工程认证背景下机器人学实践教学研究

林旭梅，唐旭，朱文杰，田艳兵，赵瑞艳

（青岛理工大学 信息与控制工程学院，山东 青岛）

一 引言

工程教育专业认证是目前国际上通行的工程教育质量保证制度，也是实现工程教育的国际互认和工程师资格国际互认的重要基础[1]。工程教育专业认证的核心理念为:以学生为中心(Student-Centered，SC)，以产出为导向(Outcome-Based Education，OBE)和持续改进(Continuous Quality Improvement，CQI)[2]。

教育部高教司张大良司长在战略高度上谈到新工科建设发展的重要性：工程教育主动布局和深化改革到位,就能对经济转型升级产生促进作用。反过来讲,工程教育改革如果滞后,对于我们的产业升级进程,不仅不能支撑、服务,而且还会拖后腿。从新经济的角度来讲,急需发展新工科,更新改造传统工科专业,满足新经济发展人才支撑的需要[3]。结合工程教育专业认证的核心理念和新工科发展的重要性，如何通过有效途径提高学生创新能力和解决实际问题能力成为《机器人学》教学中的关键问题[4]。本文结合我校培养学生的总体目标，针对《机器人学》课程进行实践教学研究，优化传统的教学模式，对不同基础情况学生进行分阶段的特色培养，加强实践性教学环节，以具体的项目案例来推进基础教学—小组学习—实践创新一体化教学改革，培养学生的动手能力，在实践中增长知识，增强创新意识[5]。

依据基础学习情况，给学生安排数字课堂网络学习、小组讨论学习以及实际案例创新学习，分阶段进行有规律的递进式的学习模式。实践教学采用的案例适合学生在理论到实践过程的过渡，过程中以社会需求为导向，结合专业自身特点，构建理论知识与工程需求相结合的课程体系，实践教学在培养学生工程应用能力的同时，也系统性地培养学生科学规范的操作习惯及探索求真的钻研精神。

二 教学现状

国际标准化组织(International Organization for Standardization，ISO)对机器人的定义为“机器人是一种自动的、位置可控的、具有编程能力的多功能机械手，这种机械手具有几个轴，能够借助于可编程序操作处理各种材料、零件、工具和专用装置，以执行种种任务”[6]。机器人学课程以机械原理、矩阵论、理论力学、控制工程基础等为先修课程，是涉及机械学、电子技术、自动控制、计算机技术、传感技术、人工智能等多学科交叉的课程[7]。机器人学集自动化、机械、计算机多个学科融合，对学生的数学基础具有较高的要求，特别是动力学、矩阵论、微分运动等相关方面知识，本课程还要求学生具备一定的电子设计知识、电子信息知识[8]。在学习理论知识的同时，还要基于实际工程案例增强学生动手实践的能力，不仅切合创新型人才培养的理念，也符合高校培养计划的要求。

目前的《机器人学》课程教学存在的主要问题有：在分配教学目标时，没有针对学生个人的基础学习情况进行教学任务的分配；在实践教学部分，仅带领学生参观实验室中的套件实验机器人和做部分与机器人相关的验证实验，应当增加基于机器人设计的相关实验和基于实际工程案例的实践教学内容。

（1）理论教学部分的公式推导过程较为枯燥，使得学习基础情况较弱的学生在面对《机器人学》课程时，缺少应有的积极性、探索性，不利于教学进度的推进。

（2）实践教学过程只参观实验室的套件实验机器人和做部分与机器人相关的验证实验对学生来说收获较少，安排学生走进工厂学习实际生产过程，学习不同功能机器人的技术细节，增强解决实际问题能力和创新能力，了解机器人市场发展趋势。

（3）实践教学缺少真实的机器人应用背景教学，可以带领学生参观学习码头搬用机器人、快递派送机器人等在日常生活工作中技术较为成熟且应用广泛的机器人，提升学生学习积极性的同时加强学生对机器人的实际应用能力。

（4）学生在实践教学过程中缺少自我动手设计体验，无法贯彻理论与实践相融合的过程，应当安排学生参与实际课题项目设计研发。

三 实践教学改革体系设计

（一） 机器人系统特点

机器人系统涉及多种传感器的信号采集、控制器的信号处理和执行机构的信号输出[9]。图1 为机器人系统原理框图。根据机器人完成的任务，选用不同功能传感器，控制器根据传感器信号完成设定任务。图1 为一个通用机器人系统原理框图。传感器分别为视觉传感器采用OPENMV 图像处理的方式，其原理为通过分类并提取重要特征而排除多余的信息来识别图像[10]；触觉传感器用于机器人中模仿触觉功能的传感器；力矩传感器对各种旋转或非旋转机械部件上对扭转力矩感知的检测[11]；执行机构由舵机和电机组成。

图1 机器人系统原理框图

（二） 机器人实践教学培养方案

以工程教育专业认证的核心理念和新工科发展的重要性为中心，进一步巩固学生所学的基础知识并增强动手实践能力、创新能力，设计实践教学的具体方案，图2 为实践教学培养方案框图。适当减少课堂上教师板书讲解基础知识的时间，将理论知识的讲解时间转移到数字课堂上，供学生有多样化、个性化的选择，增加实践案例教学的时间，提供实践的方案，不局限学生实现课题目标的方式方法，显著提高学生的创新思维和实践能力；结合市场需求变化，与企业合作开展相关课程，培养与时俱进、适应时代发展的人才；增加综合性、设计性的实验案例，提高学生在实践过程中的兴趣。在硬件条件培养方面，利用3D 打印技术打造实践案例教学中需要的零部件（如：无人车的轮子，四旋翼无人机的机翼等）。在实行实践案例教学时，给学生提供无人车、无人机等先进教学平台，使学生在了解当前机器人发展现状的同时，提升学生的创新能力和实践能力。

图2 实践教学培养方案

（三） 以学生为中心开展基础教学

工程教育专业认证的核心理念中提到“以学生为中心”，针对学习基础不同的学生开展有针对性的新形式教学模式（图3），确保基础情况不同的学生也可以积极参与到机器人学的学习中，人性化学习模式做到以学生为主，提高学生的兴趣。新形式教学模式更符合多层次学生的学习需求，有针对性地分配学习任务，在最大程度上提升学生的学习积极性，有递进性的学习过程确保学生在每阶段的学习目标明确。图3为新形势教学模式框图。

图3 新形势教学模式框图

（1）本着以学生为中心的原则，考虑到基础薄弱的学生在学习过程中可能会因为“听不懂”而失去学习的兴趣，增加了数字课堂的环节，学生可以自主安排基础课程的网上学习时间，帮助学生弥补自身基础知识的不足，体现人性化教学的理念。《机器人学》相比于其他学科，具有学科交融性强的特点，想要掌握好机器人学，要对动力学、运动学、微积分等学科进行学习；另外《机器人学》涉及的基础学科也很广泛，要对控制器、传感器的类型和性能进行学习了解，为机器人的设计和操作打下坚实的基础。

（2）针对基础较好的学生，组建学习小组讨论学习。在讨论过程中查漏补缺，巩固已学的知识内容，互相交流心得体会，为下一阶段的项目案例分析学习打下扎实基础。基于机器人学学科交融性强的特点，实施小组学习更能让学生在探讨的过程中及时发现自身在某一学科上的认识错误，也让学生在互助的过程中突出某一学科的深刻见解。

（3）面对基础扎实的学生，布置实际项目案例分析学习，让学生在项目中发现问题、解决问题，在实践中把所学到的理论知识融会贯通，培养学生的探索精神、创新能力和实践能力。

（四） 坚持以产出为导向搭建实践教学平台

工程教育专业认证的核心理念中提到“以产出为导向”，社会市场对机器人功能、性能的需求不断变化，直接反映在工厂、教研所等在机器人的开发生产上，通过带领学生参观学习新型机器人的开发生产过程，既对机器人现阶段的发展有大方向上了解，也在实践中学习机器人技术。

随着无人技术的深化和因疫情影响导致的机器派送物资的需求，采用人工智能的机器人配送快递、外卖等成为了当下发展的新趋势，快递派送机器人符合当下“无接触配送”的要求，该机器人的软硬件搭建基础简单适合学生动手实践学习。

快递派送机器人主要包括派送机器人的主体设计、储物箱的搭建和互联网云平台通讯设计，设计中控制系统的硬件模块主要包括：主控模块、避障模块、驱动模块以及无线通信模块等部分。图4 为机器人硬件框图。

图4 机器人硬件框图

该机器人使用的主控模块涉及STM32 单片机是学生在实验室中常用的控制模块，辅助模块较为基础，适合引导学生将理论知识与实际案例初步融合，采用C 语言编程设计的逻辑顺序，也适合学生理解机器人的功能和运行顺序，并且方便进行功能扩展，在实践过程中运用所学知识发现问题解决问题，提高学生的创新能力和探索精神。具体的实践教学方法如下：由角度传感器、GPS 和OPENMV 图像处理来采集运送过程中的位置信息和小车距离障碍物的距离值，并将位置信息和距离信息输入控制器；让学生使用C 语言编译程序下载到控制器中，由控制器来处理信息，并将输出信息输出给执行机构；由电机、舵机等组成的执行机构来进行障碍物躲避等动作。

四 结语

结合学生在不同学习阶段的不同需要进行教学，做到统筹兼顾、全面发展。改变以往教学过程中的单调教学模式，开展多样化、个性化的教学模式，符合工程教育专业认证的核心理念“持续改进”，在研究过程中不断优化教学模式。实践教学在以往的教学过程中存在不够重视的问题，通过本次改革，实行适应学生发展的教学模式，让学生在实践教学中贯彻基础知识的掌握，了解机器人在未来的发展趋势和方向，提升自身的创新能力和动手能力，培养出符合新时代发展需求且专业素养过硬的创新型人才。