！ ！ 二箜 ＣＮ１２—１３５２／Ｎ 实 验 室 科 学 第１６卷第３期２０１３年６月 ＬＡＢＯＲＡＴ０ＲＹ ＳＣＩＥＮＣＥ Ｖｏ１．１６ Ｎｏ．３ Ｊｕｎ．２０１３ 教学机器人创新实践教学研究 饶增仁 ，靳天玉 ，郑 平 ，赵兰州７３００００） 洁 （１．兰州大学信息科学与工程学院，甘肃兰州７３００００；２．兰州城市学院数学学院，甘肃 摘要：针对目前国内实验教学存在问题，结合多年的实践教学，总结了大学教学机器人实践课程中提高学 生能力素质的一套行之有效的方法，形成了我们自己的５步实践教学方法，以分组讨论、分组竞赛，项目形 式，使学生自主有兴趣地完成这门课程的实践学习。 关键词：创新能力；教学机器人；质量 中图分类号：ＴＰ２４；Ｇ６４２ 文献标识码：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７２－４３０５．２０１３．０３．０５２ Ｓｔｕｄｙ ｔｕｄｙ ｏｎ ｔｈｅ‘ｈｅ Ｉ ｎｎｏｖａｔｉ。 ｏｎ ｐｒａｃｔｉ‘ ｃｅ ｏｉｏｆ ｔ ｔｈｅ ｅｄｕｃａｔｉｏ ＬｏｎａｌＩ ｔｅａｃｈｉｎｇ ｒｏｂｏｔｎｚ ｒｏｂｏｔ ＲＡＯ Ｚｅｎｇ－ｒｅｎ ，ＪＩＮ Ｔｉａｎ－ｙｕ ，ＺＨＥＮＧ Ｐｉｎｇ ，ＺＨＡＯ Ｊｉｅ （１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｌａｎｚｈｏｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｌａｎｚｈｏｕ ７３００００，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍａｔｈｅｍａｔｉｃｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｌａｎｚｈｏｕ Ｃｉｔｙ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｌａｎｚｈｏｕ ７３００００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｆｏｒ ｔｈｅ ｃｕｒｒｅｎｔｌｙ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｔｅａｃｈｉｎｇ ｐｒｏｂｌｅｍｓ，ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｗｉｔｈ ｙｅａｒｓ ｏｆ ｐｒａｃｔｉｃｅ ｔｅａｃｈｉｎｇ，ｓｕｍｍｅｄ ｕｐ ａ ｓｅｔ ｏｆ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｗａｙｓ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｑｕａｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｕｄｅｎｔｓ ａｂｉｌｉｔｙ ｉｎ ｕ— ｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｔｅａｃｈｉｎｇ ｒｏｂｏｔｓ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｃｏｕｒｓｅｓ，ｔｈｅ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｆｉｖｅ ｓｔｅｐｓ ｍｅａｓｕｒｅｓ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｔｈｅ ｕｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｇｒｏｕｐ ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎ，ｇｒｏｕｐ ｃｏｎｔｅｓｔｅｎａｂｌｅ ｓｔｕｄｅｎｔｓ ｔｏ ｓｅｌｆ—ｉｎｔｅｒｅｓｔ ｉｎ ｔｈｅ ｆｏｍ ｏｆ ｒａ ｐｒｏｊｅｃｔ，ｔｏ ｃｏｎ— ｐｌｅｔｅ ｔｈｅ ｃｏｕｒｓｅ ｏｆ ｐｒａｃｔｉｃｅ ｌｅａｒｎｉｎｇ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｅｄｕｃａｔｉｏｎａｌ ｔｅａｃｈｉｎｇ ｒｏｂｏｔ；ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ ｃａｐａｃｉｔｙ；ｑｕａｌｉｔｙ 根据目前国内实验教学中存在问题的研究讨论 文章 Ｊ，结合我们自己实验教学内容及教学经 验 ，以及国家中长期教育改革和发展规划纲要 （２０１０－２０２０）“提高质量是高等教育发展的核心任 想尽快完成作业了事。为此，我们通过观察与调查 发现了问题的主要原因，并进行了相应的教学模式 改革，不仅提高了同学们的学习兴趣，而且提高了同 学们的创新能力训练。 教学机器人实践开发课程是我校一门实践性、 务，是建设高等教育强国的基本要求”以及“强化实 践教学环节”的要求 Ｊ，注重教学质量和学生能力 素质培养，使学生真正成为我国经济建设需求人才 的教学目标更加明确。针对兰州大学信息科学与工 程学院本科生在教学机器人创新实践教学方面，为 综合性、应用性很强的高年级选修课。有的同学之 所以选修这门课，主要有两个原因，其一是修够学 分，其二是兴趣学习。一开始，教师按照教学大纲教 学计划，完全按照逐个章节讲解，先原理分析，然后 学生再实践过程进行，讲解和实践时间的比例大约 了提高培养本科生实践能力和创造能力，我们实践 并总结了一套有效的系统办法。 是１：２，讲解占用了较多时间。采用这种单一方 式，很快学生兴趣下降。学生自己理解了原理后，就 不再想深入下去。 １ 存在问题 早在２００４年兰州大学信息科学与工程学院实 验中心从国内购进了２０套当时比较新颖的适用的 教学机器人设备ＡＳ—ＥＩＭ，经过教学实践发现，每一 ２采取改革措施 兴趣是学习的最好动力。根据建构主义学习理 批学生们刚开始新颖好奇，兴趣盎然，但经过一段实 践训练之后，很快则不感兴趣，不愿进一步思考，只 论 Ｊ，知识是由认知主体主动地建构起来的。认知 主体的知识体系是个持续增进和改进的一个过程。 １６６ 实 验 室 科 学 在整个教与学的实践活动环节中，始终贯穿以学生 为主体，以学生主动性，以学生兴趣为整个过程主 导，以学生运用已有知识的实践能力和创新能力为 培养目标。为满足不同专业不同兴趣特点的学生实 践学习需要，我们总结采取５步实践教学方法或５ 项基本措施，包括基础知识讲解、项目选择、项目实 施、项目评测以及多渠道相关资源提供。 ２．１基础知识讲解 基础知识讲解主要包括机器人组成原理、本教 学机器人硬件结构和扩展板原理及使用、工程套件 的组成与用法、本教学机器人的自检操作、ＶＪＣ可视 化编程及其运操作等。目的使学生开始就掌握这些 基本原理及结构，为后续的训练项目打下基础。 ２．２项目选择 精心筛选设计可供学生参考的训练项目。将训 练项目分基本、专题和综合性三种类型，在每一种训 练项目中，侧重点有所不同，可满足不同学科专业不 同兴趣的学生选择。基本训练项目采用ＶＪＣ图形 化交互编程语言程序设计，连接下载到ＡＳ—ＵＩＩ中， 根据实时监测到的ＡＳ—ＵＩＩ传感信息，控制ＡＳ－ＵＩＩ 做些规定动作。主要包括跟人走、叫人起床、边唱边 跳、走规则路线等。专题选择项目是在基本项目基 础上，根据学生兴趣进一步深化的项目，由学生自主 选择，如采用ＰＩＤ控制方式，使得ＡＳ－ＵＩＩ精确地走 规则路线。综合类训练项目，不仅包括对ＡＳ－ＵＩＩ 的编程设计，而且要使用ＡＳ—ＥＩＭ的基本组件，动手 设计组装出由ＡＳ－ＵＩＩ扩展可测可控的实用模型， 可供选择的这类综合项目包括交通灯的设计控制、 数控车床、数控加工中心、电子琴及弹奏实践活 动等等。 除了基本训练项目之外，同学们在专题和综合 性训练项目可选范围之外，也可自由选择自己感兴 趣的项目，包括基础理论专题研究内容 ］，目的在 于充分调动同学们的主动性。 ２．３项目实施 对于项目的实施过程中，我们采用分组讨论、分 组竞赛的形式，主要采用几个关键环节。首先，同学 们自由组合成兴趣小组，一般是２～３人一组；其次 是分步完成过程。在分步完成过程中，基本上要求 这么几个关键步骤包括需求分析、方案设计、详细设 计、编程组装、调试测量及分析反馈和修改调整。这 也符合ＩＳ０９０００：２００８所提倡的质量控制过程 ］。 以下以自动门项目训练过程为例具体说明项目 的实施过程。 （１）项目准备：组成项目小组。确立各组组长、 组名及其理念。 （２）明确项目任务：罗列现实生活中已有的自 动门，定义我们项目中的自动门，如我们定义自动门 是可以将人接近门的动作（或将某种入门授权）识 别为开门信号，通过控制单元的思考，驱动系统将门 开启，在人离开后再将门自动关闭，并对开启和关闭 的过程实现控制的系统。分析自动门的结构与组 成，主要包括主控器、行程（起终点位置）、门栏行进 轨道、驱动装置、检测控制（传感器）等。 （３）方案设计：主要考虑现有条件基础上，选用 的传动方式、传感器的选择、轨道行程的设计等。常 用传动方式有增减速齿轮，齿轮与齿轮，涡轮蜗杆， 齿轮与齿条、螺旋转动与滑轮转动等。传感器选择 需要考虑开门与关门信号设定，以及控制行程问题。 （４）组装调试：动手动脑实践过程中，除了完成 结构搭建外，还需要编写ＶＪＣ程序代码或使用流程 图方法进行软件控制，进行调试。 （５）项目完成标准：除了完成自动控制基本功 能外，还要考虑性能指标，结构简洁稳定可靠，以及 富有创意。 ２．４项目评测 在限定的时间内，无论各小组对于自己的项目 进行到何种地步，到进行测评环节时都进行项目的 演示总结。每个小组作演示总结，指导教师和其他 小组成员参与评测，指导教师或由选定的评测小组 当场给予评判计分，优胜者给予表扬奖励。 这种分组竞赛形式，利于每个项目组进一步改 进提高，各小组以平常心态积极吸纳不同见解，以 彼之长补己之短，使学生们在自由轻松愉快中学到 新的知识点。 ２．５ 多渠道提供优质教学资源 为学生提供丰富优质教学材料。结合网络、大 赛及相关讲座最新技术进展信息和教学机器人设计 企业保持紧密联系¨ Ｊ，请企业工程师进入校园 为学生提供专题讲座。 学生实践课之中，指导教师将搜集到的最新相 关机器人技术信息发布给学生，传授发布方式可以 是视频或文字或图片，以进一步激发学生的学习和 实践兴趣。并提出相关思考题供学生思考。最新信 息来源主要通过国内知名专家讲座内容，世博会最 新展览信息，网上最新信息以及国际上最新研究进 展成果。比如波士顿动力公司公开其机器人研究成 果的视屏内容以及最新电锯自动保护手指的视频 饶增仁，等：教学机器人创新实践教学研究 １６７ （对于传感器高速检测处理的要求）。各级各类机 器人比赛项目正越来越多地受到关注，将全国机器 人大赛的最新规则和比赛用机器人最新进展情况与 同学们及时分享。 结合企业机器人中国行一工程创新之旅，保持 ［３］李昭．从本科生视角看机器人学课程教学［Ｊ］ 计算机教育， ２０１０（１９）：８１—８３． ［４］吴东，张强．高等师范院校的机器人教学［Ｊ］ 计算机教育 ２０１２（５）：４６—４８． ［５］饶增仁，赵洁，靳永利，等．教学机器人实践教程［Ｍ］．兰州：兰 州大学出版社，２０１０：卜５Ｏ． 与教学机器人设计制造公司紧密联系合作，主动将 教学机器人设计工程师请来课堂，开展与学生面对 面的专题讲座和讨论，以进一步加强同学们学习的 热情，增加其学习的主动性，满足其学习兴趣。讲座 内容除了项目训练、教学机器人技术设计外，还包括 他们的创新过程，成长历史动人故事等，以多媒体课 件形式呈现给同学们。 ［６］ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｇｏｖ．ｅ￣／ｊｒｚｇ／２０１０—０７／２９／ｃｏｎｔｅｎｔ一１６６７１４３．ｈｔｍ，国 家中长期教育改革和发展规划纲要（２０１０—２０２０年）［ＥＢ／ ＯＬ］． ［７］ｈｔｔｐ：／／ｗｉｋｉ．ｍｂａｌｉｂ．ｅｏｍ／ｗｉｋｉ／Ｃｏｎｓｔｒｕｅｔｉｖｉｓｍ—Ｌｅａｒｎｉｎｇ—Ｔｈｅｏｒｙ， 建构主义学习理论［ＥＢ／ＯＬ］． ［８］高强，吕东滞，庞毅．多机器人队形保持与变换仿真研究［Ｊ］． 自动化与仪表，２０１２（１０）：４－７． ［９］ 中国国家标准化管理委员会，中华人民共和国国家质量监督 检验检疫总局．中华人民共和国国家标准质量管理体系要求 ３ 结束语 以ＡＳ—ＵＩＩ和ＡＳ－ＥＩＭ教学机器人为基础，通过 ＧＢ／Ｔ １９００１－－２００８［ｓ］．北京：中国标准出版社，２００８：６—２０． ［１０］ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｒｃｃｃａａ．ｏｒｇ／ｌｉｓｔ．ｐｈｐ？ｃａｔｉｄ＝１６，中国自动化学会 机器人竞赛工作委员会［ＥＢ／ＯＬ］． ［１１］ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．Ｉｚ．ｇａｎｓｕ．ｇｏｖ．ｅｎ／ｘｗｚｘ／ｒｄｚｔ／ｊｑｒｄｓ／ｘｗｚｘ／３５５９５． ｈｔｍ，２０１１中国机器人大赛暨ＲｏｂｏＣｕｐ公开赛工作方案［ＥＢ／ ｅＬ］． 我们的５步实践教学方法，不仅提高了学生学习兴 趣，增强了学生的学习主动性，而且使学生真正学到 了自己感兴趣的知识结构，提高了学生们的实践和 创新能力。 ［１２］ｈｔｔｐ：／／ｖ．ｋｕ６．ｃｏｍ／ｓｈｏｗ／ｇｈ２一ｎｉｂｔＷＢＭ００ＰｌＯ．ｈｔｍｌ，波士顿动 力公司机器狗视频． ［１３］ｈｔｔｐ：／／ｖｉｄｅｏ．ｇｏｎｇｋｏｎｇ．ｃｏｒｎ／ｄｅｔａｉｌ／５７２４．ｈｔｍ，电锯惊魂一ＮＩ全 球工业应用博览［ＥＢ／ＯＬ］． ［１４］ｈｔｔｐ：／／ｖ．ｙｏｕｋｕ．ｃｏｍ／ｖ—ｓｈｏｗ／ｉｄ—ＸＭｚＩ４ＮｊＵ３ＭｊｉＱ４．ｈｔｍｌ，斯坦 我院“教学机器人实践”课程是本科生高年级 选修课，我校部分本科生经过这种项目式学习训练 后，在全国大学生电子设计大赛中取得了较好成绩， 从一个侧面也证明该套方法可以有效地提高实验教 学水平和质量。该５步实践教学方法不仅适应于教 福大学：《机器人学》［第１集］．机器人历史及机器人的应用 ［ＥＢ／ＯＬ］． ［１５］ｈｔｔｐ：／／ｖ．ｑｑ．ｅｏｍ／ｐａｇｅ／８／Ｄ／ｑ／８ｂＬＭｇｕＳ０ｘＤｑ．ｈｔｍｌ，ＴＥＤ—ＰＷ Ｓｉｎｇｅｒ：军事机器人和战争的未来［ＥＢ／ＯＬ］． 学机器人实践开发，同样对于本科生其他学科实验 教学也具有一定实践参考价值。 参考文献（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ）： ［１］张剑平，王益．机器人教育：现状、问题与推进策略［Ｊ］．中国电 化教育，２００６（１２）：６５－６８． ［２］ 占强，王东月．机器人学课程教学改革探索［Ｊ］．北京航空航天 大学学报，２０１０（２）：１１７—１２０． 收稿日期：２０１３—０１—０８ 修改日期：２０１３－０３－１１ 作者简介：饶增仁（１９６２一），男，河南南阳人，高级实验师，主 要从事智能电子系统应用设计及其实践教学等方 面的研究工作。 （上接１６４页） 研究，２００８（３）：１－９． ［７］ 徐建平．与成长型企业深度合作拓展高职教育新思路［Ｊ］．中 参考文献（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ）： 李志义．高等工程教育改革实践思与行［Ｊ］．高等工程教育研 究，２００８（２）：４４—４７． 国高等教育，２００８（２）：５０－５１． ［８］ 丁金昌，童卫军．校内实训基地培养高技能人才的研究与实践 ［Ｊ］．中国大学教学，２００８（１）：７８－８０． ［９］ 陆小华，熊光晶，陈珠琳．设计导向的工程教育改革理念［Ｊ］． 吴启迪．中国工程教育的问题挑战与工程教育研究［Ｊ］．清华 大学教育研究，２００９，３０（４）：４—７． 王文福．基于卓越工程师培养诉求的教学改革的理性思 高等工程教育研究，２００７（６）：８３－８７． 李异平，沈民奋．以设计为导向的ＥＩＰ—ＣＤＩＯ创新型 ［１Ｏ］ 顾佩华，考——面向ＣＤＩＯ理念的地图学教改构想［Ｊ］．测绘科学，２０１１ （３）：２４７—２４９． 工程人才培养模式［Ｊ］．中国高等教育，２００９（３）：４７—４９． 杨冬晓，章献民，韩雁，等．电子工程类专业卓越人才培养的实践 ［Ｃ］．中国电子教育学会高教分会２０１０年论文集，２０１０：２０—２８． 收稿日期：２０１２一ｌ１—３０ 修改日期：２０１３—０３—０５ 熊和平，岳爱臣．ＣＤＩＯ工程教育模式一误解的澄明与风险的规 避［Ｊ］．高等工程教育研究，２００９（５）：４８—５１． 查建中．论“做中学”战略下的ＣＤＩＯ模式［Ｊ］．高等工程教育 作者简介：陆坤（１９８０一），男，江苏徐州人，硕士，讲师，主要 研究方向为工程教育、校企合作、信任模型与信誉 系统。