“项目式”强化训练的机器人实验教学方法

容爱琼

摘要：随着机器人技术的不断发展，国内越来越多的高校开展了机器人课程。在分析机器人实验课现有问题的基础上，摸索总结了一套“项目式”强化训练的机器人实验教学方法。该方法以具体的机器人设计和应用的项目任务为依托，改善对学生的机器人实验教学，并综合加强实验平台建设、优化交叉课程教学、提高授课教师素质等多种方法，着力提高机器人实验的教学质量和效率。教学实践证明，该方法能够提高学生对机器人实验的学习积极性和主动性，加深学生对机器人理论知识的认识，强化学生的动手实践和团队合作能力，满足提高教学质量和效率的要求。

关键词：机器人实验教学；项目式；教学方法

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）28-0268-02

机器人是一个多学科交叉的综合产物，涉及机械工程、电子技术、检测技术、通信技术、计算机技术、自动控制理论以及人工智能等多个学科领域，代表了当今机电一体化的最高成就。当前，工业机器人、医疗机器人已经得到了广泛应用；随着人口的老龄化，服务机器人也成为了研究的热点。在此背景下，越来越多的高校开设了机器人课程并给予较高的重视。机器人课程具有涉及学科广泛、实践性强、探索性丰富等特点，是面向高等学校机械工程学科机械工程及机械电子工程专业的本科生和一年级研究生开设的专业课。

根据应用型本科的教学定位，本着“技术强校，应用为本”的办学指导方针，华南理工大学广州学院以机械工程实验中心的机器人资源为依托，面向机械类专业学生开展了机器人实验课程并不断探索更好的教学方法，着力培养满足用人需求的技术应用型人才。

在此，本文在分析国内机器人实验课程现有问题的基础上，总结自身的教学实践经验，提出了“项目式”强化训练的机器人实验教学方法。该方法以具体的项目任务为依托，促使学生在完成项目任务的过程中“既动脑又动手”，得到了较好的教学效果。

一、机器人实验教学的现有问题

目前，机器人教学在国内各高等学校迅速发展，相当一部分的高校建立了机器人实验室并开展了机器人实验课程。虽然机器人教学工作发展迅速，但是完整的教学体系尚未形成，在机器人实验教学仍然存在不少值得关注的问题。

1.实验平台单一。目前，阻碍机器人实验教学发展的一个重要原因就是搭建机器人实验平台所需的器材费用非常高。譬如：一套安川小型工业机器人高达十几万元，一套包括控制器、传感器、马达和零部件等的乐高机器人教学专用套装一般需要六七千元。另外，机器人的组装和维护所需的硬件设备和人力投入也是一笔庞大的开销。由于受到经费等原因的限制，相当一部分的学校只能购买并搭建一到两种机器人实验平台，因而能够让学生动手操作、亲身体验的实验资源非常有限，也难以开展多种机器人实验，导致机器人实验的教学内容比较单调，缺乏“广度”，对学生的吸引力不强。

2.教学手段传统。机器人实验不仅要求学生要动手，还要求学生要动脑，但目前机器人实验的开展以教师进行实验演示和学生按照步骤操作为主。这样的教学手段使得学生按照明确的步骤即可完成实验，无须自行查找资料、思考并解决问题、进行团队合作。在机器人实验的过程中，学生缺乏主动实践的机会，难以激发学生对机器人进行学习和操作的主动性和积极性。学生在实验结束后往往很快就遗忘所学的内容，在整个实验课程结束后收获不多，甚至印象不深，从而导致机器人实验的教学效果较差。另外，对学生实验课程的评价依据只能是学生能否按时上课和完成实验，不能有效地区分出部分动手能力强、创新意识较强的学生并给予较高的评价。不具有一定挑战性的按部就班式的实验操作，也不能激发学生争先创优的竞争心理，这也导致了机器人实验的教学效果并不理想。

3.教师资源匮乏。机器人课程融合了多个学科的知识，涉及到相当多前沿领域的技术。因此，机器人实验教学对教师有着比较高的要求，要求教师具备多学科知识背景、较强的动手能力和指导学生对新事物进行探索实践的能力。然而，由于机器人教学在我国起步较晚，完整的机器人教学体系尚未形成，教师队伍尚在建设中，专门进行机器人教学活动的教师较少，在机器人实验教学方面具有丰富经验的教师就更少了。所以，在开展机器人实验教学方面，各高校的教师资源严重匮乏。

二、“项目式”强化训练的实验教学方法

针对已发现的问题，华南理工大学广州学院探索总结了一套“项目式”强化训练的机器人实验教学方法。

1.进行项目训练的教学。为了推行“项目式”强化训练的教学模式，华南理工大学广州学院安排了工业自动化强化训练Ⅰ和Ⅱ两个课程。其中，强化训练Ⅰ是可编程控制器和单片机的基础课程，以教师课堂授课和安排实验为主。强化训练Ⅱ是后续课程，以项目任务为教学内容，将机器人作为可编程控制器和单片机的学习平台，以机器人各种工作站的搭建为具体任务，开展机器人系统结构、系统集成等教学，整个环节以学生操作为主。教师设计有多个不同的项目任务，供学生自行组队、自由选择。每个小组根据选定的项目任务，自行进行组内分工和安排工作日程，查阅相关资料进行程序或辅助设备的设计和实验。

通过丰富具体的项目任务驱动学生的机器人学习，学生可根据自己的兴趣和水平选择项目任务，这可以激发学生的学习兴趣，提高学生的创新能力和团队意识。“既要动脑又要动手”的项目任务加强了学生对机器人的认识，强化了学生对知识的运用，学生对学到、用到的知识印象深刻，从而提高了教学质量和教学效率。

例如：教师设计了一个“基于工业机器人的生产线分拣系统设计”的项目任务，要求学生在4周时间内搭建一个生产线自动控制系统，能够自动对传输带上的不同颜色（黑色和白色）、不同材质（金属和塑料）的物件进行识别，并将不同的物件从传输带上搬运到指定的区域。学生在小组内自行协商项目分工和安排项目进度，利用实验室现有资源搭建了由PLC控制的生产线，实现了PLC与机器人的通信，对机器人进行了示教编程，并对整个系统进行了调试。教师每周对学生的项目进度进行1～2次监督检查，并及时对学生遇到的问题给予指导。

2.推动实践项目的开展。在课外时间，进行以教师为指导、学生为主要参与者的实践项目活动，是培养学生的学习兴趣和自主创新思维的重要方式，也是“项目式”实验教学方法的一种实践形式。华南理工大学广州学院自2009年起，建立了一个可容纳50人的机器人实验室，每年参加ROBOCON全国机器人大赛，以比赛项目为依托鼓励学生设计和应用机器人。此外，学校开展了大学生创新创业训练计划项目（SRP），并积极鼓励学生参加广东省大学生创新创业和挑战杯等实践活动。不少学生以机器人为主题进行创新和实践，并取得了较好的成绩。

3.加强实验平台的建设。“项目式”强化训练的实验教学方法重在实践，离不开完善的实验平台。针对上述由于价格昂贵而导致“实验平台单一”的问题，华南理工大学广州学院依托机械工程实验中心的现有机器人教学资源，将其进行优化整合，建立了机器人创新实验室，搭建了多个机器人实验教学平台，包括三菱和西门子PLC培训、单片机培训两个基础平台，广州数控机器人和日本MOTOMAN-SV3X工业机器人平台，以及基于机器人比赛开发的智能车机器人实验平台。加强实验平台的建设，既为学生提供了基础理论的实践平台，也为机器人项目式训练和比赛项目实践等方面提供了必要的资源。

4.优化交叉课程的教学。机器人学科综合性很强，涉及多个学科，推动机器人实验教学须要优化交叉课程的教学。交叉课程教学的优化能够提高机器人实验的教学质量，而机器人实验课程又能为交叉课程的教学提高实验平台，学生能够在机器人的实验中验证和运用交叉课程的知识，从而起到相辅相成的作用，形成良性循环。

华南理工大学广州学院机械学院将机器人控制系统作为PLC和单片机强化训练项目来开展，使得学生在PLC和单片机的学习过程中能够借助机器人的实验了解控制系统和理解一些较为复杂的控制原理，在完成机器人项目任务的过程中运用并进一步学习PLC和单片机的知识，因而取得了较好的教学效果。

5.着力教师素质的提高。“项目式”强化训练的实验教学方法不但要求教师具备有较强的动手能力和培养学生创新思维，还要求教师具备多学科知识背景，对教师有着较高的要求。为此，华南理工大学广州学院通过多种形式着力提高机器人实验教师的综合素质，例如：组织教师参加机器人高峰研讨会，开展各种教研沙龙和网络教研活动，与优秀的教师团队交流学习；组织教师前往广州数控设备有限公司等企业进行参观学习，了解当前市场上的机器人产品；对积极指导学生完成项目任务的教师进行奖励，提高教师的工作积极性。

三、结语

“项目式”强化训练的机器人实验教学方法采用以学生为中心，教师为指导的教学模式，在整合机器人实验资源的基础上，通过丰富具体的项目任务带动学生进行机器人的学习。教学实践表明，该方法能够激发学生的学习兴趣，强化学生的知识应用，提高学生的团队合作意识和创新能力，从而提高教学质量和教学效率。

参考文献：

[1]雷静桃，刘亮，张海洪.“机器人学”课程教学改革与实践[J].实验室研究与探索，2013，（05）.

[2]郭艳婕，桂亮，金悦.基于本科生的机器人实验教学的实践与探索[J].实验室科学，2015，18（01）.

[3]毕津滔，张婉鹂.高校机器人教学改革新思路之探索[J].信息通信，2013，（03）.

[4]毛丽民，刘叔军，李鑫，等.以机器人竞赛、创新实践为导向的项目教学法研究[J].中国电力教育，2013，（01）.