應用型本科院?！皺C器人學”課程改革探索

席萬強 邵子宴

摘?要：依據“機器人學”的課程性質，以及應用型本科院校的人才培養方案要求，以無錫學院為例，從學時安排、教材內容、教學方法、師資力量、考核方式等幾方面剖析了“機器人學”教學過程中存在的問題。并從這幾點詳細探討了實踐性較強的課程改革方案，旨在提升學生學習熱情，增強學生創新、自主學習意識，提高教學質量，為探索培養創新應用型人才模式提供參考。

關鍵詞：機器人學；課程改革；應用型本科院校；教學質量

中圖分類號：G642.0?文獻標識碼：A

機器人技術涉及機械工程、控制理論、計算機科學、電子科學、人工智能等多學科內容，是機電一體化的最高體現［1-2］?！皺C器人學”作為機器人技術相關專業培養計劃中一門非常重要的專業基礎課，是機器人研究的啟蒙課程［3］。然而，對于應用型本科院校的學生來說，該課程理論性較強，需要較好的數學、力學、控制論等學科基礎，學生學習過程較吃力，由此產生畏難情緒。為此，多名高校一線教師總結分享了自己對于這門課的教學經驗。

陳修龍等［4］通過建設《機器人技術》案例庫的方法，以此激發學生的興趣，培養學生的實踐創新能力。周妍等［5］對以項目為導向的線上線下混合教學模式的互動性課堂進行了教學效果的調研，結果表明新模式有利于提高學生興趣。張彥斌等［6］針對工程教育專業認證背景下的“機器人學”課程在教學中存在的問題，從教學內容、教學手段、實驗教學、科研與教學結合、教學評價體系等方面進行教學改革，取得了一定的效果。谷明信等［7］針對重慶文理學院開設的“機器人學基礎”課程為例，分析了應用型本科院校在課程教學上存在的問題，并從內容組織、教學方法、實踐教學、教學過程等幾方面進行了改革和探索。

以上文獻可以看出，“機器人學”的教學過程中還存在著許多不足，許多教師從不同方面對此進行了探討，并做了相應的改革，但闡述還不夠細致，無法適用于每個地方應用型本科院校的教學。為此，本文從課程性質特點出發，針對無錫學院的“機器人學”的教學現狀，從多個方面進行了探索，并提出了相應的教改方案。

一、課程性質與特點

“機器人學”不僅是無錫學院機器人工程專業學生的一門專業基礎課，也是自動化、機械電子工程兩專業的專業課。機器人工程專業學分更多，達到4個學分，64學時，是其他兩個專業的兩倍之多，可見無錫學院機器人工程專業對這門專業基礎課非常重視。該門課主要向同學們講授機器人的基本概念、機器人本體結構、機器人運動學、機器人動力學、機器人軌跡規劃、機器人控制等部分內容。培育學生對機器人理論知識的研究，以及具備一定的實踐操作能力，為以后升學、工作深造奠定基石。

然而“機器人學”這門課對于應用型本科院校學生來說，其理論部分抽象難懂，并要求學生具備多學科知識的能力，包括較好的數學計算能力、力學分析能力、控制設計能力等，這更進一步增加了學生對這門課的畏懼。在此之前，該門課一直作為機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、教學現狀分析

對于應用型本科院校的學生而言，以無錫學院為例，在教學實踐方面存在著幾個不容忽視的問題。

（1）學時安排不合理，配套實驗安排較少，理論知識內容過多。目前無錫學院開設“機器人學”課程的只有機器人工程、自動化、機械電子工程專業（其中機械電子工程專業2021年剛開始招生，目前還沒到講授專業課的階段）。該門課在機器人工程專業為必修課，4學分，64學時，全部為理論授課；其他兩專業為選修課，2學分，32學時，也全部為理論授課。本身這門課的知識點就抽象難懂，對學生基礎要求較高，學生對課堂講授的內容經常提不起興趣，對知識點一知半解。

（2）缺乏適合的教材，市面上多數教材都過于理論化，不適用于應用型高校學生的學習。目前已有的《機器人學》教材中，都是以傳統串聯機器人為研究對象，從其結構構型、運動學、動力學、軌跡規劃、控制等方面內容進行知識輸出，對于學生而言，內容太過于理論化。然而，大學生的機器人相關競賽大都為一些移動機器人、無人機、多足機器人等其他仿真型智能機器人，相比于傳統的工業機器人，學生更感興趣。

（3）教學方法跟不上新課程教學目標的需求。目前，無錫學院“機器人學”的授課方式還是以傳統教學方式為主，即老師講解、學生聽的“填鴨式”方法，加上學生的自主學習意識薄弱，限制了學生對知識點的理解和掌握，不利于創新能力的培養。

（4）專業師資力量嚴重不足。目前教授“機器人學”課程的教師多數畢業于機械電子工程專業，而無錫學院開設的機器人工程專業是隸屬于自動化學院的自動化系，教師由于缺乏對自動化專業的了解，知識面較單一，對知識的延展能力稍顯不足。且由于課程的特點，急需相關專業的復合型人才，而不是單一性人才。

（5）考核方式較單一，還是以傳統考核方式為主，即平時成績+期末成績，其中平時成績以出勤率為依據，占總成績的30%；期末成績以卷面考試或者報告的形式考查學生，一般課程性質為必修是以閉卷的形式考查學生對知識點的理解，選修是完成一份課程學習體會報告，占總成績的70%。這種考查方式很容易使學生忽視對平時學習的重視，經常出現考試前才復習的現象。

以上這些問題都制約著學生對該門課的汲取程度。

三、課程改革方案

下面主要針對應用型本科高?！皺C器人學”課程存在的一些現狀，在教學體系、教學內容、教學方法、師資力量、考核方式等幾方面進行初步改革探索。

（一）教學體系改革

“機器人學”作為機器人工程專業的專業核心基礎課，其重要性不言而喻，然而大多數高校的課時安排較少，且理論課時與實驗課時分配不合理。就以無錫學院為例，由于專業的特性、培養方案的不同，開設“機器人學”的三個專業機器人工程、自動化、機械電子工程在學時安排上也不同，但全部都是理論課時。針對應用型本科院校的特點，可按比例增設一定量的實驗課程，比如總學分4學分，64課時分為48可理論課時和16實驗課時；總學分2學分，32課時分為32理論課時和8實驗課時。通過增設實驗課時，可以鞏固同學們所學的理論知識以及提升學生學習的熱情。就以機器人運動學這一章節講解為例，該章內容包括：機器人位置和姿態的描述、坐標系的變換、連桿坐標系的建立、DH參數表的建立、正向運動學與逆向運動學求解等內容。教師在講解時，對內容已經做到細致具體，但學生們還是會聽得一知半解，對該課程產生了畏難情緒，越畏懼越不愿去學習，形成了惡性循環。筆者在第二次授課時，在課堂上針對這一章節，基于Matlab的robotic-toolbox工具箱額外給同學們演示了機器人DH參數表的建立，如何依據DH參數表建立機器人模型，正向運動學、逆向運動學是如何求解的。通過仿真演示，同學們對該部分的知識理解也變得透徹了，不再那么畏懼，甚至能對該知識點進行舉一反三。

（二）教學內容改革

市面上現用的教材都過于理論化、內容多，需要較好的數學基礎和物理學知識，對學生的要求比較高。為激發學生學習的熱情，結合應用型本科學生的培養要求，以簡化理論難度，增加實踐趣味性為宗旨，擬打算從下面幾方面來設計教學內容。第一章緒論部分，可參照北京大學謝廣明老師［8］的國家精品課程《魅力機器人》，以圖文并茂、問答互動的形式介紹機器人的定義、發展史、分類等基本概念，激發學生對機器人的學習興趣。第二、三章的運動學和動力學部分，通過一些仿真軟件，包括基于Matlab的robotic-toolbox工具箱、多體動力學仿真軟件Adams，對機器人的運動進行圖形動畫展示與實例驗證，加深學生對這部分知識的理解，做到舉一反三。此外，對于機器人動力學部分，由于難度較大，只保留速度雅可比的求解、靜力分析以及Lagrange動力學方程的推導三部分內容。第四章軌跡規劃部分分為關節空間軌跡規劃和笛卡爾空間的軌跡規劃，主要介紹三次多項式、五次多項式關節空間軌跡規劃方法，直線插補、圓弧插補方法，并結合Matlab的robotic-toolbox工具箱、多體動力學仿真軟件Adams，以圖形化、動畫顯示機器人的運動軌跡。第五章機器人控制部分主要以位置控制為主，通過介紹簡單的控制算法，例如PID控制、模糊控制，結合Matlab程序編程以及simulink模塊搭建機器人控制模型，既為以后同學進一步深造研究打下基礎，也激發了學生學習興趣，使得聽課質量提高。

（三）教學方法改革

以傳統教學法為基礎，以新的教學方法為輔，尤其是面對線上授課的問題，可以起到很好的效果。傳統的教學方法有講授法、演示法、討論法等。其中，講授法能在較短的時間內讓同學們獲取知識，充分發揮教師在教學中的主導地位；演示法可使得同學們直觀地去觀察課本上的物理原理與規律，有助于培養學生的觀察力，激發學生的認知興趣；通過課堂討論，培養學生思維能力、表達能力、團隊協作能力。但傳統教學法也存在著一些局限性，不利于因材施教，形成被動聽講的習慣；教具的準備較煩瑣，容易分散學生的注意力；學生沒法系統性地獲取知識，且耗時較長，容易偏離主題。這些都制約著同學們對本門課知識的獲取?；诖?，在“機器人學”教學中，引入一些新的教學方法。范例教學法以典型案例作為指引，以學生學習驅動力為目的，加強學生對知識的理解，深化學生的學習熱情。例如，在講解機器人運動學建模時，以三自由度的串聯機器人為案例，給同學們演示其建模過程，并讓同學們拓展到其他類型的機器人，結合robotic-toolbox工具箱搭建不同自由度的機器人，可以加深同學們對這部分知識的理解。引導探究法是教師根據知識點內容，由淺入深、循序漸進地以問題的形式引導學生進行思維，可充分發揮學生的主觀能動性，培養學生對立思維能力和探究能力，為學生參加機器人競賽打下夯實的基礎。例如，在講解機器人控制時，教師可引導學生從系統控制模型搭建，到每個模塊程序的編寫，以及控制算法如何調參，一步步地引導學生。在調參時，先給同學們講解每個參數對系統控制系能的影響，然后再次引導學生為滿足系統性能要求，該如何調節參數，鍛煉學生自主學習的能力。

（四）師資力量改革

注重師資培訓，尤其是專業領域的技能培訓，通過教師自身學識和見識的提升提高教學水平。當前，多數應用型本科院校在招聘時會招一些企業高級工程師，或需要應聘者具有企業任職的經歷，即“雙師型教師”。對于普通院校型教師，學校應該制定一些合理的政策，鼓勵教師去企業掛職鍛煉，豐富教師的實踐應用能力。同時，學校應該大力制定有效的科研激勵政策，鼓勵教師提升自身的科研水平，促進科研項目檔次和數量的有效提高，并鼓勵能力強的學生申請加入教師的科研項目，參加高水平的機器人競賽。每個教師都應該牢記“教學是一個教師的生存之路，科研是一個教師的發展之路”，做到教學和科研的有效結合。

（五）考核方式改革

目前，無錫學院對“機器人學”這門課的考核方式還是以傳統的考核方式為主，即平時成績+期末成績，其中平時成績以出勤率、課后作業、課堂問答情況為依據，占總成績的30%；期末成績以卷面考試或者報告的形式考查學生，一般課程性質為必修的是閉卷考試，選修的是報告，占總成績的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，但對于應用型本科院校的學生來說，基礎理論稍薄弱，學生依然充滿了畏懼，而且部分學校無法組織大規模的學期考試，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“機器人學”這門課的基本概念、基礎理論知識對學生進行考查，占比50%，平時成績占比增加到50%，除了上述考查形式之外，還包括教師針對每個章節布置的設計題、以學術匯報的形式考查學生對課程的認知情況等。通過多種形式的考核方式，學生在平時查閱資料的過程中拓寬了知識面，鍛煉了自主學習的能力。

結語

本文結合無錫學院機器人工程等其他開設“機器人學”課程專業的實際情況，探索了應用型本科院?！皺C器人學”在教學過程中存在的一些問題，并提出了相應的改革方案。從教學體系、教學內容、教學方法、師資力量、考核方式這幾方面進行了探討，旨在拓展學生的創新思路，激發學生的學習熱情，培養學生實踐能力和團隊協作能力，使得這一門枯燥乏味的理論課程能更容易被理解與掌握。同時，也更適用于線上教育形式，為其他專業課的課改和廣大的應用型本科院校課程改革提供了新思路。

參考文獻：

［1］劉相權，李啟光.機器人學課程教學改革的探索與實踐［J］.教育教學論壇，2018（10）：126-128.

［2］陳德潮.大數據背景下機器人學課程的教學改革研究［J］.科技風，2020（05）：56.

［3］王晶，薛光輝.“新工科”背景下機器人學課程教學改革與探索［J］.科技創新導報，2020，17（08）：180-181.

［4］陳修龍，盛永超，高順，等.《機器人技術》案例庫的建設研究［J］.創新創業理論研究與實踐，2022，5（11）：161-163.

［5］周妍，張然，王東生.“機器人學”課程混合教學模式探索與實踐［J］.職業技術，2022，21（07）：75-82.

［6］張彥斌，宋磊，邱明，等.面向工程教育專業認證的機器人學課程教學改革與實踐［J］.中國現代教育裝備，2017（09）：32-35.

［7］谷明信，魯鵬.應用型本科院校機器人學課程教學改革探索［J］.產業與科技論壇，2020，19（04）：191-192.

［8］謝廣明.機器人引論——魅力無窮的機器人世界［M］.北京大學出版社，2017.

基金項目：2021年度第一批產學合作協同育人項目“校企合作模式下的工業機器人師資培訓課程體系建設”（202101193010）；2021年江蘇省高等教育教改研究立項重點課題“新工科背景下地方高校自動化專業應用型人才培養模式研究”（2021JSJG064）

作者簡介：席萬強（1989—?），男，江蘇興化人，博士，無錫學院自動化學院講師，主要從事機器人相關技術研究；邵子宴（1990—?），男，山東棗莊人，博士，無錫學院自動化學院講師，主要從事康復機器人技術研究。