机器人教学改革的探索与实践 改革探索与实践
时间：2019-01-14 03:36:10 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
【摘要】为了更新教学理念、优化教学策略,对国内外一些著名高校的机器人教学情况进行了调研。结合“能力培养”的主导思想,从教学内容、教学方法等方面对机器人教学进行了改革和探索。实践表明,改革后的机器人教学内容和教学方法能有效提高教学质量和学生的实践能力。
【关键词】机器人教学;能力培养;教学内容;教学方法
【中图分类号】G40-057 【文献标识码】B 【论文编号】1009―8097(2010)03―0144―03
引言
20世纪是人类科学技术迅速发展的辉煌100年,综合诸多前沿学科和技术的机器人的诞生和机器人学(Robotics)的建立是上世纪科学技术所取得的重大成就的代表之一。从1962年美国万能自动化(Unimation)公司的第一台机器人的投入使用到现在,短短40多年的时间,机器人已从无到有,现在已拥有“百万大军”,在世界各个领域和人民生活的诸多方面忠诚地为人类服务,做出了不可磨灭的贡献。随着机器人技术的蓬勃发展,目前全国的许多高校甚至中小学都开设了机器人教学的相关课程,而且学生的人数在逐年增多。以北京航空航天大学(简称北航)为例,现在每年选修机器人课程的学生都在上百人左右。机器人是一门多学科高度交叉的前沿学科,包括机械学、生物学、人类学、计算机科学与工程、控制论与控制工程学、电子工程学、人工智能、社会学等,无论在基础理论方面还是在实践应用方面其发展速度都十分惊人。为了进一步更新教学理念,优化教学策略,保持与国内外机器人教学同步提高,笔者对国内外十几所著名高校的机器人教学情况,就教学大纲、成绩考核等方面进行了调查研究与分析,在此基础上对笔者从事的机器人教学课程进行了改革和探索,提出了一些建议和改革措施,并在近三年北航的《机器人学》教学过程中进行了实践,取得了不错的教学效果。
一 国内外机器人教学的调研
美国是机器人技术的发源地,开展机器人教学的高校比较多,而且教学水平和教学质量在国际上都是首屈一指的。调研的美国高校包括MIT[1]、Stanford[2]、CMU[3]、UC-Berkeley[4]、CIT[5]五所高校,国内高校包括清华大学[6]、上海交通大学[7]、哈尔滨工业大学[8,9]、吉林大学[10]、天津大学[11]、北航六所高校。调研的方式主要是收集各高校网站相关教学信息,包括教学大纲、成绩考核等,通过分析比较,总结经验。
就所调研的国内外高校而言,国内外高校机器人教学特点可概括如下(参见表1和表2):
1 美国高校的机器人启蒙课程或机器人导论等开设在本科,使本科学生对机器人有个普遍的了解,以“讲解+实验+讨论”的形式,利于形象化理解;研究生阶段开设《高级机器人学》等更深层次的课程,进行分方向研究。开设的专业较广,涉及机械工程、电子工程、航空航天、计算机科学等专业,而国内高校本科开设机器人课程的相对较少。
2 国内的机器人课程主要开设在硕士第一学期,部分学校在本科阶段开设《机器人概论》课程,现有将《机器人学》从硕士提到本科的倾向。开设方式多样,如必修、专业选修、全校选修等。国内高校选择教材较集中,选用蔡自兴《机器人学》、熊有伦《机器人学》的居多,部分高校的课外参考书为国外原版教材。
3 美国高校的机器人实验与课堂讲解的学时比例基本上在1:1.5左右,而国内高校的实验学时数相对较少(实验与讲解的比例最高为1: 3.2),半数以上高校的实验课时数为零。例如,MIT的课堂教学学时数与北航的差不多,但实验的学时数已经达到了22学时,而北航的实验学时数为零。
4 就考核方式而言,美国高校的机器人课程都有期中考核,国内高校基本上没有期中考核。此外,美国高校的机器人课程作业考核占的比重比较大,比如CMU的作业考核占到了总成绩的60%。
二 北航机器人教学现状
以北航机器人所为全校研究生开设的《机器人学》这门课程为例,我们的机器人教学还有较多不合理之处:
1 教学内容陈旧。课程的教学大纲是九十年代制定的,十几年了没有什么变化,远远落后于机器人技术的发展。而教师在授课时基本按照教学大纲来执行,对教学内容的更新不多。课程设置的大多还是一些传统基础内容,而从学生的反馈来看他们对该学科的前沿进展和最新成果更加感兴趣,因此需要从兴趣方面引导学生积极地自主学习,在该学科上不但具有扎实的基础同时具有宽广的知识面。
2 教学环节上也存在诸多不合理之处,过多偏重于教师的讲授,学生独立思考、实践的课程根本没有。而实践环节是检验学生创新思维能力的最佳方法, 是锻炼学生对信息的采集、分析、处理和应用等必不可少的重要环节。
为了全面提高机器人教学的质量和学生的培养质量,使学生能真正学到系统深入的机器人知识并具有较强的实际运用能力,为他们在后续的工程实践和研究过程中创造出创新性的研究成果奠定基础,有必要针对上述问题进行《机器人学》课程教学的改革,制定合理的课程内容和教学方案。
三 改革措施与实践效果
针对《机器人学》这门课程存在的问题,基于“能力培养”的主导思想,对该课程进行了改革和探索。
1 教学内容方面的改革
教学内容方面的改革主要包括两方面:
(1)在教学内容上增加了入门介绍的内容。针对我校的大部分研究生在本科阶段未上过机器人相关课程的情况,借鉴国外本科机器人教学的内容和方式,把绪论部分的学时从原来的1学时增加到了2学时,并采用视频、图片、动画、参观等直观形象的方式为学生较系统地介绍机器人的发展历史、分类、用途、研究方向等,让学生在2学时的时间内对机器人这个学科有一个基本的认识,避免了过去绪论时间短,学生还未弄明白学习对象的情况下就开始专业知识的学习。此外,在绪论里面每年都增加新的机器人的研究进展,学生们既了解了历史又开阔了眼界。在过去三年的实践中,上述教学改革得到了学生的好评。
(2)在教学内容上注重了“深度”与“广度”的结合。在以前的机器人教学内容中偏重于知识的深度而忽略了知识的广度,例如偏重于机器人运动学和动力学,机器人控制和运动规划都不讲,这存在一个弊端,即如果有的学生在后期的研究中要进行机器人控制方面的工作,相关的知识是没有学过的,还要重新自学。因此在教学内容上我们降低了机器人运动学和动力学的讲解深度,增加了机器人控制和机器人规划方面的内容,力求通过该课程的学习让学生们既比较深入地掌握了机器人运动学和动力学的基础知识,同时对于其他相关的理论也有一个基本基础和认识。
2 教学方法方面的改革
(1)在教学方式上增加了课堂讨论的环节。以前的机器人教学,主要采用老师讲、学生听的方式,学生与老师之间没有交互的机会,课堂气氛比较沉闷,学生比较容易游离于教学环节之外。为了调动学生学习的积极性,让他们参与到机器人的学习过程中,我们在每章的教学内容中都设置了讨论的问题,让学生自己来表述解题的方法、对问题的看法,并让他们之间进行互相的辩论,老师是作为一个仲裁者的身份进行讨论的组织和总结。在该方式最初试行的时候,由于中国学生天生的内向性格,参入的学生比较少,但在后续的讨论中,越来越多的学生敢于发表自己的观点,并积极地参与辩论。在辩论中学生们都感觉收获很大,对于一些深奥或难理解的问题理解地比较清楚明了了。
(2)在教学方式上增加了现场讲解环节。为了让学生们能够更好地理解和掌握机器人运动学的知识,我们把部分课堂环节改在实验室进行,以真实的机器人为例,讲解机器人的关节、坐标系、D-H建模、正运动学和逆运动学的知识,如图1所示。这种教学方式避免了以往学生学习运动学的知识只是面对机器人简图、缺乏真实案例的弊端,让学生们的学习做到了理论与实际的结合。
(3)在教学方式上增加了专题作业论文的环节。专题作业论文是为了能够扩展学生的知识面,同时把课堂学习的机器人知识与自己未来的研究方向结合起来,选题的内容由学生跟自己的导师商量,格式按照标准的期刊论文的格式来写,必须把一个与学习内容相关的专题内容论述清楚。比如,往届学生有写轮式移动机器人机构的、机器人视觉的、机器人优化控制的,如图2所示。这种专题作业论文既让学生练习了专业论文的写作格式,同时又结合某个专题扩展了学生们的知识面。
(4)在教学方式上增加了实验环节。受我校机器人实验的条件限制,我们一直未能正式地开展机器人的实验课程,但是机器人实验对于锻炼学生的实际操作能力是很重要的。在08年秋季,通过整合部分机器人资源,为学生开设了机器人实验。实验内容是编程控制机器人按自设定的轨迹运动,采用的机器人是ABB的1440。由于学生多机器人少,我们采用了四个学生一个组的方式,大家按组轮流来做实验。尽管学生们在实验中出现了各种各样的错误,但学生们的兴致很高,一直操作到每组许可的时间结束。学生们反映这个实验对于他们锻炼的价值很大,因为把理论和实际之间的这层窗户纸给打通了,让学生们对于这门机器人的课程有了一个系统的认识和理解。
四 结语
机器人课程在各高校中变得越来越普遍,如何结合机器人技术的发展搞好机器人的教学工作是许多机器人教育者关心的问题。笔者通过对国内外部分高校的机器人教学进行调研,并结合我校机器人教学的实际情况,对《机器人学》这门研究生课程进行了改革与探索,在过去三年的改革与实践过程中,取得了不错的教学效果。
本论文得到了北京航空航天大学研究生教育与发展研究专项基金的资助,在此表示感谢。
参考文献
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Research and Practice in Teaching of a Robotics Lesson
ZHAN Qiang YAN Cai-xia CAI Yao
(Robotics Institute, Beihang University, Beijing 100191, China)
Abstract: In order to update teaching ideas and optimize teaching methods, the robotics teaching conditions of several famous universities are investigated. In accordance with the principal idea of “capability cultivating”, the robotics teaching in Beihang University is innovated from teaching contents and teaching methods. The practice results show that the reformed teaching contents and teaching methods can efficiently improve the teaching quality and the practice ability of students.
Keywords: Robotics Teaching; Capability Cultivating; Teaching Contents; Teaching Methods编辑:陈墨
