校；教學(xué)質(zhì)量

中圖分類號(hào)：G642.0?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

機(jī)器人技術(shù)涉及機(jī)械工程、控制理論、計(jì)算機(jī)科學(xué)、電子科學(xué)、人工智能等多學(xué)科內(nèi)容，是機(jī)電一體化的最高體現(xiàn)［1-2］?！皺C(jī)器人學(xué)”作為機(jī)器人技術(shù)相關(guān)專業(yè)培養(yǎng)計(jì)劃中一門(mén)非常重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，是機(jī)器人研究的啟蒙課程［3］。然而，對(duì)于應(yīng)用型本科院校的學(xué)生來(lái)說(shuō)，該課程理論性較強(qiáng)，需要較好的數(shù)學(xué)、力學(xué)、控制論等學(xué)科基礎(chǔ)，學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程較吃力，由此產(chǎn)生畏難情緒。為此，多名高校一線教師總結(jié)分享了自己對(duì)于這門(mén)課的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)。

陳修龍等［4］通過(guò)建設(shè)《機(jī)器人技術(shù)》案例庫(kù)的方法，以此激發(fā)學(xué)生的興趣，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力。周妍等［5］對(duì)以項(xiàng)目為導(dǎo)向的線上線下混合教學(xué)模式的互動(dòng)性課堂進(jìn)行了教學(xué)效果的調(diào)研，結(jié)果表明新模式有利于提高學(xué)生興趣。張彥斌等［6］針對(duì)工程教育專業(yè)認(rèn)證背景下的“機(jī)器人學(xué)”課程在教學(xué)中存在的問(wèn)題，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段、實(shí)驗(yàn)教學(xué)、科研與教學(xué)結(jié)合、教學(xué)評(píng)價(jià)體系等方面進(jìn)行教學(xué)改革，取得了一定的效果。谷明信等［7］針對(duì)重慶文理學(xué)院開(kāi)設(shè)的“機(jī)器人學(xué)基礎(chǔ)”課程為例，分析了應(yīng)用型本科院校在課程教學(xué)上存在的問(wèn)題，并從內(nèi)容組織、教學(xué)方法、實(shí)踐教學(xué)、教學(xué)過(guò)程等幾方面進(jìn)行了改革和探索。

以上文獻(xiàn)可以看出，“機(jī)器人學(xué)”的教學(xué)過(guò)程中還存在著許多不足，許多教師從不同方面對(duì)此進(jìn)行了探討，并做了相應(yīng)的改革，但闡述還不夠細(xì)致，無(wú)法適用于每個(gè)地方應(yīng)用型本科院校的教學(xué)。為此，本文從課程性質(zhì)特點(diǎn)出發(fā)，針對(duì)無(wú)錫學(xué)院的“機(jī)器人學(xué)”的教學(xué)現(xiàn)狀，從多個(gè)方面進(jìn)行了探索，并提出了相應(yīng)的教改方案。

一、課程性質(zhì)與特點(diǎn)

“機(jī)器人學(xué)”不僅是無(wú)錫學(xué)院機(jī)器人工程專業(yè)學(xué)生的一門(mén)專業(yè)基礎(chǔ)課，也是自動(dòng)化、機(jī)械電子工程兩專業(yè)的專業(yè)課。機(jī)器人工程專業(yè)學(xué)分更多，達(dá)到4個(gè)學(xué)分，64學(xué)時(shí)，是其他兩個(gè)專業(yè)的兩倍之多，可見(jiàn)無(wú)錫學(xué)院機(jī)器人工程專業(yè)對(duì)這門(mén)專業(yè)基礎(chǔ)課非常重視。該門(mén)課主要向同學(xué)們講授機(jī)器人的基本概念、機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)、機(jī)器人動(dòng)力學(xué)、機(jī)器人軌跡規(guī)劃、機(jī)器人控制等部分內(nèi)容。培育學(xué)生對(duì)機(jī)器人理論知識(shí)的研究，以及具備一定的實(shí)踐操作能力，為以后升學(xué)、工作深造奠定基石。

然而“機(jī)器人學(xué)”這門(mén)課對(duì)于應(yīng)用型本科院校學(xué)生來(lái)說(shuō)，其理論部分抽象難懂，并要求學(xué)生具備多學(xué)科知識(shí)的能力，包括較好的數(shù)學(xué)計(jì)算能力、力學(xué)分析能力、控制設(shè)計(jì)能力等，這更進(jìn)一步增加了學(xué)生對(duì)這門(mén)課的畏懼。在此之前，該門(mén)課一直作為機(jī)器人研究方向的研究生必修課程，在本科階段也只是作為選修課。

二、教學(xué)現(xiàn)狀分析

對(duì)于應(yīng)用型本科院校的學(xué)生而言，以無(wú)錫學(xué)院為例，在教學(xué)實(shí)踐方面存在著幾個(gè)不容忽視的問(wèn)題。

（1）學(xué)時(shí)安排不合理，配套實(shí)驗(yàn)安排較少，理論知識(shí)內(nèi)容過(guò)多。目前無(wú)錫學(xué)院開(kāi)設(shè)“機(jī)器人學(xué)”課程的只有機(jī)器人工程、自動(dòng)化、機(jī)械電子工程專業(yè)（其中機(jī)械電子工程專業(yè)2021年剛開(kāi)始招生，目前還沒(méi)到講授專業(yè)課的階段）。該門(mén)課在機(jī)器人工程專業(yè)為必修課，4學(xué)分，64學(xué)時(shí)，全部為理論授課；其他兩專業(yè)為選修課，2學(xué)分，32學(xué)時(shí)，也全部為理論授課。本身這門(mén)課的知識(shí)點(diǎn)就抽象難懂，對(duì)學(xué)生基礎(chǔ)要求較高，學(xué)生對(duì)課堂講授的內(nèi)容經(jīng)常提不起興趣，對(duì)知識(shí)點(diǎn)一知半解。

（2）缺乏適合的教材，市面上多數(shù)教材都過(guò)于理論化，不適用于應(yīng)用型高校學(xué)生的學(xué)習(xí)。目前已有的《機(jī)器人學(xué)》教材中，都是以傳統(tǒng)串聯(lián)機(jī)器人為研究對(duì)象，從其結(jié)構(gòu)構(gòu)型、運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、軌跡規(guī)劃、控制等方面內(nèi)容進(jìn)行知識(shí)輸出，對(duì)于學(xué)生而言，內(nèi)容太過(guò)于理論化。然而，大學(xué)生的機(jī)器人相關(guān)競(jìng)賽大都為一些移動(dòng)機(jī)器人、無(wú)人機(jī)、多足機(jī)器人等其他仿真型智能機(jī)器人，相比于傳統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人，學(xué)生更感興趣。

（3）教學(xué)方法跟不上新課程教學(xué)目標(biāo)的需求。目前，無(wú)錫學(xué)院“機(jī)器人學(xué)”的授課方式還是以傳統(tǒng)教學(xué)方式為主，即老師講解、學(xué)生聽(tīng)的“填鴨式”方法，加上學(xué)生的自主學(xué)習(xí)意識(shí)薄弱，限制了學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解和掌握，不利于創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

（4）專業(yè)師資力量嚴(yán)重不足。目前教授“機(jī)器人學(xué)”課程的教師多數(shù)畢業(yè)于機(jī)械電子工程專業(yè)，而無(wú)錫學(xué)院開(kāi)設(shè)的機(jī)器人工程專業(yè)是隸屬于自動(dòng)化學(xué)院的自動(dòng)化系，教師由于缺乏對(duì)自動(dòng)化專業(yè)的了解，知識(shí)面較單一，對(duì)知識(shí)的延展能力稍顯不足。且由于課程的特點(diǎn)，急需相關(guān)專業(yè)的復(fù)合型人才，而不是單一性人才。

（5）考核方式較單一，還是以傳統(tǒng)考核方式為主，即平時(shí)成績(jī)+期末成績(jī)，其中平時(shí)成績(jī)以出勤率為依據(jù)，占總成績(jī)的30%；期末成績(jī)以卷面考試或者報(bào)告的形式考查學(xué)生，一般課程性質(zhì)為必修是以閉卷的形式考查學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解，選修是完成一份課程學(xué)習(xí)體會(huì)報(bào)告，占總成績(jī)的70%。這種考查方式很容易使學(xué)生忽視對(duì)平時(shí)學(xué)習(xí)的重視，經(jīng)常出現(xiàn)考試前才復(fù)習(xí)的現(xiàn)象。

以上這些問(wèn)題都制約著學(xué)生對(duì)該門(mén)課的汲取程度。

三、課程改革方案

下面主要針對(duì)應(yīng)用型本科高?！皺C(jī)器人學(xué)”課程存在的一些現(xiàn)狀，在教學(xué)體系、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、師資力量、考核方式等幾方面進(jìn)行初步改革探索。

（一）教學(xué)體系改革

“機(jī)器人學(xué)”作為機(jī)器人工程專業(yè)的專業(yè)核心基礎(chǔ)課，其重要性不言而喻，然而大多數(shù)高校的課時(shí)安排較少，且理論課時(shí)與實(shí)驗(yàn)課時(shí)分配不合理。就以無(wú)錫學(xué)院為例，由于專業(yè)的特性、培養(yǎng)方案的不同，開(kāi)設(shè)“機(jī)器人學(xué)”的三個(gè)專業(yè)機(jī)器人工程、自動(dòng)化、機(jī)械電子工程在學(xué)時(shí)安排上也不同，但全部都是理論課時(shí)。針對(duì)應(yīng)用型本科院校的特點(diǎn)，可按比例增設(shè)一定量的實(shí)驗(yàn)課程，比如總學(xué)分4學(xué)分，64課時(shí)分為48可理論課時(shí)和16實(shí)驗(yàn)課時(shí)；總學(xué)分2學(xué)分，32課時(shí)分為32理論課時(shí)和8實(shí)驗(yàn)課時(shí)。通過(guò)增設(shè)實(shí)驗(yàn)課時(shí)，可以鞏固同學(xué)們所學(xué)的理論知識(shí)以及提升學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情。就以機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)這一章節(jié)講解為例，該章內(nèi)容包括：機(jī)器人位置和姿態(tài)的描述、坐標(biāo)系的變換、連桿坐標(biāo)系的建立、DH參數(shù)表的建立、正向運(yùn)動(dòng)學(xué)與逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)求解等內(nèi)容。教師在講解時(shí)，對(duì)內(nèi)容已經(jīng)做到細(xì)致具體，但學(xué)生們還是會(huì)聽(tīng)得一知半解，對(duì)該課程產(chǎn)生了畏難情緒，越畏懼越不愿去學(xué)習(xí)，形成了惡性循環(huán)。筆者在第二次授課時(shí)，在課堂上針對(duì)這一章節(jié)，基于Matlab的robotic-toolbox工具箱額外給同學(xué)們演示了機(jī)器人DH參數(shù)表的建立，如何依據(jù)DH參數(shù)表建立機(jī)器人模型，正向運(yùn)動(dòng)學(xué)、逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)是如何求解的。通過(guò)仿真演示，同學(xué)們對(duì)該部分的知識(shí)理解也變得透徹了，不再那么畏懼，甚至能對(duì)該知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行舉一反三。

（二）教學(xué)內(nèi)容改革

市面上現(xiàn)用的教材都過(guò)于理論化、內(nèi)容多，需要較好的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)和物理學(xué)知識(shí)，對(duì)學(xué)生的要求比較高。為激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情，結(jié)合應(yīng)用型本科學(xué)生的培養(yǎng)要求，以簡(jiǎn)化理論難度，增加實(shí)踐趣味性為宗旨，擬打算從下面幾方面來(lái)設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容。第一章緒論部分，可參照北京大學(xué)謝廣明老師［8］的國(guó)家精品課程《魅力機(jī)器人》，以圖文并茂、問(wèn)答互動(dòng)的形式介紹機(jī)器人的定義、發(fā)展史、分類等基本概念，激發(fā)學(xué)生對(duì)機(jī)器人的學(xué)習(xí)興趣。第二、三章的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)部分，通過(guò)一些仿真軟件，包括基于Matlab的robotic-toolbox工具箱、多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件Adams，對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行圖形動(dòng)畫(huà)展示與實(shí)例驗(yàn)證，加深學(xué)生對(duì)這部分知識(shí)的理解，做到舉一反三。此外，對(duì)于機(jī)器人動(dòng)力學(xué)部分，由于難度較大，只保留速度雅可比的求解、靜力分析以及Lagrange動(dòng)力學(xué)方程的推導(dǎo)三部分內(nèi)容。第四章軌跡規(guī)劃部分分為關(guān)節(jié)空間軌跡規(guī)劃和笛卡爾空間的軌跡規(guī)劃，主要介紹三次多項(xiàng)式、五次多項(xiàng)式關(guān)節(jié)空間軌跡規(guī)劃方法，直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)方法，并結(jié)合Matlab的robotic-toolbox工具箱、多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件Adams，以圖形化、動(dòng)畫(huà)顯示機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡。第五章機(jī)器人控制部分主要以位置控制為主，通過(guò)介紹簡(jiǎn)單的控制算法，例如PID控制、模糊控制，結(jié)合Matlab程序編程以及simulink模塊搭建機(jī)器人控制模型，既為以后同學(xué)進(jìn)一步深造研究打下基礎(chǔ)，也激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，使得聽(tīng)課質(zhì)量提高。

（三）教學(xué)方法改革

以傳統(tǒng)教學(xué)法為基礎(chǔ)，以新的教學(xué)方法為輔，尤其是面對(duì)線上授課的問(wèn)題，可以起到很好的效果。傳統(tǒng)的教學(xué)方法有講授法、演示法、討論法等。其中，講授法能在較短的時(shí)間內(nèi)讓同學(xué)們獲取知識(shí)，充分發(fā)揮教師在教學(xué)中的主導(dǎo)地位；演示法可使得同學(xué)們直觀地去觀察課本上的物理原理與規(guī)律，有助于培養(yǎng)學(xué)生的觀察力，激發(fā)學(xué)生的認(rèn)知興趣；通過(guò)課堂討論，培養(yǎng)學(xué)生思維能力、表達(dá)能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。但傳統(tǒng)教學(xué)法也存在著一些局限性，不利于因材施教，形成被動(dòng)聽(tīng)講的習(xí)慣；教具的準(zhǔn)備較煩瑣，容易分散學(xué)生的注意力；學(xué)生沒(méi)法系統(tǒng)性地獲取知識(shí)，且耗時(shí)較長(zhǎng)，容易偏離主題。這些都制約著同學(xué)們對(duì)本門(mén)課知識(shí)的獲取。基于此，在“機(jī)器人學(xué)”教學(xué)中，引入一些新的教學(xué)方法。范例教學(xué)法以典型案例作為指引，以學(xué)生學(xué)習(xí)驅(qū)動(dòng)力為目的，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解，深化學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。例如，在講解機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)建模時(shí)，以三自由度的串聯(lián)機(jī)器人為案例，給同學(xué)們演示其建模過(guò)程，并讓同學(xué)們拓展到其他類型的機(jī)器人，結(jié)合robotic-toolbox工具箱搭建不同自由度的機(jī)器人，可以加深同學(xué)們對(duì)這部分知識(shí)的理解。引導(dǎo)探究法是教師根據(jù)知識(shí)點(diǎn)內(nèi)容，由淺入深、循序漸進(jìn)地以問(wèn)題的形式引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行思維，可充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)立思維能力和探究能力，為學(xué)生參加機(jī)器人競(jìng)賽打下夯實(shí)的基礎(chǔ)。例如，在講解機(jī)器人控制時(shí)，教師可引導(dǎo)學(xué)生從系統(tǒng)控制模型搭建，到每個(gè)模塊程序的編寫(xiě)，以及控制算法如何調(diào)參，一步步地引導(dǎo)學(xué)生。在調(diào)參時(shí)，先給同學(xué)們講解每個(gè)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)控制系能的影響，然后再次引導(dǎo)學(xué)生為滿足系統(tǒng)性能要求，該如何調(diào)節(jié)參數(shù)，鍛煉學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力。

（四）師資力量改革

注重師資培訓(xùn)，尤其是專業(yè)領(lǐng)域的技能培訓(xùn)，通過(guò)教師自身學(xué)識(shí)和見(jiàn)識(shí)的提升提高教學(xué)水平。當(dāng)前，多數(shù)應(yīng)用型本科院校在招聘時(shí)會(huì)招一些企業(yè)高級(jí)工程師，或需要應(yīng)聘者具有企業(yè)任職的經(jīng)歷，即“雙師型教師”。對(duì)于普通院校型教師，學(xué)校應(yīng)該制定一些合理的政策，鼓勵(lì)教師去企業(yè)掛職鍛煉，豐富教師的實(shí)踐應(yīng)用能力。同時(shí)，學(xué)校應(yīng)該大力制定有效的科研激勵(lì)政策，鼓勵(lì)教師提升自身的科研水平，促進(jìn)科研項(xiàng)目檔次和數(shù)量的有效提高，并鼓勵(lì)能力強(qiáng)的學(xué)生申請(qǐng)加入教師的科研項(xiàng)目，參加高水平的機(jī)器人競(jìng)賽。每個(gè)教師都應(yīng)該牢記“教學(xué)是一個(gè)教師的生存之路，科研是一個(gè)教師的發(fā)展之路”，做到教學(xué)和科研的有效結(jié)合。

（五）考核方式改革

目前，無(wú)錫學(xué)院對(duì)“機(jī)器人學(xué)”這門(mén)課的考核方式還是以傳統(tǒng)的考核方式為主，即平時(shí)成績(jī)+期末成績(jī)，其中平時(shí)成績(jī)以出勤率、課后作業(yè)、課堂問(wèn)答情況為依據(jù)，占總成績(jī)的30%；期末成績(jī)以卷面考試或者報(bào)告的形式考查學(xué)生，一般課程性質(zhì)為必修的是閉卷考試，選修的是報(bào)告，占總成績(jī)的70%。盡管這種考試形式一定程度上減弱了以期末考試為定論的考查形式，但對(duì)于應(yīng)用型本科院校的學(xué)生來(lái)說(shuō)，基礎(chǔ)理論稍薄弱，學(xué)生依然充滿了畏懼，而且部分學(xué)校無(wú)法組織大規(guī)模的學(xué)期考試，因此多種形式的考核方式是有必要的。例如，期末考試主要針對(duì)“機(jī)器人學(xué)”這門(mén)課的基本概念、基礎(chǔ)理論知識(shí)對(duì)學(xué)生進(jìn)行考查，占比50%，平時(shí)成績(jī)占比增加到50%，除了上述考查形式之外，還包括教師針對(duì)每個(gè)章節(jié)布置的設(shè)計(jì)題、以學(xué)術(shù)匯報(bào)的形式考查學(xué)生對(duì)課程的認(rèn)知情況等。通過(guò)多種形式的考核方式，學(xué)生在平時(shí)查閱資料的過(guò)程中拓寬了知識(shí)面，鍛煉了自主學(xué)習(xí)的能力。

結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合無(wú)錫學(xué)院機(jī)器人工程等其他開(kāi)設(shè)“機(jī)器人學(xué)”課程專業(yè)的實(shí)際情況，探索了應(yīng)用型本科院?！皺C(jī)器人學(xué)”在教學(xué)過(guò)程中存在的一些問(wèn)題，并提出了相應(yīng)的改革方案。從教學(xué)體系、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、師資力量、考核方式這幾方面進(jìn)行了探討，旨在拓展學(xué)生的創(chuàng)新思路，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，使得這一門(mén)枯燥乏味的理論課程能更容易被理解與掌握。同時(shí)，也更適用于線上教育形式，為其他專業(yè)課的課改和廣大的應(yīng)用型本科院校課程改革提供了新思路。

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［7］谷明信，魯鵬.應(yīng)用型本科院校機(jī)器人學(xué)課程教學(xué)改革探索［J］.產(chǎn)業(yè)與科技論壇，2020，19（04）：191-192.

［8］謝廣明.機(jī)器人引論——魅力無(wú)窮的機(jī)器人世界［M］.北京大學(xué)出版社，2017.

基金項(xiàng)目：2021年度第一批產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項(xiàng)目“校企合作模式下的工業(yè)機(jī)器人師資培訓(xùn)課程體系建設(shè)”（202101193010）；2021年江蘇省高等教育教改研究立項(xiàng)重點(diǎn)課題“新工科背景下地方高校自動(dòng)化專業(yè)應(yīng)用型人才培養(yǎng)模式研究”（2021JSJG064）

作者簡(jiǎn)介：席萬(wàn)強(qiáng)（1989—?），男，江蘇興化人，博士，無(wú)錫學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院講師，主要從事機(jī)器人相關(guān)技術(shù)研究；邵子宴（1990—?），男，山東棗莊人，博士，無(wú)錫學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院講師，主要從事康復(fù)機(jī)器人技術(shù)研究。