應(yīng)用型本科院校機器人課程改革論文

時間：2022-10-12 05:25:50 本科畢業(yè)論文我要投稿

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　　摘要：機器人是集機械、電子、控制、計算機、傳感器、人工智能等技術(shù)于一體的先進智能裝備，展示了一個國家的制造水平與科技水平。本文根據(jù)機器人教學的課程特點，結(jié)合應(yīng)用型本科的教學定位，對機器人教學的現(xiàn)狀進行了剖析，指出了當前存在的主要問題。進而，提出了相應(yīng)的機器人教學課程改革方案以及研制了配套的教學器材，為探索針對應(yīng)用型本科院校的機器人人才培養(yǎng)模式提供了一定的參考。

應(yīng)用型本科院校機器人課程改革論文

　　關(guān)鍵詞：機器人；應(yīng)用型本科院校；課程改革；教學器材

　　一、引言

　　作為一種新興事物，機器人教學在國內(nèi)發(fā)展非常迅速，已經(jīng)得到了很多高校的認可。在本科院校中，機器人教學的本質(zhì)是將機器人技術(shù)應(yīng)用到本科教學中，它融合了人工智能、計算機編程、機械科學、材料科學和控制理論等多個學科，能夠培養(yǎng)學生的創(chuàng)造能力、分析能力及實踐能力[1-3]。最具有代表性的教育機器人研究結(jié)構(gòu)有洛桑聯(lián)邦理工大學、意大利技術(shù)研究所、麻省理工學院和喬治亞理工大學等，它們均將能開發(fā)一套完善的機器人教學體系作為加速新一代機器人教學發(fā)展的關(guān)鍵問題。隨著機器人在工業(yè)生產(chǎn)中的大量應(yīng)用，對于具有機器人設(shè)備的企業(yè)來講，急缺能夠機器人設(shè)計與開發(fā)、系統(tǒng)集成應(yīng)用以及機器人維修維護的技能型人才。然而，現(xiàn)階段我國大部分高校都缺少較為完善的機器人教學體系，甚至有些學校的教學方式很陳舊，根本不適應(yīng)市場需求。作為一所應(yīng)用型本科院校，筆者認為江蘇理工學院要想培養(yǎng)合格的機器人人才，必須探索新的機器人教學模式，同時密切關(guān)注市場需求，為企業(yè)輸出真正有用的機器人工程師。

　　二、機器人課程教學現(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)了機器人教學的相關(guān)課程[4，5]。但就調(diào)研結(jié)果來看，應(yīng)用型本科院校的機器人教學存著以下幾個問題。

　　1、課程教材不完善。應(yīng)用型本科院校中的與機器人教學相關(guān)的課程教材比較陳舊，例如贠超版的《機器人學導論》[6]、熊友倫版的《機器人技術(shù)基礎(chǔ)》[7]等，缺少與時俱進的內(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，如機器人教學僅停留在理論層面、機器人教學內(nèi)容深度不夠等。

　　2、師資力量不足。在機器人技術(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器人教學工作，而經(jīng)驗豐富的核心教師稀缺。有些學校也急功近利，想在短時間內(nèi)培養(yǎng)出合格的機器人教師，但專業(yè)教師卻因煩瑣的工作倍感壓力，導致教學效果不盡人意。

　　3、教學器材缺乏。機器人教學器材是發(fā)展機器人教學必不可缺的一環(huán)。然而，機器人設(shè)備采購成本高，這導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)機器人設(shè)備的廠家也缺少機器人配套使用的課程，而高校也缺少適當?shù)淖h價手段，最終使得雙方都得不到滿意的結(jié)果。

　　4、實踐平臺有限。學生缺少機器人時間的平臺。導致這個現(xiàn)狀的原因可歸結(jié)為以下兩點：

　　（1）學校缺少資金大規(guī)模購買機器人工作站或?qū)嵱栒�，或者缺少能夠容納多套機器人設(shè)備的大平層教室。

　�。�2）社會的機器人比賽都比較低級，缺少與機器人實際操作技能相關(guān)的競賽，不少機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、機器人課程改革方案

　　針對目前應(yīng)用型本科院校機器人教學中存在的問題，根據(jù)江蘇理工學院機械工程學院的辦學方針，綜合機器人課程本身特點與實際教學情況，提出改革方案，并在課程教學中進行一系列嘗試。

　　1、重新規(guī)劃教學內(nèi)容。機器人學是一門綜合性的課程，每個章節(jié)的知識點互相獨立，教師在教學過程中很難理清教學主線，往往會顧此失彼。因此，筆者認為可以將機器人學這門課安排在本科三年級，首先從學生比較熟悉的機械結(jié)構(gòu)著手，詳細講解機器人的本體、傳感器、控制器、末端執(zhí)行器，讓學生對機器人有感性認識。其次，從機械原理、機械設(shè)計的角度講授機器人的運動學，按照由淺入深、逐步遞進的原則，即從位姿描述到DH參數(shù)，再到正方向運動學；最后，講授機器人的軌跡規(guī)劃應(yīng)用以及編程，讓學生對機器人的認識上升到實際操作的層面上。

　　2、理實一體化教學模式。針對應(yīng)用型本科院校的機器人教學，筆者認為可采用理實一體化的教學模式，對原有的教學結(jié)構(gòu)進行創(chuàng)新，改變原有的教學理念，引入實訓室培訓的模式。在不同的理論與實訓之間，使機器人教學團隊化、動態(tài)化、扁平化，增強學生學習機器人技術(shù)的興趣。

　　3、加強師資力量。機器人教學設(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，筆者認為江蘇理工學院機械工程學院可以大力引進與機器人專業(yè)相關(guān)的博士或者派遣教師去高�；蚱髽I(yè)深造，進一步加強師資隊伍的建設(shè)。另外，學校也要注重機器人知識內(nèi)容的及時更新，讓學生學有所用、學以致用。

　　四、機器人教學器材探索

　　考慮到現(xiàn)有大型機器人設(shè)備價格都比較高，而江蘇理工學院的設(shè)備資金又有限，筆者將開發(fā)一款廉價的、可以大規(guī)模使用的桌面式機器人。該款機器人臂長約為600mm，質(zhì)量為5kg，擁有6個關(guān)節(jié)，可以開展以下幾個實驗。

　　1、機器人結(jié)構(gòu)認知實驗。機器人連桿、舵機、控制板及傳感器均為可拆卸模塊，學生可以根據(jù)二維或三維圖紙自行組裝，從而認識、熟悉機器人各個零部件的功能。另外，學生也可通過更換末端執(zhí)行器（如夾手、吸盤、噴槍等）進一步了解不同作業(yè)類型下的機器人。

　　2、機器人抓取物體實驗。通過在PC上輸入物體的笛卡爾坐標系，機器人的末端執(zhí)行器可以準確地完成對目標物體的抓取操作。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，實現(xiàn)對不同顏色物體的分揀操作及其聲控搬運。

　　3、機器人編程與實操�？梢岳肅oke教授[7]開發(fā)的RoboticsToolbox機器人工具箱，借助MATLAB軟件平臺，教授學生機器人的基本理論編程。進而，在筆者自主研制的Arduino可編程控制板上，學生可根據(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器人中去，完成機器人的實際操作。

　　五、結(jié)語

　　本文結(jié)合江蘇理工學院機械工程學院的實際情況，探索了應(yīng)用型本科院校機器人教學存在的問題與相應(yīng)的改革方案。在今后的機器人教學中，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中的可行性與有效性。

　　參考文獻：

　　[1]馮大鵬,李濤,李修云,等.“機器人”課程改革探索與實踐[J].湖北理工學院學報,2017,(5):67-70.

　　[2]程仙國,孫慧平,李占濤.《工業(yè)機器人技術(shù)》課程教學改革與實踐[J].寧波工程學院學報,2015,27(4):104-108.

　　[3]戰(zhàn)強,閆彩霞,蔡堯.機器人教學改革的探索與實踐[J].現(xiàn)代教育技術(shù),2010,20(3):144-146.

　　[4]孫伏,侯紅玲.機器人技術(shù)課程教學改革與探索[J].裝備制造技術(shù),2017,(2):207-208.

　　[5]于楚泓.《工業(yè)機器人技術(shù)》課程教學改革探索[J].科技風,2017,(8):54.

　　[6]JohnJ.Craig,贠超.機器人學導論[M].機械工業(yè)出版社,2006.

　　[7]熊有倫.機器人技術(shù)基礎(chǔ)(機電一體化系列)[M].武漢:華中科技大學出版社,2011.

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