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摘要：本文针对当前应用型本科院校机器人教学与实践的现状，提出基于“探索者”创新平台套件的模块化机器人创新教学与实践方案，包括创新教学与实践的目标、方式、内容及课程考核方法，为机器人创新人才的培养提供有力支撑。
关键词：模块化；探索者；机器人教学；应用型本科院校
本文引用格式：巢渊，等.应用型本科院校模块化机器人创新教学与实践探索[J].教育现代化,2019,6(27):21-22,26.
一引言
现今，传统高校工程教育已经难以满足创新人才政策的培养要求，且在工业4.0时代下，如“创客Maker”、“机器人”、“模块化”、“智能制造工厂”、“智能硬件”、“创新创业”、“校企联合”等新兴理念大量涌入高校工程教育改革当中。机器人创新教学是高校创新实践训练的经典项目[1-3]，以机器人理论与技术为主要教学内容或教学工具开展教与学活动，为工程教育的创新与改革提供了广阔的空间，是开发学生潜能、培养高素质创新人才的好素材。
模块化作为机器人发展的重要方向，已经应用到机器人的设计与研发中[4]。模块化机器人的特点是各机器人构件具备通用性、重构性，构件之间具有统一的接口，可根据用途进行组合，得到所需的机器人构型及功能。作为应用型本科院校，在机器人创新教学过程中，应当利用模块化技术的特点，拓展学校创新教学资源，增强理论与实践教学的综合性、创新性与应用性，从而达到培养更多机器人创新人才以适应社会及产业发展需要的教学目的。
二 机器人教学与实践现状
应用型本科院校机械工程学科，面向本科生开设机器人学、机器人控制、嵌入式系统、人工智能等相关理论课程[5,6]，以机器人为平台的实验实训教学，锻炼学生综合工程应用能力和创新能力。但从调研结果来看，应用型本科院校的机器人教学与实践主要存在以下两个问题。
（一）传统机器人理论与实践教学缺少综合性、创新性与应用性
传统的机器人理论教学多以工业机器人机械臂为教学对象，重点讲述机器人结构、工作原理、运动学、雅克比矩阵、动力学、传感与控制等机器人学基础知识，实践教学常常是机器人运动学、动力学等基础理论的验证性实验，缺少综合性、设计性、应用性实验，学生很容易因过多复杂的动力学等理论推导产生“恐惧”心理，影响学习机器人的积极性与创新性。
（二）应用型本科院校用于机器人创新的教学资源
不足，大学生实践动手能力差随着我国高等学校的不断扩招，应用型本科院校的生源质量明显下降，在应试教育理念的影响下，大学生的实践动手能力普遍较差。受限于学校政策、硬件条件、师资力量，机器人课程的实践环节投入与课堂教学明显不成比例，使得学生对于机器人技术的掌握与应用只能大部分局限于课堂，动手能力和综合分析解决问题的能力无法得到充分锻炼，很难在机器人创新实践、竞赛等活动中有优异的表现。
三 模块化机器人创新教学与实践方案
针对应用型本科院校机器人教学与实践中存在的上述问题，结合笔者所在江苏理工学院机械工程学院机器人相关专业人才培养方案，进行基于“探索者”创新平台套件的模块化机器人创新教学与实践方案的探索，主要包括以下四部分内容。
（一）模块化机器人平台资源的利用
北京机器时代“探索者”模块化机器人创新平台套件（以下简称“探索者”套件）具有开放度极高的系统，能够很好地兼容市面上常见的各种机械零件、电子部件及目前世界上最通用的创客平台，可用于建立完善的机器人教学体系，也是全国及江苏省大学生机器人竞赛委员会指定用品牌机器人套件。
截至2018年5月，学院已购入“探索者”套件总计23套，其中基础版A1003（10套）与A3002（5套）采用ARM7与AVR主控板，支持手柄示教编程、图形化编程和C语言编程三种开发方式；高级版MX201（8套）采ATMega328芯片与Arduino开源编程系统，C语言图形化双界面，包含一款手柄，可实现遥控和示教编程。不同类型套件内均具有多种大中小型高强度镁铝合金结构件、塑料结构件、圆周舵机、直流电机、多种传感器与通信模块。目前套件已初步应用于机械电子工程专业本科生的机器人课程设计与毕业设计。
（二）模块化机器人创新教学目标与方式
模块化机器人创新教学采用项目导向性教学，以项目为主线、教师为引导、学生为主体，创造出学生主动学、团队协作、用于创新的新型实践教学模式。项目的设置原则为由易到难、实践能力逐渐提升、自主创新、增强乐趣性。机器人实践项目分为基本技能型、综合应用型与创新设计型。部分综合应用型机器人实践项目如表1所示。
（三）模块化机器人创新教学与实践内容
1.基于机器人通用零件的模块化机构设计
从具有通用性、扩展性的机器人零件开始，进行机器人各类型零件、基本结构与几何造型认识，将所学机械原理应用到机器人模块化设计中，实现多种功能模块的理论教学与组装实验。
2.基于单片机的机器人编程控制
机器人的运动及功能的实现需要由单片机进行控制。以驱动机器人执行器为目标，引导学生使用不同类型主控板、在不同的编程开发环境中，通过所学编程框架与思想，完成用于驱动机器人执行器（主要指伺服电机、直流电机）的编程及验证实验。
3.机器人的检测交互与通信
回顾数字量、模拟量传感器原理及使用方法，依据实现功能的不同，引导学生选用合适的传感器及交互模块，通过主控板实现传感器信号的输入及交互信息的输出。应用红外、蓝牙、Wi-Fi等模块，充分发挥学生机器人的设计创意。
4.机器人综合创新与开发性创新
通过上述教学与实践，学生已经积累了一定的机器人搭建与调试经验。此时回归项目主线，应用所学知识与经验，进行具有综合性、创新性的具体功能机器人的机械结构搭建与程序编写调试，向教师及其他同学展示并解释其设计思想与实现过程。
鼓励学生分组进行开发性创新竞赛项目，如机器人黑标竞速赛、自主搬运比赛、格斗赛、码垛机器人设计赛、全地形机器人设计赛，通过小组之间的比赛，增强学生的团队合作精神，也可从中挖掘有潜力参加更高级别机器人竞赛的学生。
（四）课程考核形式及成绩评定
考核方式拟定为项目考核+以赛代考。项目考核是指以3-4人组成的项目组为单位，按出勤纪律、实际操作、汇报演示和项目报告四部分按1:3:3:3的比例评定成绩。以赛代考是指课程期末考核根据项目的不同组成若干开放性竞赛，让学生根据机器人不同特点自己制定比赛规则、制定方案、搭建机器人、编写程序并调试，最后制作出对抗性强的机器人，以赛代考成绩评定以功能及稳定性、结构创新、积分分别按3:3:4比例评定。参与更高级别机器人竞赛，如省赛、国赛并获得理想成绩的学生，课程成绩直接评优，并可考虑进行更深层次的培养。
四 结语
通过本文对模块化机器人创新教学与实践的探索，在应用型本科院校机器人创新教学过程中，学生能够基于模块化技术实现搭建任意构型及功能的机器人原理样机，从而系统、轻松地接受机器人工程综合应用型创新实训，在学习理论工程学课程的同时，锻炼应用所学知识解决实际工程应用问题的能力，结合大学生创新、各类竞赛提高学生自主创新能力和团队协作精神，达到培养更多机器人创新人才的教学目的。
参考文献
[1]吴怀宇,程光文,丁宇,等.高校学生创新能力培养途径探索[J].武汉科技大学学报(社会科学版),2012,14(03):334-336.
[2]李菲.以“机器人”为主线的电子信息类专业综合实践教学改革[J].科技视界,2018(26):68-69+42.
[3]丁力,叶霞,单文桃,等.应用型本科院校机器人课程改革探索[J].教育教学论坛,2018(45):153-154.
[4]林敏,黄学强,王勇,等.模块化教学机器人平台设计[J].机电工程技术,2015,44(06):62-63.
[5]孙伏,侯红玲.机器人技术课程教学改革与探索[J].装备制造技术,2017(2):207-208.
[6]于楚泓.《工业机器人技术》课程教学改革探索[J].科技风,2017(8):54-54.
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