机器人工程实践创新实验室建设的思考

王东署，郭彤颖

(1.郑州大学电气工程学院，河南 郑州，450001;2.沈阳建筑大学信息与控制工程学院，辽宁沈阳，110106)

我国的高等工程教育从20世纪50年代起，采用的基本上是科学主导工程的理念。目前，由国家中长期科技发展规划提出的“中国创造”等宏伟目标驱动，国内很多高校正在积极推动工程教育回归工程(动手、实践、创新)运动，通过培养学生动手能力和工程实践能力，达到创新实践教育所提出的目标［1］。建设机器人工程实践创新实验室(以下简称机器人实验室)就是这一理念的具体实践。

1 机器人实验室建设思路

机器人作为典型的机电一体化产品，涉及机械、电子、自动控制和计算机软硬件等学科，实践性和综合性都很强。机器人实验室的建设思路，可以概括为:以机器人为教学实训对象，运用项目式教学法，培养能综合运用知识、具备创新能力、具有工程实践经验、面向社会就业需求的毕业生。

以机器人实验室为平台，学生可以逐步掌握广域的工科知识，激活和强化多方面的能力，了解自己的能力结构，激发自身的学习兴趣［2-5］。

2 机器人实验室建设原则

(1)设计理念的先进性:为了保证机器人实验室的先进性，必须考虑“模块化、可重构、全开放、标准化”的设计理念，通过工业总线将各个机器人功能模块连接成统一的整体，符合“分布式控制”、“分布式计算”、“模块化、标准化”的发展趋势。

(2)强大的实用性:由于采取模块化、标准化、全开放的设计理念，可以把复杂的机器人控制系统划分为多个简单的功能组合。学生学习时深入浅出，由易到难，适应本科低年级、本科高年级、研究生等不同阶段的教学与研究需要。

(3)配置的合理性:机器人实验室配备的相关实验和创新实践设备必须适当合理，既能覆盖本科及研究生教学，又能适用于不同层次的教学任务。

3 机器人实验室建设目标和特点

机器人实验室的主要建设目标如下。

(1)在不改变现有教学体系和大纲的前提下，通过机器人实践和创新实验室的建设，逐步将工程教育由“科学主导工程”转变为“工程教育回归工程”的培养方式。为社会培养实用人才，包括创新型人才和工程操作型人才，提高就业水平;使学生能将获得的理论知识运用到工程实践中。

(2)机器人技术的创新实践教育包括学生自主创新活动和课堂竞赛等形式，让学生通过在机器人载体上的亲手实践，提高其对课堂知识理解的深度与准确性。

(3)通过参与主流的机器人竞赛，使学生在竞赛中运用工程和科学知识，并且与其他队伍交流、竞争，达到锻炼学生工程素质、培养学生工程创新思想，树立学校和所在专业品牌形象的目的。机器人竞赛是工程教育回归工程理念的最好的锻炼平台，可以促进“教学、科研、竞赛”三方面的良性循环和整体学科实力的螺旋式上升。

(4)本实验室还可以作为学生课程设计和毕业设计的支撑平台。

总的来说，机器人创新实验室具有如下特点:

(1)延续性:学生通过“单片机原理与接口技术”、“电工电子技术”、“控制工程基础”、“传感器与测试技术”和“模拟电路与数字电路技术”等课程建立的知识体系，可以通过本教学实验平台实现综合应用，从而使自身能力在应用技术层面上得到有效提升。

(2)创新性:学生可以通过在实验室进行创新性实验，有效提高对所学课程知识的综合运用能力和创新能力，这恰恰是目前学生培养中较为薄弱的环节。

(3)复合性:在实验室里，学生可同时接触到电子学、自动化技术、机械工程和计算机科学与技术等学科的知识并加以综合应用，这对培养复合型人才具有重要的意义。

(4)普适性:机器人实验室是面向全校各工科专业开设的，学生受益面很广。

(5)研究性:可进一步针对高级专业技术人才的培养和科研工作提供开放的研究平台，进行机器人平台的二次开发和研究，比如结合自动化等学科的特点，在工程的智能控制方面进行科学研究。

4 机器人实验室建设内容

1)为基础课程和专业课程开展实验教学

机器人实验室可以为工科专业的很大一部分课程提供实验环境。

在理论教学之前，先展示有趣味的机器人构型，如采用模块化设计、可重构、代码开放、标准化的机器狗、机械蟹、蛇形机器人和高性能擂台比赛机器人等，让学生明白此门课程的实际运用价值。然后再介绍涉及的课程，如“单片机原理及应用”、“传感器基础”和“自动控制原理”等，而在此后的实验课程教学中，通过结合具体控制事例来实现基础课与专业课的有效融合，提高教学效果。

2)以实践为核心开展项目式教学

项目式教学法将传统课程中的系统、完整的知识体系转化为若干个教学项目，如针对完整的机器人控制，可划分为运动学控制教学项目与动力学控制教学项目来组织教学，使学生通过参与项目完成的全过程来进行学习。项目式教学强调的是将以教案为重点转变为以完成项目为重点，其主要特点在于避开传统的一味追求教学知识的完整性和系统性，始终围绕着项目是否能够完成而进行，对知识结构的要求本着“够用”的原则，重点在于培养学生的动手能力、独立获取信息的能力和自主构建知识的能力。其与传统教学方法的比较如图1所示。

3)创新实验课程

创新实验课程可分为如下4个层次:

(1)导入阶段:使用有趣的机器人例子激发学生的学习积极性，使用简单的编程实例，带领学生进入创新实验课的大门。

(2)基础项目:采用项目式教学方式，每学期设置20课时课程，通过完整项目，综合运用所学过的各学科知识，达到融会贯通的目的。

(3)深度项目和比赛项目:以一定深度的项目和比赛项目，锻炼和培养高年级学生的技术水平，工程实践素养。选拔优秀的学生团队，参加比赛，验证创新实验教育成果的同时为学校赢得声誉。

图1 传统专业课教学体系与项目式教学法对比

(4)课程设计和毕业设计:利用多样化、模块化、可重构的平台，为学生提供多种可能性的技术实现方案，为课程设计和毕业设计提供硬件基础。

4)实验室场地及布局

一个完善的机器人实验室是一个集机器人教学、科技活动和科学普及为一体的全功能实验室，由于教学过程更强调学生的主动性、合作性和实践性，需要更多的动手活动和师生互动，因此需要比较大的空间。

实验室由六大主要功能区结合而成。

(1)教学区:配置讲台、投影仪和黑板，是教师进行机器人授课的主要空间。

(2)活动区:这是一个空场地，让学生有一个比较空旷的场地调试机器人。

(3)组装区:提供专用课桌和工具，搭建和改装机器人。

(4)竞赛区:摆放一个机器人擂台，可以组织学生进行机器人比赛。

(5)储物区:存放机器人及其相关设备和附件。

(6)展示区:展示学生作品、荣誉等材料。

5)师资力量

师资力量是整个机器人实验室建设中最重要的部分。对于机器人实验室和教学实际来讲，师资、鼓励学生的政策等软环境重要性要超过实验室设备、场地和机器人平台等硬件环境。作为以教学为主的机器人创新教学实验室，教师需要具备机器人教学和实验方面的实践能力，最好有相关教学或者竞赛经验。建议师资力量配备如下:

(1)1位专职教师，负责授课，指导学生动手实践。专业背景最好为机械、自动化和电子等相关学科;对机器人技术有所了解，最好具有从事过相关的竞赛或者实验工作的经历。

(2)1-2位实验指导教师或者助教，负责指导学生实验，解答问题。可以是有实践经验的研究生，甚至可以是参加过机器人竞赛的高年级本科生。专业背景最好与机电、测控和自动化相关;熟练掌握数字电路知识和电路设计、分析;熟练掌握一种单片机的硬件开发和C语言编程，熟悉整个开发过程。

5 结语

本文从“工程教育回归工程”的理念出发，对工科学院本科阶段机器人实验室建设的思路、原则、目标和内容进行了探讨，希望能对我国高校机器人实验室建设提供一点有益的参考。笔者相信，机器人工程实践创新实验室建设能够促进学校教学和科研工作的开展，促进传统教学方法向项目式教学方法转变，同时能激发学生科研的兴趣，培养学生的动手能力、创新能力以及团队合作的精神，为学生创新能力和综合素质的培养提供一个宽广的平台。

［1］ 阎世梁，张华，肖晓萍，王银玲，熊开封.高等工程教育中的机器人教育探索与实践［J］.上海:实验室研究与探索，2013，32(8):149-153

［2］ 姚志凤，薛少平，陈亚娟.机器人创新实验室的多元化模式探究［J］.南京:电气电子教学学报，2012，34(5):76-78

［3］ 于莉.机器人实验室建设的探讨［J］.西安:高校实验室工作研究，2010，3:103-105

［4］ 李林喜，葛素霞，贾翠玲，王利利，闰秀芳，乔秀芸.开放机器人实验室对学生能力培养研究［J］.武汉:现代商贸工业，2014，6:99-100

［5］ 王旭仁，刘丽珍，黄向阳，王万森.智能机器人实验室建设研究［J］.北京:计算机教育，2013，19:85-87