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机器人通识类课程实验教学研究与实践.pdf
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1、实验教学机器人通识类课程实验教学研究与实践房明1,王洪君2(1.山东大学信息科学与工程学院,青岛266237;2.山东大学山东大学(青岛)公共(创新)实验教学中心,青岛266237)摘要:高校通识课程中不乏机器人技术相关课程,但存在数量相对较少,重理论轻实践,缺乏适用教学资料,以及未有效利用机器人教学资源等现实问题。该文结合开展机器人通识教育的实际情况,将实验教学引入机器人通识课程,充分利用现有机器人实验教学资源,保证实践内容在课程中占较大的比例。开设适合通识教育的、能够普遍推广的机器人创新实践课程,对传统教学方案进行改革,同时推进机器人实验室的开放共享。实践证明,在保证教学内容先进性的前提下
2、,实现以学生为中心的实验教学模式,通过线上、线下教学相结合,让学生的学习和探索能够延伸到课外,教学效果良好。关键词:机器人;实验教学;通识课程;教学方案中图分类号:G642.0文献标志码:ADOI:10.12179/1672-4550.20220249Research and Practice of Experimental Teaching inthe General Course of RobotFANGMing1,WANGHongjun2(1.SchoolofInformationScienceandEngineering,ShandongUniversity,Qingdao266237
3、,China;2.Public(Innovation)ExperimentalTeachingCenterofShandongUniversity(Qingdao),ShandongUniversity,Qingdao266237,China)Abstract:Therearesomecoursesrelatedtotherobottechnologyingeneraleducationcoursesofcollege,butsomepracticalproblemsstillexist,suchasrelativelyfewnumberofcourses,emphasisontheoryra
4、therthanpractice,lackofsuitableteachingmaterials,and ineffective use of robot teaching resources.Combined with the actual situation of general education in robot,experimentalteachingisintroducedintothegeneralcourseofrobot,andtheexistingexperimentalteachingresourcesofrobotarefullyutilizedtoensurethat
5、thepracticalcontentaccountsforalargerproportioninthecourse.Aninnovationpracticecourseofrobotissetup,whichissuitableforgeneraleducationandcanbewidelypromoted,reformtraditionalteachingscheme,andpromoteopeningandsharingofrobotlaboratories.Thepracticedemonstratesthat,onthebasisofensuringtheadvancedteach
6、ingcontent,realizingthestudent-centered experimental teaching mode,combining the online and offline teaching,and enabling students learning andexplorationtoextendbeyondtheclassgaingoodteachingeffect.Key words:robot;experimentalteaching;generalcourse;teachingscheme近年来,机器人技术保持高速发展,机器人是多学科高度交叉融合的应用产物,在
7、我们的生产和生活中的应用越来越广泛。高校作为创新人才培养的摇篮,自然十分重视机器人技术相关教学。由于机器人的实践性和工程性强,我们对开展相关实验教学,进行实验教学研究与实践应给予足够的重视13。通过实验可以对理论知识理解更为深刻,为学以致用打下基础,培养解决实际问题的实践能力4。通识课程是高校学生培养方案的重要组成部分。山东大学十分重视通识教育,并充分发挥综合性大学的优势,开设了大量涉及各个学科和领域的通识类课程,鼓励学生跨学科选课,促进学科交叉融合,开拓学生视野。面向各专业所开通识课程中,不乏机器人技术相关课程,但数量相对较少,学生学习积极性不高,在课程进行中仍 收稿日期:20220426;
8、修回日期:20230516 基金项目:山东省本科教学改革研究项目(M2020199);教育部产学合作协同育人项目(202101024008);山东大学实验室建设与管理研究重点项目(sy20202601);山东大学教育教学改革研究项目(2020Y090)。作者简介:房明(1991),男,硕士,实验师,主要从事 RFID 技术应用、实验室管理和实验教学研究。E-mail:第 21 卷第 4 期实验科学与技术 Vol.21No.42023 年 8 月ExperimentScienceandTechnology Aug.2023然存在重理论轻实践,未有效利用机器人教学资源,缺乏适用的教学资料等具体、现
9、实的难点问题。本文围绕目前机器人通识课程存在的问题,结合学校开展机器人技术教学的实际情况,将实验教学引入机器人通识课程,并保证实践内容在课程中占有较大的比例,充分利用现有机器人实验教学资源,对机器人通识类实验教学进行研究与实践。开设适于通识教育,能够普遍推广的机器人创新实践课程,改革机器人通识类课程教学方案,同时推进机器人教学资源和实验室的开放共享。1难点问题山东大学(青岛)公共(创新)实验教学中心(以下简称中心)作为公共实验平台,开设和承担通识类创新实践课程并开展实验教学是中心的重点工作之一。学校相关专业的老师对机器人技术通识教育进行了有效的探索,开设了一些课程,但是根据当前学校的实际教学情
10、况,并结合教学资源和实验室等方面的情况,发现仍然存在一些具体、现实的难点问题。1)机器人通识课程总体数量相对较少,学生的选择有限,尤其在中心所在的青岛校区,缺乏机器人通识课程。2)机器人通识课程教学手段单一,以科普和理论讲解为主,部分课程中安排了少量的演示性或验证性的实验,部分课程仅在教室就能够完成教学,不需要走进实验室。这样学生缺乏动手操作机器人实物的实践机会,对机器人的认知多停留在概念上,难以激发学习热情和积极性56,更无法实现实践能力和创新能力的培养。3)缺乏适用的教学资料。若将实验教学引入机器人通识课程,改革教学方案,则需要制作适用于通识类机器人创新实践课程的教学资料,如编写相应的实验
11、指导书,进行线上教学资源的制作等。4)现有部分机器人资源利用率低。如中心已完成了机器人创新实验室建设,并引进了一些先进的机器人平台和设备作为公共教学资源,但由于宣传力度不足,与学院师生联系不紧密,未开出有效课程等原因,导致设备利用率偏低,实验室开放共享不佳等状况。2机器人通识类实验教学研究与实践2.1开设机器人创新实践课程为了有效开展机器人通识类实验教学,尝试对机器人通识课程进行发展与改革,实现理论与实践相结合,扩大教学受益面,充分利用中心的实验室与机器人资源,学校开设了机器人技术创新实践课程机器人探索与实践。在考虑各专业学生选课接受度及课程内容量等因素后,初步以通识选修课程(1 学分,16
12、学时)形式开展,保证实验在课程中具有较大的占比。课程面向所有专业的学生开展机器人技术通识教育,不设置先修课程等方面的门槛,尽量改变类似课程大部分为工科学生选课的现状。通过最新、最热的技术认知,亲力亲为的探索和实践环节,以学生为中心,以实验项目为导向,线上线下相结合等,充分调动学生学习机器人技术的积极性,帮助学生更直观地理解机器人技术,提高学生实践能力和团队合作能力,并促进创新能力的培养79。2.2课程硬件资源课程实验教学主要依托中心的机器人创新实验室,如图 1 所示,基于实验室的桌面式机械臂、人形机器人、服务机器人、机器狗、双臂协作机器人、智能小车等机器人平台和设备开展。该实验室为开放实验室,
13、配备了不同种类先进的教学机器人作为机器人公共教学资源,可支撑机器人技术实验教学,支持学生参加创新创业竞赛和科技创新项目制作等活动。课程以 DobotMagician 机械臂为主要实验平台,该国产机械臂为越疆公司自主开发的高精度多功能轻量型智能实训机械臂,能够实现吸盘吸取、抓取、写字画画、3D 打印、激光雕刻等功能,支持示教再现,图形化编程,并预留拓展接口及软件 API。该机械臂上手容易,无相关专业基础也可以轻松入门,同时支持二次开发方便实验进阶,比较适合机器人通识类实验教学,根据学生水平设计不同难度层次的基础实验和拓展实验。课程中还安排了人形机器人 NAO 演示和入门实验,NAO 目前是日本软
14、银公司的仿人智能机器人产品,身高约 57 厘米,具有 25 个自由度及视觉、音频、红外、压力等多种传感器,可以在支持多平台的开放式编程架构下实现可视化编程,适应不同水平的学生使用。另外,课程中应用实100实验科学与技术第 21 卷验室机器人资源,如机器狗、双臂协作机器人、智能服务机器人 Pepper、ROS 自动驾驶车,以及DobotMagician 机械臂延伸应用设备和系统,如书法、人机对弈和机器视觉学习平台等开发了演示、体验类实验项目。(a)实验室(1)(b)实验室(2)图1机器人创新实验室2.3教学内容设置课程含 16 学时的课上时间,分为 8 次课程教学,每次课程为 2 学时,上课地点
15、直接放在机器人创新实验室内,方便学生实验和直观的机器人认知。通过课程教学,主要实现以下目标:1)让学生了解机器人技术的最新发展,机器人基本原理和应用领域等机器人相关基础知识;2)以 DobotMagician 机械臂为例,了解机械臂的基础知识和应用;3)通过实验掌握机械臂上位机软件使用,机械臂基本操作,以及各种配件的安装和使用方法,完成各实验项目;4)掌握图形化编程,学有余力的学生可进阶学习代码编程,实现机械臂自动控制;5)通过机器人认知实验项目,了解除机械臂外其他几种机器人的原理与应用,开拓学生视野,为后续的深入学习和研究培养兴趣、打下基础。课程的教学内容和实验安排如表 1 所示。第一次和最
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- 关 键 词:
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