普通综合性高校开展机器人技术实践教学的初步探讨

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摘要:针对智能机器人技术人才培养的迫切性,探讨广州大学开展机器人实践教学活动的实施方法。通过宣传动员学生参与,以项目为引领,以参加学科竞赛为目标,利用毕业设计时机,开展机器人实践教学活动,抓好从普及到提高再到组队代表学校参加全国机器人大赛等一系列步骤,以保障校园内的研究机器人技术的可持续发展。

关键词:机器人技术;实践教学;普通综合性高校

随着电子信息技术的飞速发展,智能机器人离我们的生活越来越近,相信在不久的将来机器人将会成为我们日常生活的一部分,它将彻底改变我们的生活方式[1]。有机器人陪伴的生活令人憧憬,但这需要我们今天的努力去实现。当今世界各大知名公司都在加大机器人技术研究的力度[2],高校是新技术的摇篮和培养人才的摇篮,机器人是目前世界各国高校进行创新思维训练、创新技能训练、工程实践训练最理想的平台[3]。广州大学积极开展机器人实践教学,为学生学习机器人技术建立了以机器人技术为载体的创新实践教育平台,吸引不同专业的普通本科学生参加机器人实践教学活动,让更多的学生了解机器人、喜爱机器人,向他们普及机器人技术知识,提高机器人技术水平,指导学生参加全国机器人大赛。以下就广州大学实验中心开展机器人实践教学的具体情况进行初步的探讨。

1宣传引导学生建立对机器人的兴趣

广州大学实验中心作为校属教辅部门,没有学生编制,承担着全校的公共电子电工基础实验课,每学期到电子信息实验室上课的学生多达上千人,为开展机器人实践教学提供广泛的学生来源。在实验中心领导的大力倡导与支持下,在开放实验的基础上,将不同专业不同年级的学生在机器人技术的引领下聚集在一起,开展智能机器人技术实践教学活动。

2008年初,实验中心安排机器人技术实验课程建设项目,下拨研究经费,在教师科研的基础上带领学生参加。学生对机器人普遍有着好奇心,利用学生对机器人的好奇心,我们不失时机地向学生宣传机器人方面的知识,引起他们对机器人的兴趣,在好奇心和兴趣的驱使下吸引学生来学习机器人技术,动手实践开展机器人制作的实践创新工作。这主要体现在几个方面。

1) 带领大一刚入学的新生参观机器人制作训练实验室,观看机器人实物、图片、视频,讲解机器人技术,满足学生的好奇心。对比国内外机器人技术水平,指出我们存在的差距,激发学生的求知欲望。如图1所示。

2) 利用学生到电子信息实验室上实验课的时机,作为随堂辅导老师向学生宣传正在开展机器人实践创新活动,吸收有兴趣的学生参与。

3) 动员学生选修开设的公选课机器人DIY、智能车与AVR技术,对机器人技术建立初步认识,掌握机器人的基本原理。

2广泛普及和深入开展机器人研究

只有普及,才能吸引学生的参与,才能调动学生的积极性,并参与到机器人研究之中;只有在普及的基础上进行深入研究才能保证开展机器人技术实践教学的长期性[4]。在教师开展科研的过程中,开始时只有机械、电子专业的学生参与,但随着研究的深入,涉及的专业领域逐步扩展,参与的学生专业也越来越多,不但有机电学院、物理学院、计算机学院的学生,还扩展到数学学院、美术学院的学生参与。目前参与机器人学习制作的学生涉及电子、电气、机械、计算机、数学、艺术等专业近百名学生,按照“理论教学与实践教学相结合、课内教学与课外培养相结合、共性培养与个性发展相结合”的原则开展实践教学活动[5]。

首先,我们注重基础训练,培养学生综合运用基础知识能力的综合创新精神,把智能车制作作为基础训练平台,提供十几台智能车,每台配备3至5名不同专业的学生组成车队,有的负责机械结构改装;有的负责传感器选用及信息读取,提供有红外、超声波、电磁、光电、摄像头等不同传感器;有的负责驱动电机、舵机的控制;有的负责算法程序编制;开展循迹比赛或走迷宫比赛。锻炼学生运用综合知识的能力、合作能力和创新能力。

在注重开展基础训练的同时,我们更注重学生个性培养,鼓励学生创新思维,营造个性发展的实践空间,经过基础训练挑选创新欲望强烈又学有余力的学生开展机器人技术深入的研究,现开展有履带式机器人结构设计、人形机器人结构设计、十自由度灵巧手设计、激光传感器设计、直流电机伺服驱动器设计(图2)、人脸识别系统、语音识别系统、手势识别系统、地图建立、机器人外形设计等一系列项目。为学生提供能充分展示个人发展的平台,逐渐掌握全面思考问题、解决问题的方法、提高创新实践的能力。

研究中,我们既强调充分发挥学生专业优势,也注重各学科交叉互补。计算机专业的学生对硬件很难理解,在设计编程的基础上也自己动手做硬件电路,遇到问题可以方便地请教身边电子专业的同学;机械制造专业的学生也学习程序设计及编制,为操作“加工中心”奠定基础;数学专业的学生对计算机原理感觉很神秘,电子的学生给予讲解后就变得不再神秘;电子专业的学生既做控制电路硬件也做计算机软件编程。通过参加机器人制作实践教学活动使学生扩大了视野,在实践中即注重发挥专业特长又不局限于专业,学生间互相交流,促进学科间知识互补,有效进行专业拓展及延伸。为更好学习机器人技术奠定良好的基础,也为培养宽口径人才奠定了基础。

3开展机器人实践教学活动具体实施情况

广州大学是综合性大学,开展机器人实践教学的对象均为本科生,只要学生对机器人感兴趣,学生不分专业年级都能报名参加。对不同年级的学生,让相同专业高年级同学给低年级同学介绍学习经验,指导其学习专业课和机器人技术课程;对不同专业的学生,根据其专业特点分别给予指导学习。

3.1以项目为引领开展机器人实践教学活动

首先,由指导老师根据学生的专业、特长量身定制题目。申请广州大学“机器人技术创新性实验设备”自制仪器设备项目,参与过该项目的学生人数达40多人,涵盖机械、电子、计算机、工业设计等专业,他们目标明确,专攻某一项具体工作,在工作中学会科研,学习创新方法。除了理工科也有文科的学生对机器人感兴趣,设立以机器人为产品开展模拟创业公司,把管理、法律、会计等专业的学生编为创业项目组,围绕机器人开展学习活动。

其次,我们要启发学生自己设定题目,申请学校的“本科生科研项目”,学生自己承担机器人的研究工作。在机器人制作训练室工作过一段时间后,有的学生已不满足指导老师布置的任务,他们能从机器人实用角度出发,自己认为应该增加新的功能,在得到老师认可后,自己做感兴趣的工作,这样更能发挥学生的主观能动性。指导老师鼓励并协助学生申报广州大学本科生科学研究立项,已经成功申请了3项机器人相关的科研立项。参与学生在规定的时间内利用提供的经费开展专项机器人研究,通过真正投身科研中,在实践中锻炼创新能力。从“要我干到我要干”的转变,充分显示了学生在参加机器人实践教学活动中的成长历程。

3.2以参加学科竞赛为目标开展机器人实践教学活动

以竞赛为目标引领学生参加机器人制作,全国机器人大赛是机器人技术的最高赛事。学生以能参加学科竞赛、取得好成绩为目标,利用节假日无怨无悔地从事机器人技术研究工作,为参赛做准备,通过参赛展示团队的真实知识水平。与其他院校参赛选手专业集中、以博士生硕士生为主力不同,广州大学的参赛队伍由清一色的本科生组成,且涉及机械、电子、计算机、数学等不同专业,相比之下,起点较低、专业分散都给开展机器人实践教学带来不利因素,但从另一方面考虑,本科生敢于同博士生硕士生同台竞技,也给团队带来更好的学习机会,广州大学注重强化机器人团队的贡献。培养学生科学素质,在参赛过程中学习交流机器人技术。

参加学科竞赛也不仅仅局限于全国机器人大赛,与机器人技术相关的竞赛如电子设计大赛、机械创新大赛、挑战杯、飞思卡尔智能车大赛等一系列学科竞赛都有组队参加,其中参加“创业挑战杯”的学生更包括有文科的学生参加,通过参赛全面培养学生的动手能力、创新能力、合作能力和进取精神。

3.3以毕业设计为契机开展机器人实践教学活动

本科生从事机器人技术学习主要是利用平时课余时间、节假日、寒暑假,除了暑假具有相对宽松的时间外,还有毕业设计能集中精力集中时间学习实践机器人技术,学生到做毕业设计时,已经具备了专业知识又在机器人实践教学过程中训练过,他们能单独或合作完成较复杂的机器人技术研究设计。例如06级的机制专业学生单独完成了机器手的设计与制作;另外3名学生合作完成了机器人整个身躯的设计与制作。通过毕业设计作为研究机器人实践教学手段,使学生自己独立设计独立完成机器人的某个技术问题,完成设计说明书或设计论文,既有动手实践过程又有书面总结,最后通过语言表述答辩,全面锻炼听说读写做能力,他们查阅资料掌握新技术的发展动态,了解市场行情,动手能力强,大大提高了就业竞争力。如图3所示。

3.4以可持续发展态度开展机器人实践教学活动

人才、时间、经费是开展机器人技术可持续发展的关键问题。广州大学开展机器人技术实践教学过程中,在人才、时间、经费都有限的情况下,充分发挥人的作用,抓紧一切可以利用的时间,精打细算发挥资金的最大用处。

在人才培养方面主要有单独辅导和分组学习以及传帮带3种方法。具体如单独辅导法是当学生遇到问题或某一些技术难点需要攻关解决时,指导老师和学生抽出相对集中的时间一起讨论、实验,直至找到解决办法。例如对刚升大二的电子专业的数名学生,当他们刚在实验室上完两周的电子工艺实习课后,我们邀他们每天晚上到机器人制作训练室进行单独辅导,坚持了半个月时间,有的同学就做出了机器人走迷宫。分组讨论学习法是将不同专业爱好的学生分别建立QQ群,在群里发布学习资料让学生自学;在群里交流学习体会,互相学习。每周六、日晚上不同组群开会,检查工作进展情况,布置任务,具体指导其工作。提供24小时全天候开放实验室,配备必要的仪器设备,建立良好的学习环境,安排相近专业的学生在一起利于讨论交流学习,营造良好的学习氛围。传帮带法是高年级同学带低年级同学,保持技术的传承性。例如,大四的同学学会使用线切割机后在QQ群里发消息:“哪天几点要去金工车间使用线切割机,想学用的同学到现场学习”;后来有学生学会了接线切割机的断钼丝,就又在群里发信息:“想学接断丝的同学某时到车间去现场学习”。同学们乐于教、也乐于学,大三的同学课业负担重时会把任务转给大四的同学做,在参加机器人技术实践活动的学生没有高低年级、专业的之分,学生每周聚会一次,检查工作进展情况,逐个进行汇报、加以指导,再安排以后的工作。保持技术的延续性、完整性。

对于新生,我们从入学教育周开始着手,带领他们参观机器人制作实验室,邀请他们参加机器人讲座,吸引参加机器人实践教学活动;利用课余、周末、节假日、寒暑假等一切可利用的时间参与机器人实践工作。通过机器人实践教学活动,开阔了视野提升了思维,许多学生深感自身知识与能力的欠缺,表示希望能够继续深入学习,纷纷报考研究生。铁打的营盘流水的兵,本科生通过4年的大学学习生活也将离开学校,离开机器人实践队伍,这就注定机器人实践教学将在有限的时间内抓紧一切课余时间不断地培养新人,才能保持机器人技术的传承性,保障机器人技术的可持续发展。

为节约经费,在制作机器人过程中,只要能自己动手实现的都由学生自己动手制作,例如:机械结构由学生自己设计、自己去市场选购材料、自己开动机床加工、然后安装调试,通过自己动手实践,加深了学生的设计理论学习,从理论到实践再促进对学习理论课重要性的认识,同样对电子电气专业的学生也充分放手让学生自己动手设计电路、自己动手制作电路板、采购元器件、焊接调试;机械、电子的同学搭建好机器人硬件,计算机、数学专业的同学就有了有武之地,实现人脸识别、手势动作识别、语音对话、网络交互、障碍躲避等一系列功能,最后由艺术、工业设计的学生进行外观造型包装设计、制作。原材料的采购由学生自己完成,周末去市场寻找需要用到的材料电子的学生跑赛格电子市场;机械的学生跑金属材料市场,买回原器件、原材料自己动手做实验装置,这样学生了解市场,掌握价格行情,有利于控制机器人制作成本。通过把自己设计的作品加工、装配的过程,学生们深深体会到,能设计出来是一回事,能制造出来又是另一回事,就是说设计与制造成品之间还有一大段距离,设计的作品很少能一次加工就完成的,都需要反复修改设计方案,才能达到实用,而一般的课堂教学没有这种机会,通过这种实践,积累了经验,使机器人技术保持完整性,也使学生在以后的实际工作中能很快上手,少走弯路。

由于参加机器人技术实践教学的学生不断增加,管理与辅导的负担越来越大,鉴于此,我们准备联合校团委成立“机器人爱好学会”,再将成员根据专业爱好划分兴趣组,每组选出负责人进行管理,各小组每周分别开展活动,也可联合活动,统筹规划开放实践教学,使机器人实践教学的开展可持续有条不紊的进行。将向更多的学生普及现代机器人知识,为我国的机器人事业培养更多的优秀人才,也为推动和促进机器人与自动化技术的发展与创新,为我国的快速持续发展贡献力量。

4结语

开展机器人实践教学活动为普通本科学生提供展示能力的舞台,在课内与课外全程全方位支持学生个性发展,培养具有扎实的基础知识、理论知识,具有较强专业实践能力和创新精神的复合型人才,使拔尖创新人才得以充分发挥其潜力和才能,为就业打下良好基础。参加过机器人技术实践教学活动的2006级学生,他们在众多同学中都是最早签约工作的,有的毕业设计还没做完就被公司预定,现在他们都已经毕业走上了工作岗位,根据调查,计算机应用专业的学生继续从事单片机控制工程的软硬件开发,得心应手;应用数学的学生在公司从事软件开发,已经独挑大梁;机制专业的学生在数控机床公司也干得如鱼得水,因为他们在学校已经能熟练使用加工中心了。结果显示,参加过机器人技术实践教学活动的学生在工作中能很快进入角色,承担起工作任务。这一结果也为我们普通综合性高校今后开展机器人技术实践教学活动增强了信心。

参考文献:

[1] 陈香. 智能服务机器人,有望走入寻常百姓家[J]. 机器人技术与应用,2010(1):14-17.

[2] 金周英,白英. 我国机器人发展的政策研究报告[J]. 机器人技术与应用,2009(2):2-7.

[3] 田国会. 家庭服务机器人研究前景广阔[J]. 国际学术动态,2007(1):28-29.

[4] 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(3):144-146.

[5] 王佩. 智能机器人的教学探索[J]. 中国电化教育,2009(2):95-96.

[6] 刘振东,张作龙,李雪琴. 初级机器人教学的探索与实践[J]. 科教文汇,2009(7):22.

Preliminary Study on Practice Teaching Robotics in General Comprehensive University

CHEN Hong

(Experimental Center, Guangzhou University, Guangzhou 510006, China)

Abstract: Intelligent robot is getting close to our lives, that bring up robotics technician extremely urgent. The article is a preliminary study on robot practical methods of teaching activities in Guangzhou University. By Advocacy to mobilize students to participate in, project-lead, participate in the competition as the target, graduation design use, we carry out robot practice teaching. Pay adequate attention to the series of steps that from universal to improve, then, take part in China Robot Competition and the RoboCup China Open, which ensure the robot technology sustainable development in the campus.

Key words: robotics; practice teaching; general comprehensive university (编辑:郭小明)