機器人通識類課程實驗教學研究與實踐

房 明，王洪君

（1.山東大學 信息科學與工程學院，青島 266237；2.山東大學 山東大學（青島）公共（創新）實驗教學中心，青島 266237）

近年來，機器人技術保持高速發展，機器人是多學科高度交叉融合的應用產物，在我們的生產和生活中的應用越來越廣泛。高校作為創新人才培養的搖籃，自然十分重視機器人技術相關教學。由于機器人的實踐性和工程性強，我們對開展相關實驗教學，進行實驗教學研究與實踐應給予足夠的重視[1-3]。通過實驗可以對理論知識理解更為深刻，為學以致用打下基礎，培養解決實際問題的實踐能力[4]。

通識課程是高校學生培養方案的重要組成部分。山東大學十分重視通識教育，并充分發揮綜合性大學的優勢，開設了大量涉及各個學科和領域的通識類課程，鼓勵學生跨學科選課，促進學科交叉融合，開拓學生視野。面向各專業所開通識課程中，不乏機器人技術相關課程，但數量相對較少，學生學習積極性不高，在課程進行中仍然存在重理論輕實踐，未有效利用機器人教學資源，缺乏適用的教學資料等具體、現實的難點問題。

本文圍繞目前機器人通識課程存在的問題，結合學校開展機器人技術教學的實際情況，將實驗教學引入機器人通識課程，并保證實踐內容在課程中占有較大的比例，充分利用現有機器人實驗教學資源，對機器人通識類實驗教學進行研究與實踐。開設適于通識教育，能夠普遍推廣的機器人創新實踐課程，改革機器人通識類課程教學方案，同時推進機器人教學資源和實驗室的開放共享。

1 難點問題

山東大學（青島）公共（創新）實驗教學中心（以下簡稱中心）作為公共實驗平臺，開設和承擔通識類創新實踐課程并開展實驗教學是中心的重點工作之一。學校相關專業的老師對機器人技術通識教育進行了有效的探索，開設了一些課程，但是根據當前學校的實際教學情況，并結合教學資源和實驗室等方面的情況，發現仍然存在一些具體、現實的難點問題。

1）機器人通識課程總體數量相對較少，學生的選擇有限，尤其在中心所在的青島校區，缺乏機器人通識課程。

2）機器人通識課程教學手段單一，以科普和理論講解為主，部分課程中安排了少量的演示性或驗證性的實驗，部分課程僅在教室就能夠完成教學，不需要走進實驗室。這樣學生缺乏動手操作機器人實物的實踐機會，對機器人的認知多停留在概念上，難以激發學習熱情和積極性[5-6]，更無法實現實踐能力和創新能力的培養。

3）缺乏適用的教學資料。若將實驗教學引入機器人通識課程，改革教學方案，則需要制作適用于通識類機器人創新實踐課程的教學資料，如編寫相應的實驗指導書，進行線上教學資源的制作等。

4）現有部分機器人資源利用率低。如中心已完成了機器人創新實驗室建設，并引進了一些先進的機器人平臺和設備作為公共教學資源，但由于宣傳力度不足，與學院師生聯系不緊密，未開出有效課程等原因，導致設備利用率偏低，實驗室開放共享不佳等狀況。

2 機器人通識類實驗教學研究與實踐

2.1 開設機器人創新實踐課程

為了有效開展機器人通識類實驗教學，嘗試對機器人通識課程進行發展與改革，實現理論與實踐相結合，擴大教學受益面，充分利用中心的實驗室與機器人資源，學校開設了機器人技術創新實踐課程-機器人探索與實踐。在考慮各專業學生選課接受度及課程內容量等因素后，初步以通識選修課程（1 學分，16 學時）形式開展，保證實驗在課程中具有較大的占比。課程面向所有專業的學生開展機器人技術通識教育，不設置先修課程等方面的門檻，盡量改變類似課程大部分為工科學生選課的現狀。通過最新、最熱的技術認知，親力親為的探索和實踐環節，以學生為中心，以實驗項目為導向，線上線下相結合等，充分調動學生學習機器人技術的積極性，幫助學生更直觀地理解機器人技術，提高學生實踐能力和團隊合作能力，并促進創新能力的培養[7-9]。

2.2 課程硬件資源

課程實驗教學主要依托中心的機器人創新實驗室，如圖1 所示，基于實驗室的桌面式機械臂、人形機器人、服務機器人、機器狗、雙臂協作機器人、智能小車等機器人平臺和設備開展。該實驗室為開放實驗室，配備了不同種類先進的教學機器人作為機器人公共教學資源，可支撐機器人技術實驗教學，支持學生參加創新創業競賽和科技創新項目制作等活動。

圖1 機器人創新實驗室

課程以Dobot Magician 機械臂為主要實驗平臺，該國產機械臂為越疆公司自主開發的高精度多功能輕量型智能實訓機械臂，能夠實現吸盤吸取、抓取、寫字畫畫、3D 打印、激光雕刻等功能，支持示教再現，圖形化編程，并預留拓展接口及軟件API。該機械臂上手容易，無相關專業基礎也可以輕松入門，同時支持二次開發方便實驗進階，比較適合機器人通識類實驗教學，根據學生水平設計不同難度層次的基礎實驗和拓展實驗。

課程中還安排了人形機器人NAO 演示和入門實驗，NAO 目前是日本軟銀公司的仿人智能機器人產品，身高約57 厘米，具有25 個自由度及視覺、音頻、紅外、壓力等多種傳感器，可以在支持多平臺的開放式編程架構下實現可視化編程，適應不同水平的學生使用。另外，課程中應用實驗室機器人資源，如機器狗、雙臂協作機器人、智能服務機器人Pepper、ROS 自動駕駛車，以及Dobot Magician 機械臂延伸應用設備和系統，如書法、人機對弈和機器視覺學習平臺等開發了演示、體驗類實驗項目。

2.3 教學內容設置

課程含16 學時的課上時間，分為8 次課程教學，每次課程為2 學時，上課地點直接放在機器人創新實驗室內，方便學生實驗和直觀的機器人認知。

通過課程教學，主要實現以下目標：

1）讓學生了解機器人技術的最新發展，機器人基本原理和應用領域等機器人相關基礎知識；

2）以Dobot Magician 機械臂為例，了解機械臂的基礎知識和應用；

3）通過實驗掌握機械臂上位機軟件使用，機械臂基本操作，以及各種配件的安裝和使用方法，完成各實驗項目；

4）掌握圖形化編程，學有余力的學生可進階學習代碼編程，實現機械臂自動控制；

5）通過機器人認知實驗項目，了解除機械臂外其他幾種機器人的原理與應用，開拓學生視野，為后續的深入學習和研究培養興趣、打下基礎。

課程的教學內容和實驗安排如表1 所示。

表1 教學內容和實驗安排

第一次和最后一次課各有1 學時的理論講解，而第二次到第七次課平均每次課理論講解時間一般不超過0.5 學時，僅對一些重點、要點知識和方法等進行講解，其他時間留給實踐環節，進行相關的實驗項目。綜合來看，實踐環節在整個課內時間占比接近70%，同時在課下可以將實驗室開放給學生繼續完成未完成的實踐任務或進行額外的探索。在實驗過程中，學生之間相互合作解決問題，并根據需要進行一些自學，而教師則主要進行答疑并給予一定的指導。第一次課理論知識的講解相對較多且豐富，主要為機器人技術的概述，讓學生建立起對機器人的基本概念；而實驗教學部分則利用現有資源安排了一些演示和操作體驗，通過大量的實物讓學生直觀感受和體驗機器人技術，激發學生對機器人學習的興趣和熱情?？梢钥闯?，第一次課的課內時間安排相對緊張，實驗準備的工作量大，這就需要教師和助教密切配合，提前調試好機器人，并且利用開放實驗室優勢根據學生興趣將機器人演示和操作體驗延伸到課余時間。最后一次課程除了介紹現有平臺應用開發案例外，主要內容是進行課程開始就會布置的開放性課程設計的驗收。

課程面向的學生沒有專業限制，課程教學內容和實驗設置上充分考慮了難度水平和各專業學生接受程度，選取容易上手的平臺Dobot Magician機械臂和NAO 機器人，作為主要實驗平臺和切入點，在保證大部分學生都能達到教學要求、完成實驗任務前提下，激發有專業基礎和學習興趣并且學有余力的學生繼續利用課上和課下時間深入研究。如機械臂編程中，要求圖形化編程實現，但作為拓展部分更加鼓勵學生使用Python 語言調用API 編程實現；又如僅對NAO 開發和使用進行入門教學，具體功能實現作為拓展部分需要學生自主探究。

2.4 成績評定

恰當的考核方式，有利于良好學習習慣的養成，是對學生課程學習的激勵和引導。課程中對學生的考核分為多個方面，既有綜合性的考核，也有對實驗過程和成果的考量，最終綜合給予學生成績評定。

針對綜合性考核，課程中設置了一個課程設計，貫穿于課程的整個進程，在第一次上課時就會說明目標和要求，并在最后一次課展示和驗收成果，提交簡明的設計報告和代碼等。學生自由組合為2 人實驗小組，明確分工合作，運用機械臂及其標準和自制配件，也鼓勵使用其他機器人平臺和設備。利用逐步積累的知識和實踐經驗，實現機械臂自動控制完成一定的功能，選題具有開放性。為了與實驗項目區分，要求具有一定的創新性，在課下時間將實驗室開放，供學生進行項目設計和調試。另外，要求以小組為單位完成一份課程論文，為了開拓思路不限定具體題目，但需要跟機器人技術相關，如經過課程學習和調研撰寫的機器人技術綜述，機器人技術發展、創新和應用等方面的內容，論文于結課時提交。

針對平時實驗教學的考核，主要是在每次課程實驗項目完成后，教師對各實驗小組進行實驗成果驗收，學生與教師探討實驗中遇到的問題，交流心得，并且學生需要隨時準備接受教師的提問。

2.5 教學特點

機器人探索與實踐創新實踐課程與原有機器人通識課程相比，進行了一些改革和創新，以解決所存在的具體、現實的難點問題，形成了課程特色，主要體現在如下5 個方面。

1）推廣通識教育與實驗教學相結合

課程面向各專業的學生開設，并融入較大比例實驗教學內容。大部分工科專業學生平時接觸先進機器人設備和平臺實物機會較少，更不用說文科及其他專業的學生，課程為學生提供了機器人技術認知學習和操作實踐的機會。課程在培養學生興趣，開拓學生視野的同時，提供具有較大實際應用價值的機器人實踐內容，探索開展機器人通識類實驗教學。

2）教學內容盡量貼近最新技術發展

無論是一般實驗項目還是演示實驗，所基于的機器人設備和平臺均為近年引進。隨著課程開展及實驗室建設進行，不斷更新教學和實驗內容，盡量將最新、最先進的設備開放給學生使用，努力達到基于先進的機器人設備和系統，使教學和實驗內容符合現代機器人技術的最新進展和生產、生活實際需求的目標。

3）以學生為中心，以實驗項目為導向

對于機器人教學，單純以教師為中心進行理論輸出的教學效果并不理想，實驗教學的引入讓學生更有學習興趣和熱情[10]。而實驗教學以學生為中心，教師則充當項目導師的角色，主要從事引導和答疑等工作，保證實驗全過程學生親力親為。每次課程實驗以實驗項目為導向，并且課程中要求學生完成開放性課程設計項目，實驗教學圍繞項目展開。實驗項目進行過程中，教師僅提出實驗目標和要求，針對重點、難點問題進行講解，學生團隊則需要在教師引導下查閱資料，自主學習，探究性地完成實驗目標，在實踐中學習機器人技術。

4）定制化的教學資料

基于課程硬件資源及教學模式，缺乏系統的、有針對性的教學資料。因此，專門為課程編寫了實驗指導書，考慮了各學科學生對機器人技術的興趣、接受程度、實驗進階等因素，內容詳盡，保證可用性和可讀性。同時，利用中心的線上教學平臺，進行理論講解、實驗講解及拓展部分線上教學視頻資源制作，可供學生反復觀看，用于課前預習，課中查閱和課后復習等。

5）讓學生的學習和探索延伸到課外

推進機器人創新實驗室開放共享，課下給予學生一定的自由時間，在老師的指導下走進實驗室，繼續完成未完成的實驗任務，進行課程設計項目，學有余力的學生探索進階實驗，鼓勵學生運用實驗室的機器人進行創新項目的開發，參加創新創業競賽等[11]。同時，學生可以在課外時間，通過線上教學資源，查閱資料，課程論文寫作等靈活地進行自主學習[12-15]。

3 實踐成效

機器人探索與實踐創新實踐課程已面向全校各專業學生開課，課程的開設、改進和發展，以及教學方案、實驗項目和課程資源等的設計和開發是對機器人通識類實驗教學的有效實踐，主要成效有以下5 個方面。

1）課程于春、秋季學期面向各專業學生開課，并且于暑假以暑期學校課程形式開設，課容量均為40 人。選課學生來自多學院、多專業，包括信息、計算機、網絡空間安全、生命、環境、法學等學院的學生，課程受益面廣，學生反饋良好。課程進行中，部分來自生命、環境等非電類專業學生表現也十分突出，文科專業學生也能順利完成實驗。

2）對前期編寫完成課程教學大綱以及實驗指導書逐步更新和完善，滿足使用需求。

3）目前已開發課程實驗項目15 項并保持更新，與企業工程師合作將NAO、雙臂協作機器人、機器狗、Pepper、無人車等引入課程，實現學生動手實踐在課程中占有較大的比例，并給予學生一定的創新空間。課程設計進行過程中，涌現出一批新奇的想法和思路，部分想法通過技術開發得以實現，如機械臂測量物體厚度、機械臂協助實驗采樣等。

4）利用中心的線上教學平臺，進行了課程和實驗講解等視頻的制作，目前已制作上線教學視頻22 個，供校內學生隨時隨地觀看，必要時可開展線上線下相結合的教學，如圖2 所示。

圖2 線上教學平臺機器人探索與實踐課程資源

5）機器人創新實驗室對學生的開放共享進一步推進，在課程帶動下，越來越多課內學生及其他學生在課余時間走進實驗室，進行對機器人的研究與探索，做實驗、做科創項目、備戰競賽、做畢設等，提高了實驗室知名度及中心機器人資源利用率。目前，根據學生實際需要，已基本實現實驗室在每周一到周五晚，周六和周日全天時間，以及暑期的開放共享，平均每學期實驗室使用超過300 人次。

4 結束語

機器人探索與實踐創新實踐課程開設了幾個學期，經過不斷探索和打磨，教學方案趨于完善。將實驗教學引入機器人通識課程，實踐性內容在課程中具有較大占比，所開發的實驗項目豐富，貼近技術前沿，且適合通識類實驗教學。課程實現以學生為中心的實驗教學模式，線上、線下教學相結合，推進了實驗室資源的開放共享，讓學生的學習和探索延伸到課外。但是在課程發展過程中，仍有許多工作需要做，實驗教學內容需要不斷完善和更新；豐富課程內容，增加學分和學時，爭取將課程升級為通識核心課程；加強宣傳和推廣以擴大課程受益面等。針對機器人通識類實驗教學的研究與實踐所取得的成果，希望能夠給予校內及其他高校開展機器人通識教育一些參考和思路。