應(yīng)用型本科院校機(jī)器人課程改革論文
摘要：機(jī)器人是集機(jī)械、電子、控制、計算機(jī)、傳感器、人工智能等技術(shù)于一體的先進(jìn)智能裝備，展示了一個國家的制造水平與科技水平。本文根據(jù)機(jī)器人教學(xué)的課程特點(diǎn)，結(jié)合應(yīng)用型本科的教學(xué)定位，對機(jī)器人教學(xué)的現(xiàn)狀進(jìn)行了剖析，指出了當(dāng)前存在的主要問題。進(jìn)而，提出了相應(yīng)的機(jī)器人教學(xué)課程改革方案以及研制了配套的教學(xué)器材，為探索針對應(yīng)用型本科院校的機(jī)器人人才培養(yǎng)模式提供了一定的參考。
關(guān)鍵詞：機(jī)器人；應(yīng)用型本科院校；課程改革；教學(xué)器材
一、引言
作為一種新興事物，機(jī)器人教學(xué)在國內(nèi)發(fā)展非常迅速，已經(jīng)得到了很多高校的認(rèn)可。在本科院校中，機(jī)器人教學(xué)的本質(zhì)是將機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用到本科教學(xué)中，它融合了人工智能、計算機(jī)編程、機(jī)械科學(xué)、材料科學(xué)和控制理論等多個學(xué)科，能夠培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造能力、分析能力及實(shí)踐能力[1-3]。最具有代表性的教育機(jī)器人研究結(jié)構(gòu)有洛桑聯(lián)邦理工大學(xué)、意大利技術(shù)研究所、麻省理工學(xué)院和喬治亞理工大學(xué)等，它們均將能開發(fā)一套完善的機(jī)器人教學(xué)體系作為加速新一代機(jī)器人教學(xué)發(fā)展的關(guān)鍵問題。隨著機(jī)器人在工業(yè)生產(chǎn)中的大量應(yīng)用，對于具有機(jī)器人設(shè)備的企業(yè)來講，急缺能夠機(jī)器人設(shè)計與開發(fā)、系統(tǒng)集成應(yīng)用以及機(jī)器人維修維護(hù)的技能型人才。然而，現(xiàn)階段我國大部分高校都缺少較為完善的機(jī)器人教學(xué)體系，甚至有些學(xué)校的教學(xué)方式很陳舊，根本不適應(yīng)市場需求。作為一所應(yīng)用型本科院校，筆者認(rèn)為江蘇理工學(xué)院要想培養(yǎng)合格的機(jī)器人人才，必須探索新的機(jī)器人教學(xué)模式，同時密切關(guān)注市場需求，為企業(yè)輸出真正有用的機(jī)器人工程師。
二、機(jī)器人課程教學(xué)現(xiàn)狀
為了響應(yīng)“中國制造2025”和“工業(yè)4.0”的發(fā)展計劃，很多應(yīng)用型本科院校開設(shè)了機(jī)器人教學(xué)的相關(guān)課程[4，5]。但就調(diào)研結(jié)果來看，應(yīng)用型本科院校的機(jī)器人教學(xué)存著以下幾個問題。
1、課程教材不完善。應(yīng)用型本科院校中的與機(jī)器人教學(xué)相關(guān)的課程教材比較陳舊，例如贠超版的《機(jī)器人學(xué)導(dǎo)論》[6]、熊友倫版的《機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)》[7]等，缺少與時俱進(jìn)的內(nèi)容更新。另外，據(jù)調(diào)研結(jié)果顯示，90%左右的高校使用的課程教材不同，課程體系也各有千秋。甚至，有的高校制定的課程體系存在較大的問題，如機(jī)器人教學(xué)僅停留在理論層面、機(jī)器人教學(xué)內(nèi)容深度不夠等。
2、師資力量不足。在機(jī)器人技術(shù)迅速發(fā)展的過程中，應(yīng)用型本科院校卻極度缺乏機(jī)器人專業(yè)的師資。據(jù)調(diào)研結(jié)果顯示，幾乎每所院校都面臨著招不到機(jī)器人專業(yè)教師的狀況。師資力量也青黃不接，新來的教師不足以勝任機(jī)器人教學(xué)工作，而經(jīng)驗(yàn)豐富的核心教師稀缺。有些學(xué)校也急功近利，想在短時間內(nèi)培養(yǎng)出合格的機(jī)器人教師，但專業(yè)教師卻因煩瑣的工作倍感壓力，導(dǎo)致教學(xué)效果不盡人意。
3、教學(xué)器材缺乏。機(jī)器人教學(xué)器材是發(fā)展機(jī)器人教學(xué)必不可缺的一環(huán)。然而，機(jī)器人設(shè)備采購成本高，這導(dǎo)致不少高校的采購體量小或者采購的器材質(zhì)量不高。另一方面，專注生產(chǎn)機(jī)器人設(shè)備的廠家也缺少機(jī)器人配套使用的課程，而高校也缺少適當(dāng)?shù)淖h價手段，最終使得雙方都得不到滿意的結(jié)果。
4、實(shí)踐平臺有限。學(xué)生缺少機(jī)器人時間的平臺。導(dǎo)致這個現(xiàn)狀的原因可歸結(jié)為以下兩點(diǎn)：
（1）學(xué)校缺少資金大規(guī)模購買機(jī)器人工作站或?qū)嵱?xùn)站，或者缺少能夠容納多套機(jī)器人設(shè)備的大平層教室。
（2）社會的機(jī)器人比賽都比較低級，缺少與機(jī)器人實(shí)際操作技能相關(guān)的競賽，不少機(jī)器人大賽只是個噱頭，更多地是主辦方想引誘高校購買其昂貴的比賽器材。
三、機(jī)器人課程改革方案
針對目前應(yīng)用型本科院校機(jī)器人教學(xué)中存在的問題，根據(jù)江蘇理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院的辦學(xué)方針，綜合機(jī)器人課程本身特點(diǎn)與實(shí)際教學(xué)情況，提出改革方案，并在課程教學(xué)中進(jìn)行一系列嘗試。
1、重新規(guī)劃教學(xué)內(nèi)容。機(jī)器人學(xué)是一門綜合性的課程，每個章節(jié)的知識點(diǎn)互相獨(dú)立，教師在教學(xué)過程中很難理清教學(xué)主線，往往會顧此失彼。因此，筆者認(rèn)為可以將機(jī)器人學(xué)這門課安排在本科三年級，首先從學(xué)生比較熟悉的機(jī)械結(jié)構(gòu)著手，詳細(xì)講解機(jī)器人的本體、傳感器、控制器、末端執(zhí)行器，讓學(xué)生對機(jī)器人有感性認(rèn)識。其次，從機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計的角度講授機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)，按照由淺入深、逐步遞進(jìn)的原則，即從位姿描述到DH參數(shù)，再到正方向運(yùn)動學(xué)；最后，講授機(jī)器人的軌跡規(guī)劃應(yīng)用以及編程，讓學(xué)生對機(jī)器人的認(rèn)識上升到實(shí)際操作的層面上。
2、理實(shí)一體化教學(xué)模式。針對應(yīng)用型本科院校的機(jī)器人教學(xué)，筆者認(rèn)為可采用理實(shí)一體化的教學(xué)模式，對原有的教學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新，改變原有的教學(xué)理念，引入實(shí)訓(xùn)室培訓(xùn)的模式。在不同的理論與實(shí)訓(xùn)之間，使機(jī)器人教學(xué)團(tuán)隊化、動態(tài)化、扁平化，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)機(jī)器人技術(shù)的興趣。
3、加強(qiáng)師資力量。機(jī)器人教學(xué)設(shè)計多個專業(yè)領(lǐng)域，對任課教師的專業(yè)素養(yǎng)有一定的要求，筆者認(rèn)為江蘇理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院可以大力引進(jìn)與機(jī)器人專業(yè)相關(guān)的博士或者派遣教師去高校或企業(yè)深造，進(jìn)一步加強(qiáng)師資隊伍的建設(shè)。另外，學(xué)校也要注重機(jī)器人知識內(nèi)容的及時更新，讓學(xué)生學(xué)有所用、學(xué)以致用。
四、機(jī)器人教學(xué)器材探索
考慮到現(xiàn)有大型機(jī)器人設(shè)備價格都比較高，而江蘇理工學(xué)院的設(shè)備資金又有限，筆者將開發(fā)一款廉價的、可以大規(guī)模使用的桌面式機(jī)器人。該款機(jī)器人臂長約為600mm，質(zhì)量為5kg，擁有6個關(guān)節(jié)，可以開展以下幾個實(shí)驗(yàn)。
1、機(jī)器人結(jié)構(gòu)認(rèn)知實(shí)驗(yàn)。機(jī)器人連桿、舵機(jī)、控制板及傳感器均為可拆卸模塊，學(xué)生可以根據(jù)二維或三維圖紙自行組裝，從而認(rèn)識、熟悉機(jī)器人各個零部件的功能。另外，學(xué)生也可通過更換末端執(zhí)行器（如夾手、吸盤、噴槍等）進(jìn)一步了解不同作業(yè)類型下的機(jī)器人。
2、機(jī)器人抓取物體實(shí)驗(yàn)。通過在PC上輸入物體的笛卡爾坐標(biāo)系，機(jī)器人的末端執(zhí)行器可以準(zhǔn)確地完成對目標(biāo)物體的抓取操作。同時，在末端執(zhí)行器處還可有添加光敏傳感器與聲控傳感器，實(shí)現(xiàn)對不同顏色物體的分揀操作及其聲控搬運(yùn)。
3、機(jī)器人編程與實(shí)操。可以利用Coke教授[7]開發(fā)的RoboticsToolbox機(jī)器人工具箱，借助MATLAB軟件平臺，教授學(xué)生機(jī)器人的基本理論編程。進(jìn)而，在筆者自主研制的Arduino可編程控制板上，學(xué)生可根據(jù)掌握的基本理論編程知識二次開發(fā)Arduino代碼，并將代碼燒錄到桌面式機(jī)器人中去，完成機(jī)器人的實(shí)際操作。
五、結(jié)語
本文結(jié)合江蘇理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院的實(shí)際情況，探索了應(yīng)用型本科院校機(jī)器人教學(xué)存在的問題與相應(yīng)的改革方案。在今后的機(jī)器人教學(xué)中，教研室將嘗試本文提出的改革方案，探索此方案在本科教學(xué)中的可行性與有效性。
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