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機器人創(chuàng)新性教學平臺實踐與探索報告
一、引言
創(chuàng)新性教學平臺是將知識、素質(zhì)、能力和創(chuàng)新融為一體的綜合性教學平臺，是大學生工程教育中的最高層次的教學平臺。從全國高校工程培訓中心創(chuàng)新實踐發(fā)展可知，創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)獲得了一定的重視，創(chuàng)新實踐活動已經(jīng)在不同層次、不同類型的學校以不同覆蓋面進行。
從部分重點院校的創(chuàng)新性實踐平臺可以看出，目前創(chuàng)新平臺多以機器人為主，這是因為機器人是一部精密機械組合體，是一個典型的機電一體化系統(tǒng)，它融合了造型、機械、電子、傳感器、計算機軟件硬件和人工智能等眾多先進技術(shù)，是目前世界各國高校和研究所進行教學研究和工程訓練理想的實驗平臺。[1]機器人涉及到機、電、控制、傳感技術(shù)、計算機技術(shù)等多方面知識，可使學生得到跨學科綜合能力的培養(yǎng)，使學生在實施項目的過程中建構(gòu)廣域的工科知識基地，對材料、機械、電子、計算機硬件、軟件科學、可編程控制和機電一體化流程有全面認識。
我校作為地方性綜合院校，與重點高校相比，在各種科技創(chuàng)新活動中，機器人類創(chuàng)新項目的參與程度比較低，有關(guān)機器人創(chuàng)新實踐教學還只是處于起步階段，因此探索如何利用機器人模型提高大學生的創(chuàng)新能力是目前迫切需要解決的問題。
二、組建機器人創(chuàng)新性教學平臺的意義和目的
機器人研究是進行創(chuàng)新思維訓練、創(chuàng)新技能訓練、工程實踐訓練最理想的平臺。組建機器人創(chuàng)新性教學平臺對于培養(yǎng)學生創(chuàng)新動手實踐能力，對專業(yè)知識的鞏固和融會貫通、提升院校辦學質(zhì)量、提高學生就業(yè)率等方面具有重要意義。
（一）培養(yǎng)創(chuàng)新動手實踐能力，對專業(yè)的鞏固和融會貫通。
目前許多各種工科專業(yè)都開設了電子電路、檢測技術(shù)與傳感器、嵌入式微控制器、控制原理與控制工程、單片機和微控制器、數(shù)字電子和模擬電子、數(shù)字邏輯、檢測技術(shù)與傳感器等課程，但是課堂的的學習和一些簡單的驗證性實驗課程不足以滿足學生的求知欲望。無法根本轉(zhuǎn)變學生的學習觀念。要從被動學習轉(zhuǎn)變到主動學習，其中一個途徑就是讓學生進行創(chuàng)新性的訓練，充分激發(fā)學生的學習熱情。機器人作為一個新興的領域，具備多種新技術(shù)，而且具備趣味性，通過創(chuàng)新性的教學平臺能充分引導學生創(chuàng)新動手的實踐能力。
組建機器人創(chuàng)新性教學平臺能為高等院校的學生和教師提供一個綜合的專業(yè)機器人教育和研究平臺，能通過采用系統(tǒng)的方法對實踐教學內(nèi)容、方法和手段進行創(chuàng)新，進而引導學生進行單片機和微控制器、數(shù)字電子和模擬電子、數(shù)字邏輯、檢測技術(shù)與傳感器等課程進行融會和貫通
�。ǘ┨嵘龑W校的辦學質(zhì)量，提高學院校知名度。
通過機器人創(chuàng)新性教學平臺，能夠培養(yǎng)校園學術(shù)研究氛圍，使學校的科研水平，學生的素質(zhì)進一步得到提高。與此同時，由于近年來國內(nèi)和國際上各種機器人比賽層出不窮，通過創(chuàng)建機器人創(chuàng)新性教學平臺培養(yǎng)學生，積極參與國內(nèi)外機器人賽事，不斷取得優(yōu)異成績，這對提升院校知名度，具有重要意義。
�。ㄈ┨嵘龑W生就業(yè)競爭力。
隨著產(chǎn)業(yè)的升級，就業(yè)競爭在不斷加劇，企業(yè)更需要動手強，具備專業(yè)知識過硬的中高端人才。目前適合企業(yè)的專業(yè)人才缺口相當大，造成這種原因的本質(zhì)是學校教育過多地注重了知識的傳授，而忽略了創(chuàng)新技能、動手能力和工程實踐能力的培養(yǎng)。學生通過參與機器人實驗室的學習和工作，能增強就業(yè)競爭力，畢業(yè)后能夠廣泛適用于機電一體化、電氣工程、自動化工程等方向的就業(yè)需求，更好的適應社會對人才的需求，做到學有所用，學所必用。
三、機器人創(chuàng)新性教學平臺的總體規(guī)劃建設
�。ㄒ唬┯布脚_的建設
建設機器人創(chuàng)新性教學平臺需結(jié)合本校的實際情況。由于高端機器人經(jīng)費投入較大，受益人群較小，因此采取對中低端機器人的投入為主，高端為輔的發(fā)展策略。
低端機器人采用自制設備的方式，采用AVR單片機為控制平臺，小型直流伺服電機為動力源，加裝多種傳感器，自行設計電路板，制作小型機器人。通過調(diào)動師資力量，開發(fā)出基本的控制程序庫，程序開源，并設計多種軟件接口，方便學生調(diào)用學習。該種機器人造價低廉，成本為千元以下，能夠配置2個班的數(shù)量，滿足人數(shù)較多的教學要求。
中端為進階版本，采用ARM或DSP處理器作為控制核心，采用高精度數(shù)字舵機，構(gòu)建小型雙足人形機器人或多足機器人。既可以選購零組件自由搭配的產(chǎn)品，如BIOLOID的專家版機器人，也可以使用學校的車床和銑床自行加工通用型的構(gòu)件，學生能用這些構(gòu)件搭配出不同造型，風格各異的機器人。
高端機器人技術(shù)含量較高，造價昂貴。一般針對具體比賽，如中型組足球機器人，機器魚競賽平臺等。大部分兄弟院校都是采用購買的形式，主要研究軟件開發(fā)、算法的改進，如圖象處理等。這些機器人較適合高年級及其研究生以上使用，受眾小，不適合大規(guī)模推廣，但少量的購置對提高院校的科研能力有所幫助。
�。ǘ┱n程設置與實施方法。
以機器人創(chuàng)新性教學平臺為載體，針對不同專業(yè)，不同學習階段和層次的學生特點及專業(yè)教學的需求，組織師資力量，編寫出具有專業(yè)特色，從入門到進階的教材，并提供創(chuàng)新性的教學、工程訓練和實驗平臺。
機器人的硬件兩大構(gòu)成要素是機械部件和電氣電子部件。機器人硬件的基本結(jié)構(gòu)由機械系統(tǒng)構(gòu)成，操作和運動由電氣電子部件控制。機械部件主要包括減速機構(gòu)、移動機構(gòu)、連桿機構(gòu)、凸輪機構(gòu)、鏈傳動機構(gòu)和同步帶傳動等。電氣電子部件包括伺服電機、電源模塊、計算機、微處理機、嵌入式系統(tǒng)、傳感器和控制電路等。采用機器人模型作為創(chuàng)新性實踐教學平臺，是因為機器人堪稱機械設計、電子工程、工業(yè)自動化及自動控制等專業(yè)課程實踐的最佳載體，可以在實驗過程中，對機械加工、機械傳動、氣動技術(shù)、電子電路和軟件編程等相關(guān)知識有更深刻的理解。[2]而軟件則主要涉及計算機和應用數(shù)學專業(yè)，含括了圖象處理、語音識別、神經(jīng)網(wǎng)絡、模式匹配、專家系統(tǒng)、智能路徑算法等方面。
因此在課程設置與實施上，一是可以結(jié)合學科的特點進行設置，發(fā)揮學科特色。
例如：機電學生能夠結(jié)合數(shù)控加工課程，設計與加工機器人零件，進行安裝、調(diào)試及運動控制；自動化專業(yè)的學生可以結(jié)合嵌入式課程的學習，對電機驅(qū)動進行PID閉環(huán)控制等課程設計；計算機等相關(guān)專業(yè)的學生結(jié)合圖象處理課程，開設機器人視覺識別等進階課程。
二是開展綜合性的創(chuàng)新實驗，鼓勵學生利用學科交叉的知識，打破孤立的知識體系，不同專業(yè)學生組成團隊，進行多學科綜合性的創(chuàng)新性設計和驗證。
四、機器人創(chuàng)新性教學平臺的應用
經(jīng)過一段時間的機器人創(chuàng)新性教學平臺的實踐中，我們發(fā)現(xiàn)，在進行創(chuàng)新思維訓練時，大多數(shù)學生對于機械創(chuàng)新和機器人創(chuàng)新興趣濃厚，但對于其中涉及到的機 電一體化的、智能化的、對控制技術(shù)要求較高的知識，就會覺得不知道從何下手，甚至失去信心。
通過機器人創(chuàng)新性教學平臺，進行一段時間綜合學習與創(chuàng)新訓練以后，學生對材料的種類和用途、機械結(jié)構(gòu)、機械傳動、結(jié)構(gòu)設計、傳感器和電子器件、單片機、機器人控制、機器人編程等有了比較直觀認知，同時通過實驗平臺，驗證了自己創(chuàng)意，組合出可控制的機器人后，增強了自信心，激發(fā)濃厚的興趣。
在機器人創(chuàng)新性教學平臺的基礎上，除了綜合創(chuàng)新學習訓練，我們組織了多個課題組，如多功能搜救機器人，迎賓機器人等，讓學有余力的學生參與進來。實現(xiàn)更高層次的項目創(chuàng)新活動。通過自主研制各種機械產(chǎn)品和機器人，學生得以進一步提高自己的創(chuàng)新能力和動手實踐能力。
我們在綜合訓練和項目創(chuàng)新訓練的過程中，通過組織去兄弟院校去參觀學習，舉辦機器人講座，介紹機器人最新成果等活動，提高學生的參與意識和興趣。由此不僅可以提高學生的創(chuàng)新能力，而且使他們積累比賽經(jīng)驗，以便在省級和全國級的各種比賽中能發(fā)揮出更好的水平。由于本校的機器人教學仍在起步階段，因此該平臺還要在實踐中不斷改進完善，更好的為本校師生服務。
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