[摘要]機器人因其是涉及的知識面非常廣泛的綜合性系統而成為理工科高等院校自動化、計算機、機械以及電子等相關專業開設的一門重要的專業課程。機器人技術雖然經過幾十年的飛速發展，仍然有相當多的問題未能解決，因而也成為高校師生進行科學研究和創新實踐的良好平臺。本文以學生能力培養為目標，從教學內容、教學方法等方面對機器人教學思路進行了探索，提出了三位一體的教學模式。實踐表明，改革后的機器人教學思路和教學方法能有效提高教學質量和學生的實踐能力。

　　[關鍵詞]教育技術論文發表,機器人學,三位一體,創新精神,工程實踐

　　自從1920年捷克劇作家卡雷爾・凱培克在《羅薩姆的萬能機器人》中第一次提出 “機器人”(Robota，Robot)這個名詞就開啟了人類的“機器人之夢”。經過幾十年的發展，機器人技術已經不僅僅是重復勞動的機器而是具有了一定的智能性甚至能自主的完成人類賦予的特定任務的智能機器。

　　機器人技術的發展水平已經成為高科技發展的代表，很多國家尤其是歐美等發達國家在高校設立專門機器人研究機構，提供大量的資金支持機器人技術的研發并開設機器人相關的課程。我國在這方面也取得了很大的進展，如嫦娥三號攜帶的玉兔號月球車的成功充分證明了我國機器人技術的成果。

　　一、機器人學課程的重要性

　　深空探測等重大工程的開展，將進一步推動機器人技術的發展。從另外一個角度來看，機器人技術的發展對于其他行業的發展也起著非常重要的促進作用，如自主移動機器人技術可以為汽車輔助駕駛提供解決方案。在高校已經有相當多的理工科專業開設機器人課程，而且機器人是多領域高度交叉、多學科高度融合的系統，它涵蓋了電子、機械、計算機、自動控制、及人工智能等多學科，因而要求學生能夠綜合運用機械、電子、計算機等方面知識才能更好地進行系統操作和設計，因而機器人課程也是培養學生的實踐能力和創新能力的良好平臺 [1，2]。另外，通過機器人課程可以用較少的教育投入(包括人力、物力以及時間等)獲得較大的教育成果(主要包括學生獲得的知識、技能以及情感培養等)，從而得到優化的教與學效果。

　　本文結合南京郵電大學卓越工程師培養計劃的大學生能力培養目標，從機器人課程的教學模式出發，探索了一種結合了課堂講授、仿真模擬、實驗操作為一體的從理論基礎到理論理解和驗證再到理論指導實踐的三位一體的教學模式，并在南京郵電大學自動化學院的“機器人學”課程中進行了實踐，取得了較好的成效。

　　二、機器人學教學中存在的問題

　　機器人這門課程具有高度知識交叉性和綜合性以及工程實踐性的特點[3]。因而在以往的教學中所采取的課堂講授法的教學方式因為講授方式的局限性而無法充分調動學生學習的積極性、無法將抽象的數學模型具體化形象化，學生對于教學內容理解不深入不能融會貫通，因而對于學生能力的培養效果不明顯[4]。存在的問題具體闡述如下：

　　1.教學內容不能緊跟時展。

　　由于機器人技術更新快速，課程選用的教材出版周期較長，導致了教學內容遠遠落后于當前機器人領域的新的發展趨勢。且授課內容大體仍然在按照教材章節的基礎內容來設計，這樣使得學生在學習機器人坐標空間和運動學、動力學模型這些理論基礎的時候表現的興趣缺乏。

　　2.教學中對學生啟發和實踐的內容較少。

　　機器人通常作為大學生的專業課程，專業課承擔著實現學生能力培養這一目標的重要任務，通過機器人課程的學習，要求學生能夠結合所學的知識分析問題并解決問題，因而單純的講授并不適用于這門課。

　　為了學生的培養質量，真正實現學生能力培養，提高機器人教學質量，需要針對上述問題對機器人學課程的教學內容和教學方法進行改革，探討新的教學方案。

　　三、改進措施

　　針對前面分析的機器人學課程教學中存在的問題，針對南京郵電大學自動化專業卓越工程師培養計劃中學生的培養目標從教學內容和教學方法兩個方面探討三位一體的教學模式，即課堂講授、仿真模擬、實驗操作為一體，具體內容如下：

　　1.將當今最典型的和最先進的機器人系統與教材中的內容相結合安排授課內容。

　　首先，在緒論中充分展示機器人發展的歷程，以及國內國外目前機器人的發展現狀，廣泛收集美國DARPA、CMU、MIT日本Honda以及國內的中科院、清華大學、國防科技大學、哈爾濱工業大學等知名研究機構的最新機器人技術研究進展并通過視頻展示給學生，調動學生的學習積極性，以使學生認識到機器人技術發展的脈絡以及機器人技術的應用領域和重要性。

　　其次，在機器人學課程內容的機器人坐標變換、機器人運動學以及機器人動力學模型部分，適當的減少理論公式推導，而是將抽象的模型具體化，增加機械手臂仿真軟件在課堂的演示內容，通過仿真軟件在投影儀中展示機械手臂機器人各個關節的運動，將抽象的坐標變換中的矩陣運算轉化為機械手臂關節的具體位置參數的運算，而且將機器人運動學模型具化為機械手臂的運動模型，通過具體的演示過程講解和分析機械手臂各個參數之間的關系和運算。

　　再次，在機器人傳感器部分的課堂教學中增加具體的機器人傳感器工作過程仿真內容，如基于被動視覺傳感器、主動雷達傳感器等的障礙物檢測，并進行了仿真結果的對照，通過分析這兩種信號從信號源的產生差異導致傳感器獲得的信號分別是二維平面數據和三維深度數據，進而導致后續的分析方法的差異，以及檢測結果和干擾因素的差異，并在實驗中增加了基于視覺的機器人避障的環節以及基于激光雷達的機器人避障環節，進一步的討論傳感器的信息融合。使學生對于傳感器的工作過程包括信息獲取、信息處理等過程有了深入的認識。

　　最后，在實驗部分，安排了移動機器人創意實驗設計，要求學生參考飛思卡爾智能車設計跟蹤光源的移動機器人，提供基本的機器人移動平臺，以及傳感器接口，編程環境，需要學生根據自身設計的實驗過程選擇傳感器，且在編程環境中編寫程序以獲得傳感器數據，并能最終檢測到光源位置進行跟蹤。通過這一實驗內容學生能夠將所學的機器人模型以及傳感器、軟件編程、自動控制等知識綜合運用，提高其動手能力和創新意識，并且實驗采取小組合作的模式，能夠鍛煉學生的團隊合作精神。 　　2.教學方法的改革

　　(1)案例具化法

　　在每一個主題的講授內容中都安排了具體的案例進行分析。安排國內外典型的機器人如火星車、google無人駕駛汽車、ASIMO等來分析機器人系統配置、運動機構、傳感器融合、控制方法等內容。另外通過具體的仿真模擬如可以將機器人系統的坐標變換、運動學模型的融合到機械手的仿真過程中，通過具體的機械手控制實例講解和分析抽象的機器人模型。進一步的，通過作者本人開發的機器人避障軟件在投影儀上展示程序中信息的獲取、信息的處理、對獲得的有效信息進行判斷、識別最終作出決策過程;通過仿真軟件驗證經典的路徑規劃方法，A*算法是經典的路徑規劃算法，但是僅僅通過教材中的幾幅圖片往往不能讓學生深入地理解這一算法的精髓，所以設計了A*算法軟件演示內容，通過投影儀講軟件的掩飾過程投影到白板上，并將程序一步一步地執行，這樣學生很容易理解這一算法的搜索計算過程。在機器人學課程中還有很多軟件可以用來分析和講解在機器人中傳感器信息的獲取以及機器人系統的決策等問題，這里不再一一贅述。

　　(2)啟發學生主動參與教學

　　在一次課程結束時，針對下一次課程的內容如典型的機器人運動方式、移動機器人定位、移動機器人導航等設計問題，督促學生搜索這一問題相關的機器人資料，且其收集的材料可以通過投影儀展示給老師和全班同學。學生對于新興的機器人技術常常表現出濃厚的興趣，往往能積極的參與到老師設計的問題當中并能針對同學收集的材料進行討論和分析。

　　這種學生主動參與教學的方法不僅能促進學生資料收集的能力，而且也使得學生化被動的接受為主動的思考。另一方面對于同學收集的案例和提出的觀點，其他學生更樂于進行交流和提出疑問。在這一探討過程中學生的創新思維得到了拓展，提高了其思考問題分析問題能力。

　　在實驗的設計中也充分考慮學生自主實踐，按照工程實踐中的任務制，將學生分成4人一組。在實驗中只規定實驗的目標不規定實驗的過程，這樣學生可以根據實驗目標，通過自己的理解設計實驗的過程，不同的組織間可能采用不同的傳感器，或者不同的算法來搭建自己的平臺，最終我們會對各組的成果進行驗收打分。另外，各個組所采用的硬件、軟件的差異性導致其成果有好有壞，這為我們設置了一個很好的討論題目――這些差異是什么原因導致的?通過這一實驗模式能夠培養學生自主解決問題的能力和團隊合作的精神。

　　經過三年的時間，這種三位一體的教學模式取得了不錯的成績，得到了學生的廣泛認可。為南京郵電大學自動化學院培養了一批又一批大學畢業生，并且南京郵電大學的大學生機器人隊在國內甚至世界的大學生機器人競賽中都取得了不錯的成績，尤其是在 2013Robocup機器人足球世界杯比賽中獲得3D仿真足球機器人項目冠軍。

　　四、結論

　　機器人學課程是南京郵電大學自動化專業的專業課程，機器人學教學效果將直接影響著學生能力的培養，據卓越工程師教育培養計劃安排，在學生能力培養的要求下，機器人學教學以學生為主題，以切實提高學生的整體專業水平、工程實踐能力和創新能力為目標，以為社會培養全面優秀的自動化領域人才為方向，從理論基礎、工程實踐、創新思維等方面提高學生的素質。

　　本文主要研究了提高學生能力為目標的機器人學教學的新思路，提出并實踐了課堂講授、仿真模擬、實驗操作為一體的三位一體的教學模式，提高了學生學習的主動性，使得學生能主動的參與到教學活動中來，并取得了一定的成果。在今后的教學過程中，一方面，我將爭取與周邊的機器人研究所合作為學生提供更多的實驗實踐機會，另一方面將更加深入研究教學方法，逐步提高自身的教學水平和能力，從而進一步提高教學效果與質量。

　　基金項目：江蘇省研究生教育教學改革研究與實踐課題(JGZZ12_038)資助

　　[參考文獻]

　　[1]戰強，閆彩霞，蔡堯.機器人教學改革的探索與實踐[J].現代教育技術，2010，20(03)：144-146.

　　[2]胡發煥，劉祚時，朱花.以機器人大賽為契機探索大學生創新能力培養模式[J].中國電力教育，2013，28：59-60+62.

　　[3]戰強，王東月.《機器人學》課程教學改革探討[J].北京航空航天大學學報(社會科學版)，2010，23(2)：117-121.