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摘 要 随着国内高等教育事业的发展，机器人逐渐作为教具进入课堂。由于公选课程的特殊性，选课学生专业差异很大，难以统筹兼顾，再加上课堂所用两种机器人编程方法相差较大，学生不宜完成思想转变。通过拆分课程内容，补充新型传感器，改善教学方法，取得了良好的教学效果。
关键词 机器人 公选课 教学改革
中图分类号：G424 文献标识码：A
0 概述
随着国内高等教育事业的大力发展，高校对学生的教育理念、培养模式发生了深刻变化，创新精神和实践能力的培养越来越受到重视，大力开展创新型教育、培养创新人才已成为当前高等教育改革的重点。①
机器人技术是融合了机械、电子、传感器、计算机软件、通讯技术、硬件和人工智能等的先进技术，将机器人作为教具进入课堂，可以锻炼学生将各方面技术知识融会贯通的能力；另外，程序是机器人的灵魂，硬件是软件基础，程序要根据机器人所配的传感器、起动装置、驱动装置、搭建位置等诸多硬件条件来编写，②通过编程练习，可以使学生了解机器人软件与硬件之间的协作关系，提高学生的编程技巧。
笔者结合中国石油大学（华东）石油工业训练中心面向全校本科生开设的一门公选课初级机器人技术与实践，进行了教学内容、教学方法等方面的改革研究与实践探索，通过两个学期的应用，取得了良好的教学效果，提高了学生的综合素质。
1 原课程主要存在的问题
原课程中让学生学习、使用的机器人为德普施公司的宝贝车机器人和步行机器人两种，分别如图1和图2所示。由于本门课程为面向全校本科生开设的一门公选课，授课时间仅为24学时，所以存在如下几个问题：
1.1 学生专业不同，教学难以统筹兼顾③
课堂上授课时采用“讲+练”相结合的形式，先讲解机器人控制指令的含义和用法，或者是讲解机器人要完成某个功能所对应的程序，然后布置一些挑战课题，让学生自己动手编写程序、调试硬件，并在机器人上实现。
由于选课学生专业不同，知识基础不一样，而且对机器人的求知欲也不一样，在课堂上难以做到统筹兼顾。比如像机械类、电工电子类专业的学生希望能够更加透彻地了解机器人的结构组成和工作原理、能够自己编写新程序、设计机器人新动作、完成挑战课题等，而其他如文科专业、部分理科专业的学生则感觉自由时间太长，希望能介绍更多的前沿机器人技术。
1.2 两种机器人编程方法相差较大，学生不宜完成思想转变
由图1可以看出，宝贝车机器人有三个车轮，分别为两个主动轮和一个万向轮；两个主动轮分别由一个伺服电机驱动，通过控制两个主动轮的转向和转速实现不同的运行轨迹。
宝贝车上所用电机为连续旋转伺服电机，脉冲值对应电机轴的旋转方向和转速，如图3左侧坐标所示。由于宝贝车三个轮子永远和地面接触，无需考虑倾斜、摔倒或者是动作不连贯等问题，所以编程难度较小，学生学习起来容易上手。比如让小车向前直线行走，仅需要一个循环指令就能够完成：
由图2可以看出，步行机器人需要通过倾斜和跨步两种状态相组合，才能实现直线行走、转弯等动作。步行机器人的倾斜和跨步分别由一个伺服电机控制。倾斜伺服电机位于机器人的正前方，通过四连杆使步行机器人实现左、右倾斜；跨步伺服电机位于机器人下方中间位置，通过连杆驱动两腿前进、后退。
从图中可以看出，由于受结构的限制，步行机器人的伺服电机不能连续旋转，故所用伺服电机为舵机，脉冲值对应电机轴所处的角度，如图3右侧坐标所示。若想让舵机的电机轴连续旋转，必须不断地向电机发送变化的脉冲值。想让步行机器人完成向前行走的一个循环单步，至少需要以下指令：
由以上语句可以看出，步行机器人向前行走时，先向左倾斜，右脚向前迈，再向右倾斜，然后左脚再向前迈，四个动作完成一个向前行走的循环单步；与宝贝车相比，步行机器人完成相同的运动轨迹，程序要长很多，难度上也有很大增加。
另外，在编写步行机器人程序的时候必须要清楚机器人当前处于哪种状态，接下来有哪些运动可以调用，否则机器人在行走过程中将会出现跳动。当编写复杂运动时，程序会变得非常冗长，而且难以理解。为了精简程序可以采用一些新编程方法，但学生在学习新编程方法时感觉难度很大。
1.3 作为公选课程，学生很难在课后花费很大精力
高等院校开设公选课，主旨在于满足学生的不同兴趣和需求，促进学生不同学科的交叉渗透，拓宽学生知识面，增强学生综合素质，促进学生全面发展，是使课程种类多样化的重要手段，是实现“通识教育”的重要途径。④
大学生在校期间，除了要上各门必修课、限选课和实验课以外，还要准备英语四、六级考试、计算机二、三级考试等等，公选课几乎是所有大学课程中地位最低、对学生要求最为宽松的课程，学生很难在此类课程上花费很大精力。因此作为面向全校本科生的初级机器人公选课程，编程难度应适合各专业的学生。
2 课程改革方案
为了解决以上问题，对原来的初级机器人技术及实践课程内容进行了拆分和补充，具体情况如下：
（1）将宝贝车作为新初级机器人技术与实践课程的主载体，编程方法和各类传感器的应用练习均以宝贝车为基础平台。原来课程里面的传感器仅有触须、光敏电阻和红外探测器，为弥补减掉步行机器人后的课时内容，新购置了Sensirion温湿度探测器、柔性力传感器、HM55B指南针模块、发声模块和宝贝车数字编码器套件等，用于拓宽学生的视野，使学生了解更多的传感器工作原理和机器人技术，并掌握其编程方法。
其中，柔性力传感器可用于工业自动化、夹段滚筒、压缩模块、密封包装、机器人夹持力、消费产品和服装等行业； HM55B指南针模块能感应微特斯拉的磁场强度，校准后有6位（64个方向）的精度，从开始测试到数据准备好只需30-40ms，广泛用于无线和步行机器人方向传感器、袖珍电子指南针和汽车电子指南针；发声模块为可以用地道的女声连续智能地说出一些句子，数字和常用的缩写，可以加入一些生僻的或难发音的单词，广泛用于人工智能、餐饮及其它服务领域等。 （2）新申请了中级机器人技术与实践公选课程，并将步行机器人作为该课程的主载体，配套传感器除原来的光敏电阻、红外传感器外，新购置了传感器安装云台、LED显示器、闪光脚趾、Memsic加速度计、蓝牙通讯模块和TCS230颜色传感器等。本课程主要面向已经选修过初级机器人技术与实践课程的工科学生。
其中，传感器云台上面可以简单快捷地安装上各种传感器，能够上下、左右旋转180€埃梢韵捎谠谘沂蛟谄渌烫迳显硕讨胁亩抖籐CD显示器套件可以方便地连接到面包板上，能够显示所有ASCII字符，4个用户输入按扭方便学生设计各种不同的控制方案；Memsic加速度计为采用双轴热加速计来测量动态震动加速度和静态重力加速度的装置，已广泛应用于自我平衡机器人、倾斜的游戏控制器、无人驾驶的飞机模型、汽车报警系统、撞击检测/气囊自动展开和人手势的检测等工况。
（3）在课堂教学过程中，采用以“学生为主体，教师为主导”的教学模式，对学生进行分组，先让学生自学相应传感器的工作原理和编程方法，给学生提供独立思考的机会；然后由老师对后续操作的注意事项进行说明，避免学生走太多弯路，提高课程效率；最后由学生自己动手搭建、调试电路，并自由编写程序，以实现不同的功能。在每节课中留出五分钟时间，让学生交流、讨论课堂上所遇到的问题和解决方法，促进学生与学生之间的相互沟通和学习交流，培养和提高学生分析问题、解决问题的能力。
（4）在课程最后的拓展环节，不再局限于现有的野外重载铁甲虫机器人、柱状机器人、六自由度机械臂、人形机器人和足球机器人等，其他高级机器人如日本本田公司的阿西莫机器人、美国Big Dog机器人、水下机器人等相关技术和知识都会给学生讲解，让学生对世界当前的机器人技术发展水平和趋势有所了解，激发学生对机器人前沿技术的学习兴趣。
3 结论
经过两个学期的教学试验，取得了良好的教学效果：（1）在两门公选课的教学过程中发现，绝大多数学生在课堂上就能够掌握机器人及配套传感器的编程方法，无需占用学生课后的学习时间，学生在课堂上表现非常积极。（2）通过对课程内容的调整，满足了不同专业学生的需求，让学生真正学到了一定的机器人技术和传感器知识，拓宽了学生的视野。（3）通过对教学方法的调整，培养了学生的自学能力和团队协作精神，促进了学生与学生之间的学习交流，提高了学生的实践动手能力和创新精神。
注释
①③刘振东，张作龙，等.初级机器人教学的探索与实践[J].科教文汇，2009（21）：22-23.
② 雷静桃，刘亮，等.“机器人学”课程教学改革与实践[J].实验室研究与探索，2013.5.32（5）：179-182.
④ 申凤君，杨芸，等.高校公选课存在的问题及对策[J].成都理工大学学报（社会科学版），2006（3）：96-99.
关键词 机器人 公选课 教学改革
中图分类号：G424 文献标识码：A
0 概述
随着国内高等教育事业的大力发展，高校对学生的教育理念、培养模式发生了深刻变化，创新精神和实践能力的培养越来越受到重视，大力开展创新型教育、培养创新人才已成为当前高等教育改革的重点。①
机器人技术是融合了机械、电子、传感器、计算机软件、通讯技术、硬件和人工智能等的先进技术，将机器人作为教具进入课堂，可以锻炼学生将各方面技术知识融会贯通的能力；另外，程序是机器人的灵魂，硬件是软件基础，程序要根据机器人所配的传感器、起动装置、驱动装置、搭建位置等诸多硬件条件来编写，②通过编程练习，可以使学生了解机器人软件与硬件之间的协作关系，提高学生的编程技巧。
笔者结合中国石油大学（华东）石油工业训练中心面向全校本科生开设的一门公选课初级机器人技术与实践，进行了教学内容、教学方法等方面的改革研究与实践探索，通过两个学期的应用，取得了良好的教学效果，提高了学生的综合素质。
1 原课程主要存在的问题
原课程中让学生学习、使用的机器人为德普施公司的宝贝车机器人和步行机器人两种，分别如图1和图2所示。由于本门课程为面向全校本科生开设的一门公选课，授课时间仅为24学时，所以存在如下几个问题：
1.1 学生专业不同，教学难以统筹兼顾③
课堂上授课时采用“讲+练”相结合的形式，先讲解机器人控制指令的含义和用法，或者是讲解机器人要完成某个功能所对应的程序，然后布置一些挑战课题，让学生自己动手编写程序、调试硬件，并在机器人上实现。
由于选课学生专业不同，知识基础不一样，而且对机器人的求知欲也不一样，在课堂上难以做到统筹兼顾。比如像机械类、电工电子类专业的学生希望能够更加透彻地了解机器人的结构组成和工作原理、能够自己编写新程序、设计机器人新动作、完成挑战课题等，而其他如文科专业、部分理科专业的学生则感觉自由时间太长，希望能介绍更多的前沿机器人技术。
1.2 两种机器人编程方法相差较大，学生不宜完成思想转变
由图1可以看出，宝贝车机器人有三个车轮，分别为两个主动轮和一个万向轮；两个主动轮分别由一个伺服电机驱动，通过控制两个主动轮的转向和转速实现不同的运行轨迹。
宝贝车上所用电机为连续旋转伺服电机，脉冲值对应电机轴的旋转方向和转速，如图3左侧坐标所示。由于宝贝车三个轮子永远和地面接触，无需考虑倾斜、摔倒或者是动作不连贯等问题，所以编程难度较小，学生学习起来容易上手。比如让小车向前直线行走，仅需要一个循环指令就能够完成：
由图2可以看出，步行机器人需要通过倾斜和跨步两种状态相组合，才能实现直线行走、转弯等动作。步行机器人的倾斜和跨步分别由一个伺服电机控制。倾斜伺服电机位于机器人的正前方，通过四连杆使步行机器人实现左、右倾斜；跨步伺服电机位于机器人下方中间位置，通过连杆驱动两腿前进、后退。
从图中可以看出，由于受结构的限制，步行机器人的伺服电机不能连续旋转，故所用伺服电机为舵机，脉冲值对应电机轴所处的角度，如图3右侧坐标所示。若想让舵机的电机轴连续旋转，必须不断地向电机发送变化的脉冲值。想让步行机器人完成向前行走的一个循环单步，至少需要以下指令：
由以上语句可以看出，步行机器人向前行走时，先向左倾斜，右脚向前迈，再向右倾斜，然后左脚再向前迈，四个动作完成一个向前行走的循环单步；与宝贝车相比，步行机器人完成相同的运动轨迹，程序要长很多，难度上也有很大增加。
另外，在编写步行机器人程序的时候必须要清楚机器人当前处于哪种状态，接下来有哪些运动可以调用，否则机器人在行走过程中将会出现跳动。当编写复杂运动时，程序会变得非常冗长，而且难以理解。为了精简程序可以采用一些新编程方法，但学生在学习新编程方法时感觉难度很大。
1.3 作为公选课程，学生很难在课后花费很大精力
高等院校开设公选课，主旨在于满足学生的不同兴趣和需求，促进学生不同学科的交叉渗透，拓宽学生知识面，增强学生综合素质，促进学生全面发展，是使课程种类多样化的重要手段，是实现“通识教育”的重要途径。④
大学生在校期间，除了要上各门必修课、限选课和实验课以外，还要准备英语四、六级考试、计算机二、三级考试等等，公选课几乎是所有大学课程中地位最低、对学生要求最为宽松的课程，学生很难在此类课程上花费很大精力。因此作为面向全校本科生的初级机器人公选课程，编程难度应适合各专业的学生。
2 课程改革方案
为了解决以上问题，对原来的初级机器人技术及实践课程内容进行了拆分和补充，具体情况如下：
（1）将宝贝车作为新初级机器人技术与实践课程的主载体，编程方法和各类传感器的应用练习均以宝贝车为基础平台。原来课程里面的传感器仅有触须、光敏电阻和红外探测器，为弥补减掉步行机器人后的课时内容，新购置了Sensirion温湿度探测器、柔性力传感器、HM55B指南针模块、发声模块和宝贝车数字编码器套件等，用于拓宽学生的视野，使学生了解更多的传感器工作原理和机器人技术，并掌握其编程方法。
其中，柔性力传感器可用于工业自动化、夹段滚筒、压缩模块、密封包装、机器人夹持力、消费产品和服装等行业； HM55B指南针模块能感应微特斯拉的磁场强度，校准后有6位（64个方向）的精度，从开始测试到数据准备好只需30-40ms，广泛用于无线和步行机器人方向传感器、袖珍电子指南针和汽车电子指南针；发声模块为可以用地道的女声连续智能地说出一些句子，数字和常用的缩写，可以加入一些生僻的或难发音的单词，广泛用于人工智能、餐饮及其它服务领域等。 （2）新申请了中级机器人技术与实践公选课程，并将步行机器人作为该课程的主载体，配套传感器除原来的光敏电阻、红外传感器外，新购置了传感器安装云台、LED显示器、闪光脚趾、Memsic加速度计、蓝牙通讯模块和TCS230颜色传感器等。本课程主要面向已经选修过初级机器人技术与实践课程的工科学生。
其中，传感器云台上面可以简单快捷地安装上各种传感器，能够上下、左右旋转180€埃梢韵捎谠谘沂蛟谄渌烫迳显硕讨胁亩抖籐CD显示器套件可以方便地连接到面包板上，能够显示所有ASCII字符，4个用户输入按扭方便学生设计各种不同的控制方案；Memsic加速度计为采用双轴热加速计来测量动态震动加速度和静态重力加速度的装置，已广泛应用于自我平衡机器人、倾斜的游戏控制器、无人驾驶的飞机模型、汽车报警系统、撞击检测/气囊自动展开和人手势的检测等工况。
（3）在课堂教学过程中，采用以“学生为主体，教师为主导”的教学模式，对学生进行分组，先让学生自学相应传感器的工作原理和编程方法，给学生提供独立思考的机会；然后由老师对后续操作的注意事项进行说明，避免学生走太多弯路，提高课程效率；最后由学生自己动手搭建、调试电路，并自由编写程序，以实现不同的功能。在每节课中留出五分钟时间，让学生交流、讨论课堂上所遇到的问题和解决方法，促进学生与学生之间的相互沟通和学习交流，培养和提高学生分析问题、解决问题的能力。
（4）在课程最后的拓展环节，不再局限于现有的野外重载铁甲虫机器人、柱状机器人、六自由度机械臂、人形机器人和足球机器人等，其他高级机器人如日本本田公司的阿西莫机器人、美国Big Dog机器人、水下机器人等相关技术和知识都会给学生讲解，让学生对世界当前的机器人技术发展水平和趋势有所了解，激发学生对机器人前沿技术的学习兴趣。
3 结论
经过两个学期的教学试验，取得了良好的教学效果：（1）在两门公选课的教学过程中发现，绝大多数学生在课堂上就能够掌握机器人及配套传感器的编程方法，无需占用学生课后的学习时间，学生在课堂上表现非常积极。（2）通过对课程内容的调整，满足了不同专业学生的需求，让学生真正学到了一定的机器人技术和传感器知识，拓宽了学生的视野。（3）通过对教学方法的调整，培养了学生的自学能力和团队协作精神，促进了学生与学生之间的学习交流，提高了学生的实践动手能力和创新精神。
注释
①③刘振东，张作龙，等.初级机器人教学的探索与实践[J].科教文汇，2009（21）：22-23.
② 雷静桃，刘亮，等.“机器人学”课程教学改革与实践[J].实验室研究与探索，2013.5.32（5）：179-182.
④ 申凤君，杨芸，等.高校公选课存在的问题及对策[J].成都理工大学学报（社会科学版），2006（3）：96-99.