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1、机器人创新性教学平台实践与探索报告 一、引言 创新性教学平台是将知识、素质、能力和创新融为一体的综合性教学平台是大学生工程教育中的最高层次的教学平台从全国高校工程培训中心创新实践发展可知创新意识和创新能力的培养获得了一定的重视创新实践活动已经在不同层次、不同类型的学校以不同覆盖面进行 从部分重点院校的创新性实践平台可以看出目前创新平台多以机器人为主这是因为机器人是一部精密机械组合体是一个典型的机电一体化系统它融合了造型、机械、电子、传感器、计算机软件硬件和人工智能等众多先进技术是目前世界各国高校和研究所进行教学研究和工程训练理想的实验平台1机器人涉及到机、电、控制、传感技术、计算机技术等多方面
2、知识可使学生得到跨学科综合能力的培养使学生在实施项目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、软件科学、可编程控制和机电一体化流程有全面认识 我校作为地方性综合院校与重点高校相比在各种科技创新活动中机器人类创新项目的参与程度比较低有关机器人创新实践教学还只是处于起步阶段因此探索如何利用机器人模型提高大学生的创新能力是目前迫切需要解决的问题 二、组建机器人创新性教学平台的意义和目的 机器人研究是进行创新思维训练、创新技能训练、工程实践训练最理想的平台组建机器人创新性教学平台对于培养学生创新动手实践能力对专业知识的巩固和融会贯通、提升院校办学质量、提高学生就业率等方面具有重要意
3、义 （一）培养创新动手实践能力对专业的巩固和融会贯通 目前许多各种工科专业都开设了电子电路、检测技术与传感器、嵌入式微控制器、控制原理与控制工程、单片机和微控制器、数字电子和模拟电子、数字逻辑、检测技术与传感器等课程但是课堂的的学习和一些简单的验证性实验课程不足以满足学生的求知欲望无法根本转变学生的学习观念要从被动学习转变到主动学习其中一个途径就是让学生进行创新性的训练充分激发学生的学习热情机器人作为一个新兴的领域具备多种新技术而且具备趣味性通过创新性的教学平台能充分引导学生创新动手的实践能力 组建机器人创新性教学平台能为高等院校的学生和教师提供一个综合的专业机器人教育和研究平台能通过采用系统
4、的方法对实践教学内容、方法和手段进行创新进而引导学生进行单片机和微控制器、数字电子和模拟电子、数字逻辑、检测技术与传感器等课程进行融会和贯通 （二）提升学校的办学质量提高学院校知名度 通过机器人创新性教学平台能够培养校园学术研究氛围使学校的科研水平学生的素质进一步得到提高与此同时由于近年来国内和国际上各种机器人比赛层出不穷通过创建机器人创新性教学平台培养学生积极参与国内外机器人赛事不断取得优异成绩这对提升院校知名度具有重要意义 （三）提升学生就业竞争力 随着产业的升级就业竞争在不断加剧企业更需要动手强具备专业知识过硬的中高端人才目前适合企业的专业人才缺口相当大造成这种原因的本质是学校教育过多地
5、注重了知识的传授而忽略了创新技能、动手能力和工程实践能力的培养学生通过参与机器人实验室的学习和工作能增强就业竞争力毕业后能够广泛适用于机电一体化、电气工程、自动化工程等方向的就业需求更好的适应社会对人才的需求做到学有所用学所必用 三、机器人创新性教学平台的总体规划建设 （一）硬件平台的建设 建设机器人创新性教学平台需结合本校的实际情况由于高端机器人经费投入较大受益人群较小因此采取对中低端机器人的投入为主高端为辅的发展策略 低端机器人采用自制设备的方式采用AVR单片机为控制平台小型直流伺服电机为动力源加装多种传感器自行设计电路板制作小型机器人通过调动师资力量开发出基本的控制程序库程序开源并设计多
6、种软件接口方便学生调用学习该种机器人造价低廉成本为千元以下能够配置2个班的数量满足人数较多的教学要求 中端为进阶版本采用ARM或DSP处理器作为控制核心采用高精度数字舵机构建小型双足人形机器人或多足机器人既可以选购零组件自由搭配的产品如BIOLOID的专家版机器人也可以使用学校的车床和铣床自行加工通用型的构件学生能用这些构件搭配出不同造型风格各异的机器人 高端机器人技术含量较高造价昂贵一般针对具体比赛如中型组足球机器人机器鱼竞赛平台等大部分兄弟院校都是采用购买的形式主要研究软件开发、算法的改进如图象处理等这些机器人较适合高年级及其研究生以上使用受众小不适合大规模推广但少量的购置对提高院校的科研
7、能力有所帮助 （二）课程设置与实施方法 以机器人创新性教学平台为载体针对不同专业不同学习阶段和层次的学生特点及专业教学的需求组织师资力量编写出具有专业特色从入门到进阶的教材并提供创新性的教学、工程训练和实验平台 机器人的硬件两大构成要素是机械部件和电气电子部件机器人硬件的基本结构由机械系统构成操作和运动由电气电子部件控制机械部件主要包括减速机构、移动机构、连杆机构、凸轮机构、链传动机构和同步带传动等电气电子部件包括伺服电机、电源模块、计算机、微处理机、嵌入式系统、传感器和控制电路等采用机器人模型作为创新性实践教学平台是因为机器人堪称机械设计、电子工程、工业自动化及自动控制等专业课程实践的最佳载
8、体可以在实验过程中对机械加工、机械传动、气动技术、电子电路和软件编程等相关知识有更深刻的理解2而软件则主要涉及计算机和应用数学专业含括了图象处理、语音识别、神经网络、模式匹配、专家系统、智能路径算法等方面 因此在课程设置与实施上一是可以结合学科的特点进行设置发挥学科特色 例如：机电学生能够结合数控加工课程设计与加工机器人零件进行安装、调试及运动控制；自动化专业的学生可以结合嵌入式课程的学习对电机驱动进行PID闭环控制等课程设计；计算机等相关专业的学生结合图象处理课程开设机器人视觉识别等进阶课程 二是开展综合性的创新实验鼓励学生利用学科交叉的知识打破孤立的知识体系不同专业学生组成团队进行多学科综
9、合性的创新性设计和验证 四、机器人创新性教学平台的应用 经过一段时间的机器人创新性教学平台的实践中我们发现在进行创新思维训练时大多数学生对于机械创新和机器人创新兴趣浓厚但对于其中涉及到的机电一体化的、智能化的、对控制技术要求较高的知识就会觉得不知道从何下手甚至失去信心 通过机器人创新性教学平台进行一段时间综合学习与创新训练以后学生对材料的种类和用途、机械结构、机械传动、结构设计、传感器和电子器件、单片机、机器人控制、机器人编程等有了比较直观认知同时通过实验平台验证了自己创意组合出可控制的机器人后增强了自信心激发浓厚的兴趣 在机器人创新性教学平台的基础上除了综合创新学习训练我们组织了多个课题组如多功能搜救机器人迎宾机器人等让学有余力的学生参与进来实现更高层次的项目创新活动通过自主研制各种机械产品和机器人学生得以进一步提高自己的创新能力和动手实践能力 我们在综合训练和项目创新训练的过程中通过组织去兄弟院校去参观学习举办机器人讲座介绍机器人最新成果等活动提高学生的参与意识和兴趣由此不仅可以提高学生的创新能力而且使他们积累比赛经验以便在省级和全国级的各种比赛中能发挥出更好的水平由于本校的机器人教学仍在起步阶段因此该平台还要在实践中不断改进完善更好的为本校师生服务
