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摘要：为了提高工科学生的工程素养，对以“未来之星”机器人为平台的机器人教学课程从教学目的、教学内容和教学方法等方面进行了研究和探索，并在逾3年的实际教学工作中进行了实践，取得了良好的教学效果。
【关键词】：机器人教学；能力培养；实践教学
工科学生必须重视理论联系实际，培养自己的工程意识、工程思维、工程方法，以达到具有分析、解决工程实际问题的能力。现在许多大学对学生进行专业教育的同时，也使学生的知识和眼界相对封闭和狭窄。但是在社会实际工作中往往需要学生能够把相关学科知识融会贯通地运用，这在工程领域尤为突出。而机器人教学课程为解决上述矛盾提供了一种新的思路。作为一种综合性的学习科研活动，机器人教学课程打破了学科与学科之间的活动界线，加强了计算机科学、机械制造、电子工程以及工业自动化等几个相关学科间的横向联系，让学生能够从一个系统工程的角度，整体地理解自己所学的理论知识，拓宽专业知识面，开阔视野。
一、机器人课程教学的目的
机器人教学课程使大学生的创新教育、实践教育以及专业技术教育拥有全新的模式，激活和强化学生的多元能力特长，训练学生的创新能力和实践能力，训练学生自主建构知识的能力。机器人教学课程使学生在学习实践的过程中建构广域的工科知识基地，对材料、机械、电子、计算机硬件、软件均有直观地认知。在学习实践的过程中激发和强化他们的创造力、动手能力、协作能力、综合能力和进取精神。运用全新的评价体系，帮助学生全方位认知自己的能力结构和能力特点，为系统建构他们的能力特点打下基础。
在教学过程中注重对学生以下几个方面的素质进行培养和提升：培养和开发学生多学科知识综合应用能力；对机器人所涉及的多领域知识有直观的认知；培养学生的团队合作能力；激发学生探究本专业相关问题的兴趣；了解机器人技术的发展趋势。
二、机器人课程教学的内容与设计
机器人的核心是智能技术，其外延则涵盖了机械、电子、通讯、控制等多个学科和技术领域，是一个学科技术群。在充分学习和借鉴各个学校的教学经验的基础上，根据我校实际情况，笔者及其所在的教研组开发了一系列机器人教学课程，多方面、分层次地开展机器人教学活动。
以“未来之星”为平台的机器人教学课程作为机器人实践教学系列课程中的一个组成部分，正在发挥着越来越重要的作用。“未来之星”机器人是一种小型地面移动机器人，通过机载高度集成的Intel嵌入式主板，采用Windows操作系统，学生可以直接采用Visual C++环境开发机器人上位机程序，进行路径规划、语音交互、图像识别、动作编辑等实验。以“未来之星”为平台的机器人教学课程的教学内容主要分为基础理论与实践创新两大部分。其中基础理论部分包括：
1.机器人概述部分：介绍典型的著名机器人，包括轮式机器人、工业机器人、仿生机器人等各个类别的机器人。在概述部分每年都增加新的机器人的研究进展，使学生在了解历史的同时也开阔了眼界。
2.机器人整体系统部分：以未来之星机器人为教学平台，介绍其硬件电路系统和软件系统，其中硬件部分包括其系统架构、能源与驱动系统、传感器系统、控制系统电路和总线系统，软件部分包括软件开发平台的介绍和软件架构层次关系。
在基础理论部分讲解之后，都安排有针对性的实践项目，让学生的实践创新环节加深对所学知识的理解并在实际运用中加以创新。实践创新环节的设计包括：
1.硬件部分实践项目：这部分所安排的实践项目，属于基础性实验，包括：LCD及键盘电路的设计、建立串口通讯、串口通讯控制机器人、陀螺仪和倾角计在机器人上的基本应用。
2.软件部分实践项目：这部分的实践项目主要是使用VisualC++编程环境在PC端进行的策略和自主功能程序的开发，包括基础性实验和高级应用实验。
三、机器人课程教学环节的设计
在整个教学过程中，采用以实践教学为主、理论讲授为辅的教学方式。在学时的分配上理论与实验所占的学时比例为1∶1.5。实验以分组的方式进行，根据实验的难度和设备的数量，每组学生为2~4人，以便于学生之间进行交流和讨论。在实验的过程中，学生遇到自己难解决的问题可随时与教师进行交流，以利于教师及时解决学生的问题并实时把握学生的学习动态。由于学生的思维都相当活跃，教师与学生进行交流的过程同时也是一个教学相长的过程。学生在实验的过程中，学习兴趣和实践能力都在不断提高。
除了采用理论与实践相结合的教学方式外，教学中还设置了课堂讨论和专题作业论文的环节。为了调动学生的学习积极性，让他们充分参与到机器人的学习过程中，在每阶段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辩论，老师作为一个仲裁者的身份进行讨论的组织和总结。专题作业论文是让学生完成一份关于机器人相关技术的调研报告，主要是为了拓展学生的知识面，同时把课堂学习的机器人知识与自己的专业知识结合起来。选题内容可从老师提出的一些题目中选取，也可由学生自定。
在考核方式上，采取理论考试与实践活动分别占30%和10%的评定方式，目的在于引导学生在理解基础理论知识的同时更加注重实践能力的培养。实践活动包括平时的实验项目和专题作业论文的完成情况以及课堂讨论中的表现等，以促进学生在学习的过程中得到多方面的能力培养和锻炼。
四、机器人课程教学的效果
在以上的学习实践过程中，尽管学生们在实验中出现了各种各样的错误，但学生的兴致很高，往往一直操作到下课还利用课余时间来继续未完成的实验。学生反映这种实践课程对他们的锻炼价值很大，因为把理论和实际之间的这层窗户纸给打通了，让学生对这门机器人课程有了一个系统的认识和理解。在课堂讨论的环节中，最初只是鼓励学生表述自己在实验中遇到的问题以及解决的方法，随着课堂讨论次数的增多，学生的思路逐渐开阔，对问题的看法也更加深入，辩论的氛围逐渐浓厚起来。在辩论中，学生感觉收获很大。通过以上的学习，学生主要有以下三方面收获：（1）知识方面：了解工科的基本知识框架、能力框架、专业方向；了解工科学生的知识和能力需求。（2）能力方面：发现自己的能力特长；培养动手能力，团队协作能力，创新能力；培养自学能力，演讲能力；培养自我认识能力；培养情报检索能力。（3）兴趣方面：进入真正以学生为本的学习氛围，在充满乐趣和成就感的氛围中自主体验式学习，自己发现要探索的知识点。
学生在接触和学习机器人的过程中，实际上是在机器人研究探索中对其他学科知识的拓展。随着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做好机器人的教学工作是许多机器人教育工作者关心的问题。笔者通过对机器人教学课程进行深入地理论研究，结合本校机器人教学的实际情况，对以“未来之星”机器人为平台的机器人教学课程进行了研究和探索，并在逾3年的实际教学工作中进行了实践，取得了良好的教学效果。
参考文献：
［１］王旭仁，何花，周全，等.深入完善“智能机器人”实践课程体系，促进实践教学［J］.计算机教育，2009.
［2］郝卫东，李静，许敏.机器人技术综合实践课程建设研究［J］.桂林电子科技大学学报，2009.
［3］赵弘，赵毅鑫，周擎坤，等.机器人学课程教育方法的探讨［J］.中国现代教育装备，2008.
（作者单位 北京工商大学材料与机械工程学院）
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