应用型本科院校机器人课程改革探索

　　摘要：机器人是集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等技术于一体的先进智能装备，展示了一个国家的制造水平与科技水平。本文根据机器人教学的课程特点，结合应用型本科的教学定位，对机器人教学的现状进行了剖析，指出了当前存在的主要问题。进而，提出了相应的机器人教学课程改革方案以及研制了配套的教学器材，为探索针对应用型本科院校的机器人人才培养模式提供了一定的参考。
　　关键词：机器人；应用型本科院校；课程改革；教学器材
　　中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2018）45-0153-02
　　一、引言
　　作为一种新兴事物，机器人教学在国内发展非常迅速，已经得到了很多高校的认可。在本科院校中，机器人教学的本质是将机器人技术应用到本科教学中，它融合了人工智能、计算机编程、机械科学、材料科学和控制理论等多个学科，能够培养学生的创造能力、分析能力及实践能力[1-3]。最具有代表性的教育机器人研究结构有洛桑联邦理工大学、意大利技术研究所、麻省理工学院和乔治亚理工大学等，它们均将能开发一套完善的机器人教学体系作为加速新一代机器人教学发展的关键问题。
　　随着机器人在工业生产中的大量应用，对于具有机器人设备的企业来讲，急缺能够机器人设计与开发、系统集成应用以及机器人维修维护的技能型人才。然而，现阶段我国大部分高校都缺少较为完善的机器人教学体系，甚至有些学校的教学方式很陈旧，根本不适应市场需求。作为一所应用型本科院校，笔者认为江苏理工学院要想培养合格的机器人人才，必须探索新的机器人教学模式，同时密切关注市场需求，为企业输出真正有用的机器人工程师。
　　二、机器人课程教学现状
　　为了响应“中国制造2025”和“工业4.0”的发展计划，很多应用型本科院校开设了机器人教学的相关课程[4，5]。但就调研结果来看，应用型本科院校的机器人教学存着以下几个问题。
　　1.课程教材不完善。应用型本科院校中的与机器人教学相关的课程教材比较陈旧，例如贠超版的《机器人学导论》[6]、熊友伦版的《机器人技术基础》[7]等，缺少与时俱进的内容更新。另外，据调研结果显示，90%左右的高校使用的课程教材不同，课程体系也各有千秋。甚至，有的高校制定的课程体系存在较大的问题，如机器人教学仅停留在理论层面、机器人教学内容深度不够等。
　　2.师资力量不足。在机器人技术迅速发展的过程中，应用型本科院校却极度缺乏机器人专业的师资。据调研结果显示，几乎每所院校都面临着招不到机器人专业教师的状况。师资力量也青黄不接，新来的教师不足以胜任机器人教学工作，而经验丰富的核心教师稀缺。有些学校也急功近利，想在短时间内培养出合格的机器人教师，但专业教师却因烦琐的工作倍感压力，导致教学效果不尽人意。
　　3.教学器材缺乏。机器人教学器材是发展机器人教学必不可缺的一环。然而，机器人设备采购成本高，这导致不少高校的采购体量小或者采購的器材质量不高。另一方面，专注生产机器人设备的厂家也缺少机器人配套使用的课程，而高校也缺少适当的议价手段，最终使得双方都得不到满意的结果。
　　4.实践平台有限。学生缺少机器人时间的平台。导致这个现状的原因可归结为以下两点：（1）学校缺少资金大规模购买机器人工作站或实训站，或者缺少能够容纳多套机器人设备的大平层教室。（2）社会的机器人比赛都比较低级，缺少与机器人实际操作技能相关的竞赛，不少机器人大赛只是个噱头，更多地是主办方想引诱高校购买其昂贵的比赛器材。
　　三、机器人课程改革方案
　　针对目前应用型本科院校机器人教学中存在的问题，根据江苏理工学院机械工程学院的办学方针，综合机器人课程本身特点与实际教学情况，提出改革方案，并在课程教学中进行一系列尝试。
　　1.重新规划教学内容。机器人学是一门综合性的课程，每个章节的知识点互相独立，教师在教学过程中很难理清教学主线，往往会顾此失彼。因此，笔者认为可以将机器人学这门课安排在本科三年级，首先从学生比较熟悉的机械结构着手，详细讲解机器人的本体、传感器、控制器、末端执行器，让学生对机器人有感性认识。其次，从机械原理、机械设计的角度讲授机器人的运动学，按照由浅入深、逐步递进的原则，即从位姿描述到DH参数，再到正方向运动学；最后，讲授机器人的轨迹规划应用以及编程，让学生对机器人的认识上升到实际操作的层面上。
　　2.理实一体化教学模式。针对应用型本科院校的机器人教学，笔者认为可采用理实一体化的教学模式，对原有的教学结构进行创新，改变原有的教学理念，引入实训室培训的模式。在不同的理论与实训之间，使机器人教学团队化、动态化、扁平化，增强学生学习机器人技术的兴趣。
　　3.加强师资力量。机器人教学设计多个专业领域，对任课教师的专业素养有一定的要求，笔者认为江苏理工学院机械工程学院可以大力引进与机器人专业相关的博士或者派遣教师去高校或企业深造，进一步加强师资队伍的建设。另外，学校也要注重机器人知识内容的及时更新，让学生学有所用、学以致用。
　　四、机器人教学器材探索
　　考虑到现有大型机器人设备价格都比较高，而江苏理工学院的设备资金又有限，笔者将开发一款廉价的、可以大规模使用的桌面式机器人。该款机器人臂长约为600mm，质量为5kg，拥有6个关节，可以开展以下几个实验。
　　1.机器人结构认知实验。机器人连杆、舵机、控制板及传感器均为可拆卸模块，学生可以根据二维或三维图纸自行组装，从而认识、熟悉机器人各个零部件的功能。另外，学生也可通过更换末端执行器（如夹手、吸盘、喷枪等）进一步了解不同作业类型下的机器人。
　　2.机器人抓取物体实验。通过在PC上输入物体的笛卡尔坐标系，机器人的末端执行器可以准确地完成对目标物体的抓取操作。同时，在末端执行器处还可有添加光敏传感器与声控传感器，实现对不同颜色物体的分拣操作及其声控搬运。
　　3.机器人编程与实操。可以利用Coke教授[7]开发的Robotics Toolbox机器人工具箱，借助MATLAB软件平台，教授学生机器人的基本理论编程。进而，在笔者自主研制的Arduino可编程控制板上，学生可根据掌握的基本理论编程知识二次开发Arduino代码，并将代码烧录到桌面式机器人中去，完成机器人的实际操作。
　　五、结语
　　本文结合江苏理工学院机械工程学院的实际情况，探索了应用型本科院校机器人教学存在的问题与相应的改革方案。在今后的机器人教学中，教研室将尝试本文提出的改革方案，探索此方案在本科教学中的可行性与有效性。
　　参考文献：
　　[1]冯大鹏，李涛，李修云，等.“机器人”课程改革探索与实践[J].湖北理工学院学报，2017，（5）：67-70.
　　[2]程仙国，孙慧平，李占涛.《工业机器人技术》课程教学改革与实践[J].宁波工程学院学报，2015，27（4）：104-108.
　　[3]战强，闫彩霞，蔡尧.机器人教学改革的探索与实践[J].现代教育技术，2010，20（3）：144-146.
　　[4]孙伏，侯红玲.机器人技术课程教学改革与探索[J].装备制造技术，2017，（2）：207-208.
　　[5]于楚泓.《工业机器人技术》课程教学改革探索[J].科技风，2017，（8）：54.
　　[6]John J.Craig，贠超.机器人学导论[M].机械工业出版社，2006.
　　[7]熊有伦.机器人技术基础（机电一体化系列）[M].武汉：华中科技大学出版社，2011.