论文部分内容阅读
摘 要为顺应学校关于本科生“厚基础、宽口径、重应用、强能力”的培养要求,本文对《智能机器人系统》课程教学改革进行了有益探索,将实践环节贯穿于课堂教学、平时作业、实验和考核的教学全过程,取得良好的教学效果。
关键词课程改革;教学方法
一、引言
随着我国科技、经济和社会的发展,培养既有理论基础又有实践能力,且富有创新精神的本科生,已经成为当今大学教育的主要目的。我校针对自动化及相关专业学生开设了50学时的《智能机器人系统》专业必修课程,授课对象是四年级本科生。该课程开设的目的,是顺应学校关于本科学生“厚基础、宽口径、重应用、强能力”的培养要求,一方面使学生扩大眼界、丰富知识、了解前沿技术,另一方面使学生对所学的各门主要的自动化专业课程进一步的理融会贯通,对多学科的综合应用技术有一个基本了解。此外,目前中央电视台“全国大学生机器人电视大赛”、中国机器人大赛、“飞思卡尔”杯全国大学生智能车大赛、RoboCup机器人足球世界杯赛等比赛蓬勃开展,希望通过该课程的学习能为学生参加国家/国际机器人比赛打下良好基础。
《智能机器人系统》原先是硕士研究生阶段才开设的课程,主要是因为智能机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多个学科的高新技术,课程理论性强,涉及的专业知识范围广泛。本科生对该课程的学习存在以下问题:①课程主要知识点理论性强,比较抽象,没有较强的数学功底难以理解;②本科生虽然学习了《计算机硬件技术基础》、《自动控制原理》、《控制器件》等先导课程,但理论联系实际的能力较弱,无法理解本课程中所涉及的相关理论运用;③本科生几乎未接触过实际控制对象,对本课程中的一些解决方案和算法缺乏直观感受,易感到困惑。
因此,如何根据教学目的设计教学内容和教学手段,提高学生对基本知识、理论和算法的理解和掌握,培养学生动手能力和创新意识,促进学生理论联系实际的能力,成为关键问题。针对此问题,我们采用将实践环节贯穿于课程教学全过程,让学生以比较直观的方式学习基础理论,避免抽象的推导和讲述,并改革考核方式,改善学生学习本课程的效果。
二、采用与实践结合的多媒体教学方式,选择典型实际案例贯穿整个教学过程,调动学习积极性
由于智能机器人技术研究一直是国防科技大学的优势学科,研究力量雄厚,研究成果多。在课程的多媒体课件中,针对各个知识点,尽量与实际的研究成果结合,采用实际的解决方案进行讲解。结合相关研究成果的MATLAB实时示例、复杂结构动画演示、应用实例视频,引发学生学习兴趣,提高学生对授课内容的理解和掌握。课堂教学中对一些知识点设置疑问或进行讨论,鼓励学生独立思考、大胆质疑,发现问题和解决问题,调动学生学习的积极性。
借鉴国外相关课程的教学经验,将自行研制开发的履带式地面移动机器人样机作为贯穿整个教学过程的案例,使得学生在课程学习中始终有一个具体的参照模型,有更形象和具体的认识。履带式地面移动机器人采用六段履带式结构,适应在复杂的地形中行进,装备有云台摄像机,激光测距仪,惯性导航单元和相关探测装置,上部设置操作机械手,采用无线设备远程遥控,功能全面,集运动控制、无线通信、环境感知等各项机器人相关技术于一体,非常适合用于教学领域。
三、开发设计型、研究型实验,采取指定项目与自选项目结合的方式,促进研究式教学
将教学实验重点放在设计型与研究型实验的开发和建设上。依托学校本科生机器人技术创新基地和相关本科教学实验室,在合适的时间实行实验室向学生全开放,引导学生由被动走向主动学习。
设置“能力风暴”机器人走迷宫项目、智能小车循线竞速项目、全向移动机器人视觉避障项目、基于慧鱼模型的仿生机器人创意设计项目等四个指定项目,并鼓励学生创新思维,提出合适的自选项目。学生以1-3人组成小组,从指定项目中任选其一或提出自选项目,组员明确分工,自成报告。学生首先提交应实验方案设计报告,并进行10分钟时间答辩,通过后方可进行实验。在完成实验后需提交实验报告和演示视频。
在实验过程中,教师只进行方向引导,放手让学生在具体研究过程中摸爬滚打。这样,才能全面训练学生发现问题、分析问题和解决问题的能力,才能促进学生自发地将理论与实际相结合,才能全面培养学生的创新和实践的能力。
四、改革考核方法,采用多种灵活有效方式,设置合理考核指标和监督体系,全面考察教学效果
考试作为教学评价重要手段,对学生学习和教师教学具有重要的导向作用。探索多种形式考核手段的有机结合,全面考察学生的学习效果。总成绩由闭卷考试成绩(占30%)、平时成绩(30%)和实验成绩(占40%)组成。闭卷考试避免出需要记忆繁杂的理论公式。
平时成绩避免采用单纯课后习题的考察方式,而是根据授课内容,从大的板块出发,设计概括面广、需要通过综合分析和讨论才能完成的设计实践性大作业。考虑到学生时间和精力上的限制,允许学生从备选的题目中选择1～2项,以保证完成的质量。
实验成绩则根据实验过程中的若干个关键环节进行评分,如实验方案、面试答疑、实验效果、实验报告等。
五、结语
通过以上课程教学改革探索,显示了比较好的教学成果。以授课学生为主体,我校多次组织参加中央电视台“全国大学生机器人电视大赛”,进入八强5次,进入十六强3次,获最佳技术奖1次,获最佳策略奖1次。
作者简介:
张 辉男(1971-),副教授,硕士生导师,研究方向:人工智能、机器人控制。
关键词课程改革;教学方法
一、引言
随着我国科技、经济和社会的发展,培养既有理论基础又有实践能力,且富有创新精神的本科生,已经成为当今大学教育的主要目的。我校针对自动化及相关专业学生开设了50学时的《智能机器人系统》专业必修课程,授课对象是四年级本科生。该课程开设的目的,是顺应学校关于本科学生“厚基础、宽口径、重应用、强能力”的培养要求,一方面使学生扩大眼界、丰富知识、了解前沿技术,另一方面使学生对所学的各门主要的自动化专业课程进一步的理融会贯通,对多学科的综合应用技术有一个基本了解。此外,目前中央电视台“全国大学生机器人电视大赛”、中国机器人大赛、“飞思卡尔”杯全国大学生智能车大赛、RoboCup机器人足球世界杯赛等比赛蓬勃开展,希望通过该课程的学习能为学生参加国家/国际机器人比赛打下良好基础。
《智能机器人系统》原先是硕士研究生阶段才开设的课程,主要是因为智能机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多个学科的高新技术,课程理论性强,涉及的专业知识范围广泛。本科生对该课程的学习存在以下问题:①课程主要知识点理论性强,比较抽象,没有较强的数学功底难以理解;②本科生虽然学习了《计算机硬件技术基础》、《自动控制原理》、《控制器件》等先导课程,但理论联系实际的能力较弱,无法理解本课程中所涉及的相关理论运用;③本科生几乎未接触过实际控制对象,对本课程中的一些解决方案和算法缺乏直观感受,易感到困惑。
因此,如何根据教学目的设计教学内容和教学手段,提高学生对基本知识、理论和算法的理解和掌握,培养学生动手能力和创新意识,促进学生理论联系实际的能力,成为关键问题。针对此问题,我们采用将实践环节贯穿于课程教学全过程,让学生以比较直观的方式学习基础理论,避免抽象的推导和讲述,并改革考核方式,改善学生学习本课程的效果。
二、采用与实践结合的多媒体教学方式,选择典型实际案例贯穿整个教学过程,调动学习积极性
由于智能机器人技术研究一直是国防科技大学的优势学科,研究力量雄厚,研究成果多。在课程的多媒体课件中,针对各个知识点,尽量与实际的研究成果结合,采用实际的解决方案进行讲解。结合相关研究成果的MATLAB实时示例、复杂结构动画演示、应用实例视频,引发学生学习兴趣,提高学生对授课内容的理解和掌握。课堂教学中对一些知识点设置疑问或进行讨论,鼓励学生独立思考、大胆质疑,发现问题和解决问题,调动学生学习的积极性。
借鉴国外相关课程的教学经验,将自行研制开发的履带式地面移动机器人样机作为贯穿整个教学过程的案例,使得学生在课程学习中始终有一个具体的参照模型,有更形象和具体的认识。履带式地面移动机器人采用六段履带式结构,适应在复杂的地形中行进,装备有云台摄像机,激光测距仪,惯性导航单元和相关探测装置,上部设置操作机械手,采用无线设备远程遥控,功能全面,集运动控制、无线通信、环境感知等各项机器人相关技术于一体,非常适合用于教学领域。
三、开发设计型、研究型实验,采取指定项目与自选项目结合的方式,促进研究式教学
将教学实验重点放在设计型与研究型实验的开发和建设上。依托学校本科生机器人技术创新基地和相关本科教学实验室,在合适的时间实行实验室向学生全开放,引导学生由被动走向主动学习。
设置“能力风暴”机器人走迷宫项目、智能小车循线竞速项目、全向移动机器人视觉避障项目、基于慧鱼模型的仿生机器人创意设计项目等四个指定项目,并鼓励学生创新思维,提出合适的自选项目。学生以1-3人组成小组,从指定项目中任选其一或提出自选项目,组员明确分工,自成报告。学生首先提交应实验方案设计报告,并进行10分钟时间答辩,通过后方可进行实验。在完成实验后需提交实验报告和演示视频。
在实验过程中,教师只进行方向引导,放手让学生在具体研究过程中摸爬滚打。这样,才能全面训练学生发现问题、分析问题和解决问题的能力,才能促进学生自发地将理论与实际相结合,才能全面培养学生的创新和实践的能力。
四、改革考核方法,采用多种灵活有效方式,设置合理考核指标和监督体系,全面考察教学效果
考试作为教学评价重要手段,对学生学习和教师教学具有重要的导向作用。探索多种形式考核手段的有机结合,全面考察学生的学习效果。总成绩由闭卷考试成绩(占30%)、平时成绩(30%)和实验成绩(占40%)组成。闭卷考试避免出需要记忆繁杂的理论公式。
平时成绩避免采用单纯课后习题的考察方式,而是根据授课内容,从大的板块出发,设计概括面广、需要通过综合分析和讨论才能完成的设计实践性大作业。考虑到学生时间和精力上的限制,允许学生从备选的题目中选择1～2项,以保证完成的质量。
实验成绩则根据实验过程中的若干个关键环节进行评分,如实验方案、面试答疑、实验效果、实验报告等。
五、结语
通过以上课程教学改革探索,显示了比较好的教学成果。以授课学生为主体,我校多次组织参加中央电视台“全国大学生机器人电视大赛”,进入八强5次,进入十六强3次,获最佳技术奖1次,获最佳策略奖1次。
作者简介:
张 辉男(1971-),副教授,硕士生导师,研究方向:人工智能、机器人控制。