[摘要]机器人因其是涉及的知识面非常广泛的综合性系统而成为理工科高等院校自动化、计算机、机械以及电子等相关专业开设的一门重要的专业课程。机器人技术虽然经过几十年的飞速发展，仍然有相当多的问题未能解决，因而也成为高校师生进行科学研究和创新实践的良好平台。本文以学生能力培养为目标，从教学内容、教学方法等方面对机器人教学思路进行了探索，提出了三位一体的教学模式。实践表明，改革后的机器人教学思路和教学方法能有效提高教学质量和学生的实践能力。
[关键词]教育技术论文发表,机器人学,三位一体,创新精神,工程实践
自从1920年捷克剧作家卡雷尔・凯培克在《罗萨姆的万能机器人》中第一次提出 “机器人”(Robota，Robot)这个名词就开启了人类的“机器人之梦”。经过几十年的发展，机器人技术已经不仅仅是重复劳动的机器而是具有了一定的智能性甚至能自主的完成人类赋予的特定任务的智能机器。
机器人技术的发展水平已经成为高科技发展的代表，很多国家尤其是欧美等发达国家在高校设立专门机器人研究机构，提供大量的资金支持机器人技术的研发并开设机器人相关的课程。我国在这方面也取得了很大的进展，如嫦娥三号携带的玉兔号月球车的成功充分证明了我国机器人技术的成果。
一、机器人学课程的重要性
深空探测等重大工程的开展，将进一步推动机器人技术的发展。从另外一个角度来看，机器人技术的发展对于其他行业的发展也起着非常重要的促进作用，如自主移动机器人技术可以为汽车辅助驾驶提供解决方案。在高校已经有相当多的理工科专业开设机器人课程，而且机器人是多领域高度交叉、多学科高度融合的系统，它涵盖了电子、机械、计算机、自动控制、及人工智能等多学科，因而要求学生能够综合运用机械、电子、计算机等方面知识才能更好地进行系统操作和设计，因而机器人课程也是培养学生的实践能力和创新能力的良好平台 [1，2]。另外，通过机器人课程可以用较少的教育投入(包括人力、物力以及时间等)获得较大的教育成果(主要包括学生获得的知识、技能以及情感培养等)，从而得到优化的教与学效果。
本文结合南京邮电大学卓越工程师培养计划的大学生能力培养目标，从机器人课程的教学模式出发，探索了一种结合了课堂讲授、仿真模拟、实验操作为一体的从理论基础到理论理解和验证再到理论指导实践的三位一体的教学模式，并在南京邮电大学自动化学院的“机器人学”课程中进行了实践，取得了较好的成效。
二、机器人学教学中存在的问题
机器人这门课程具有高度知识交叉性和综合性以及工程实践性的特点[3]。因而在以往的教学中所采取的课堂讲授法的教学方式因为讲授方式的局限性而无法充分调动学生学习的积极性、无法将抽象的数学模型具体化形象化，学生对于教学内容理解不深入不能融会贯通，因而对于学生能力的培养效果不明显[4]。存在的问题具体阐述如下：
1.教学内容不能紧跟时展。
由于机器人技术更新快速，课程选用的教材出版周期较长，导致了教学内容远远落后于当前机器人领域的新的发展趋势。且授课内容大体仍然在按照教材章节的基础内容来设计，这样使得学生在学习机器人坐标空间和运动学、动力学模型这些理论基础的时候表现的兴趣缺乏。
2.教学中对学生启发和实践的内容较少。
机器人通常作为大学生的专业课程，专业课承担着实现学生能力培养这一目标的重要任务，通过机器人课程的学习，要求学生能够结合所学的知识分析问题并解决问题，因而单纯的讲授并不适用于这门课。
为了学生的培养质量，真正实现学生能力培养，提高机器人教学质量，需要针对上述问题对机器人学课程的教学内容和教学方法进行改革，探讨新的教学方案。
三、改进措施
针对前面分析的机器人学课程教学中存在的问题，针对南京邮电大学自动化专业卓越工程师培养计划中学生的培养目标从教学内容和教学方法两个方面探讨三位一体的教学模式，即课堂讲授、仿真模拟、实验操作为一体，具体内容如下：
1.将当今最典型的和最先进的机器人系统与教材中的内容相结合安排授课内容。
首先，在绪论中充分展示机器人发展的历程，以及国内国外目前机器人的发展现状，广泛收集美国DARPA、CMU、MIT日本Honda以及国内的中科院、清华大学、国防科技大学、哈尔滨工业大学等知名研究机构的最新机器人技术研究进展并通过视频展示给学生，调动学生的学习积极性，以使学生认识到机器人技术发展的脉络以及机器人技术的应用领域和重要性。
其次，在机器人学课程内容的机器人坐标变换、机器人运动学以及机器人动力学模型部分，适当的减少理论公式推导，而是将抽象的模型具体化，增加机械手臂仿真软件在课堂的演示内容，通过仿真软件在投影仪中展示机械手臂机器人各个关节的运动，将抽象的坐标变换中的矩阵运算转化为机械手臂关节的具体位置参数的运算，而且将机器人运动学模型具化为机械手臂的运动模型，通过具体的演示过程讲解和分析机械手臂各个参数之间的关系和运算。
再次，在机器人传感器部分的课堂教学中增加具体的机器人传感器工作过程仿真内容，如基于被动视觉传感器、主动雷达传感器等的障碍物检测，并进行了仿真结果的对照，通过分析这两种信号从信号源的产生差异导致传感器获得的信号分别是二维平面数据和三维深度数据，进而导致后续的分析方法的差异，以及检测结果和干扰因素的差异，并在实验中增加了基于视觉的机器人避障的环节以及基于激光雷达的机器人避障环节，进一步的讨论传感器的信息融合。使学生对于传感器的工作过程包括信息获取、信息处理等过程有了深入的认识。
最后，在实验部分，安排了移动机器人创意实验设计，要求学生参考飞思卡尔智能车设计跟踪光源的移动机器人，提供基本的机器人移动平台，以及传感器接口，编程环境，需要学生根据自身设计的实验过程选择传感器，且在编程环境中编写程序以获得传感器数据，并能最终检测到光源位置进行跟踪。通过这一实验内容学生能够将所学的机器人模型以及传感器、软件编程、自动控制等知识综合运用，提高其动手能力和创新意识，并且实验采取小组合作的模式，能够锻炼学生的团队合作精神。 2.教学方法的改革
(1)案例具化法
在每一个主题的讲授内容中都安排了具体的案例进行分析。安排国内外典型的机器人如火星车、google无人驾驶汽车、ASIMO等来分析机器人系统配置、运动机构、传感器融合、控制方法等内容。另外通过具体的仿真模拟如可以将机器人系统的坐标变换、运动学模型的融合到机械手的仿真过程中，通过具体的机械手控制实例讲解和分析抽象的机器人模型。进一步的，通过作者本人开发的机器人避障软件在投影仪上展示程序中信息的获取、信息的处理、对获得的有效信息进行判断、识别最终作出决策过程;通过仿真软件验证经典的路径规划方法，A*算法是经典的路径规划算法，但是仅仅通过教材中的几幅图片往往不能让学生深入地理解这一算法的精髓，所以设计了A*算法软件演示内容，通过投影仪讲软件的掩饰过程投影到白板上，并将程序一步一步地执行，这样学生很容易理解这一算法的搜索计算过程。在机器人学课程中还有很多软件可以用来分析和讲解在机器人中传感器信息的获取以及机器人系统的决策等问题，这里不再一一赘述。
(2)启发学生主动参与教学
在一次课程结束时，针对下一次课程的内容如典型的机器人运动方式、移动机器人定位、移动机器人导航等设计问题，督促学生搜索这一问题相关的机器人资料，且其收集的材料可以通过投影仪展示给老师和全班同学。学生对于新兴的机器人技术常常表现出浓厚的兴趣，往往能积极的参与到老师设计的问题当中并能针对同学收集的材料进行讨论和分析。
这种学生主动参与教学的方法不仅能促进学生资料收集的能力，而且也使得学生化被动的接受为主动的思考。另一方面对于同学收集的案例和提出的观点，其他学生更乐于进行交流和提出疑问。在这一探讨过程中学生的创新思维得到了拓展，提高了其思考问题分析问题能力。
在实验的设计中也充分考虑学生自主实践，按照工程实践中的任务制，将学生分成4人一组。在实验中只规定实验的目标不规定实验的过程，这样学生可以根据实验目标，通过自己的理解设计实验的过程，不同的组织间可能采用不同的传感器，或者不同的算法来搭建自己的平台，最终我们会对各组的成果进行验收打分。另外，各个组所采用的硬件、软件的差异性导致其成果有好有坏，这为我们设置了一个很好的讨论题目――这些差异是什么原因导致的?通过这一实验模式能够培养学生自主解决问题的能力和团队合作的精神。
经过三年的时间，这种三位一体的教学模式取得了不错的成绩，得到了学生的广泛认可。为南京邮电大学自动化学院培养了一批又一批大学毕业生，并且南京邮电大学的大学生机器人队在国内甚至世界的大学生机器人竞赛中都取得了不错的成绩，尤其是在 2013Robocup机器人足球世界杯比赛中获得3D仿真足球机器人项目冠军。
四、结论
机器人学课程是南京邮电大学自动化专业的专业课程，机器人学教学效果将直接影响着学生能力的培养，据卓越工程师教育培养计划安排，在学生能力培养的要求下，机器人学教学以学生为主题，以切实提高学生的整体专业水平、工程实践能力和创新能力为目标，以为社会培养全面优秀的自动化领域人才为方向，从理论基础、工程实践、创新思维等方面提高学生的素质。
本文主要研究了提高学生能力为目标的机器人学教学的新思路，提出并实践了课堂讲授、仿真模拟、实验操作为一体的三位一体的教学模式，提高了学生学习的主动性，使得学生能主动的参与到教学活动中来，并取得了一定的成果。在今后的教学过程中，一方面，我将争取与周边的机器人研究所合作为学生提供更多的实验实践机会，另一方面将更加深入研究教学方法，逐步提高自身的教学水平和能力，从而进一步提高教学效果与质量。
基金项目：江苏省研究生教育教学改革研究与实践课题(JGZZ12_038)资助
[参考文献]
[1]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，2010，20(03)：144-146.
[2]胡发焕，刘祚时，朱花.以机器人大赛为契机探索大学生创新能力培养模式[J].中国电力教育，2013，28：59-60+62.
[3]战强，王东月.《机器人学》课程教学改革探讨[J].北京航空航天大学学报(社会科学版)，2010，23(2)：117-121.
