“机器人学基础”课程案例式教学改革

杜 群，袁明新，江亚峰

（江苏科技大学 苏州理工学院，江苏 张家港 215600）

0 引言

随着计算机科学和工程技术的发展，机器人技术已经成为当今社会中一项重要且快速发展的技术，在工业、医疗、军事、家庭服务等领域都有广泛的应用[1]。因此，对于机器人学领域学术型及应用型人才的要求及需求也越来越高。机器人学是一门以计算机科学和工程学为基础的交叉学科，研究如何进行机器人的设计、制造、控制和维护，面向机械类和控制类工科学生开设，是机器人工程类专业的重要理论教学环节[2]。对于机器人学基础的教学，全国高校主要分为学术型和应用型两种不同的教学模式开展教育，而以应用为教育导向的本科院校，有别于学术型本科院校理论为主导的教学方式，应加强仿真或实践等教育教学环节，精简理论学习，意在培养出具有操作技能及工程问题解决能力的复合型人才[3]。如何根据不同的教学定位及社会需求，把握理论与实践间的“度”，是机器人学基础教学改革的关键[4]。

1 传统教学的现状和不足

传统的机器人学基础教育包括理论教学和实验教学两部分，而机器人学基础课程主要由线性代数和矩阵论等基础数学知识构成，传统的教学方式应用于该课程，造成以下不足：

1.1 课程理论知识引入效果欠佳

机器人学除涉及机械相关的结构设计、工程力学外，还因对刚体进行数学建模而存在大量的矩阵计算。由于牵扯到矩阵及线性代数等数学基础，学生前置课程学习效果不佳，由数学基础知识讲解引入该课程的学习，易造成知识点枯燥乏味，学生较为被动，学习效果欠佳，从而丧失学习动力[5]。

1.2 课程理论知识占比过重

机器人学课程主要包含机器人结构概述、机器人数学基础、正运动学、逆运动学、机器人动力学、机器人控制等章节内容，每章节涉及的理论知识篇幅过长，导致大部分教学内容集中在理论知识部分，而实验课往往占比较小，只能选则较简单的实验课题，无法真正达到应用型人才培养教学效果[6]。

1.3 理论与实践割裂感较重

传统的机器人基础教学过程中，实验课程往往滞后于理论课程，内容往往基于课本，且在理论知识占比较大的情况下，实验的教学与理论知识间的衔接不够顺畅，由数学到实物操作间存在认知差距，容易让学生感到较强的割裂感，从而降低实践学习的效果[7]。

2 教改思路

2.1 案例引导式教学模式

由于“机器人学”传统的课程教学往往基于书本，由书本中的数学基础知识部分引入，将降低学生学习的兴趣和动力[8]。案例式教学由项目或案例为切入点，以真实的机器人为工程案例为背景，以解决技术难题为目标，提供另一种学习动力，提高学生学习兴趣；以详尽的任务书模式为驱动，帮助学生在实际案例中梳理机器人的结构、数学基础等课程前置学习内容，以任务打卡的形式进一步学习机器人知识要点，降低理解难度，提升学习效果；以案例为主导，引导学生提出问题并思考，化被动为主动，改善课堂氛围，如图1 所示。

图1 案例式教学改革思路

2.2 理论实践同步教学

以真实案例为教学框架，将案例进行知识点的细化与拆解，与课程中的理论知识一一对应，实现理论与实践同步教学。课程中，课堂可在教室与实验室之间来回切换，在实践中发现并思考理论问题，在理论中学习实践，在实践中巩固理论，形成“教-学-做-思”四位一体的学习闭环，如图1 所示，真正做到在学中做，在做中学。课程侧重由轻实践重理论，转换到重实践重理论的教学模式，提升学生操作技能，引导学生养成遇到问题思考并解决问题的习惯。

2.3 案例同步仿真教学

为解决理论学习与实践学习之间的割裂感，采用同步仿真教学方法。该方法主要通过对相同案例的仿真教学，将理论知识中的原理具象化，采用“理论学习-仿真模拟-实践实验”三位一体的教学组织模式，如图1 所示，建立完整的仿真模拟平台，搭建理论与实践之间的桥梁，增加学生学习深度的同时，让学生更容易理解和掌握各知识点间的衔接，避免出现因知识点间的割裂而造成的学习效果下降。

3 课程改革的实施过程

以“GLUON-613”机械臂作为工程案例进行教学及说明。通过工程案例，以任务为导向，分析系统运作流程，从具体的任务要求到知识点的细化与分析，在由知识点的学习到虚拟平台的仿真，最后再通过实践实验进行知识点的验证，形成学习闭环，培养学生发现问题、分析问题、解决问题的能力。

3.1 案例式教学框架设计

设计以“GLUON-613 机械臂空间中画圆”为最终教学任务的任务书，驱动学生思考目标任务所需的前置知识内容。通过对目标任务的思考，原任务应被拆解为“机械臂运动”“空间中画圆”等初步问题。而机械臂的运动又可以分为运动学和动力学进行运动控制，运动学又可分为正运动学和逆运动学，而对机械臂进行运动学或动力学分析的基础则是对机械臂进行数学建模，空间中画圆可进一步任务是机械臂的轨迹规划。将目标任务进行任务的细分后进行层次的梳理，可根据知识点的递进关系，选择合适的内容进行理论知识教学顺序，如图2 所示。

图2 案例式教学改革框架

3.2 案例式教学方式优化

进行“理论-仿真-实践”三位一体及“教-学-做-思”四位一体的教学方式优化，以案例GLUON-613为依托，通过设计不同的实验任务及仿真任务与拆解后的理论学习任务一一对应（表1），做到理论知识、仿真模拟及实验实践的同步进行。

表1 教学方式优化后的任务对照表

3.3 案例式教学仿真设计

仿真实验以MATLAB 与SOLIDWORKS 联合仿真为基础。将GLUON-613 机械臂的三维模型导入到三位画图软件SOLIDWORKS 中，通过各同学案例引导下自行分析的数学模型，通过SW2URDF 插件，在各关节建立不同的坐标系，并设立不同的关节运动关系后，导出为URDF 文件，使用机器人工具箱导入到MATLAB 中，使用SIMULINK 搭建对应知识点仿真系统，进一步通过仿真理解理论知识与实践之间的关系，如图3 所示。通过教学框架中的知识点设置，建立对应的仿真实验。

图3 仿真实验系统设计

4 教学改革效果

以上述案例进行教学改革的初步测试，针对该课程在学期结束后对学生进行回访调查，总结出改革前理论为主教学与改革后案例式教学在教学方法、教学内容、教学手段满意程度及期末成绩的对比，见表2。

表2 教学改革前后对比

通过对比教学改革前后教改指标的结果可以发现，案例式教学法在教学方法、内容、手段满意度都高于改革前的教学方式，尤其是在实操合格率上有较大的改善，说明案例式教学法更容易提高学生学习兴趣，三位一体的教学方式增加了学生理论与实践之间的理解，提高理论成绩的同时，也提高了实践实验的质量。

5 结语

为了改善机器人学基础课程教学中存在的重理论而轻实践、理论知识晦涩难懂、课堂与实际应用割裂严重等问题，提出一种机器人学基础案例式教学改革方案。主要通过以GLUON-613 机器人为案例框架的案例引导式教学模式、理论实践同步教学、案例同步仿真教学等方法，进行案例式的教学框架设计、教学仿真设计、教学方法优化，从而改善学生学习效果，提升学生解决综合问题的能力，为培养应用复合型人才打下坚实基础。