【毕业学位论文】（Word原稿）我国高校工科机器人教育发展现状及对策研究

兰州大学硕士学位论文 我国高校工科机器人教育发展现状及对策研究 1 我国高校工科机器人教育发展现状及对策研究 第一章 绪论 题的提出 2007 年 2 月约稿时间长达半年之久的比尔盖茨在环球科学发表了未来家家都有机器人的文章。从三十二年前比尔盖茨微软公司的创立，使得电脑在全世界范围普及到比尔盖茨再次预言：机器人将会和电脑一样走入千家万户彻底改变人们的生活方式。 计算机世界我们常将 记本电脑称为终端。而比尔盖茨说：“ 目前机器人行业的发展与 30 年前的电脑行业极为相似。 从生产流水线上最简单的机械装配装置，到用于战争侦查的机器人和医学微创手术中使用的智能机 械臂，以及近几年制造的仿生机器人。”所以我们预测的到人来未来的生活充斥着智能机器人技术，今天所使用的 不久的将来会被 幅度的替代。 目前在我国高等教育中，计算机专业学生不论在本科教育还是研究生教育中都是人数最多的，同时理、工、农、医等许多专业中也涉及了计算机教育。文科中的信息管理（ 图书情报检索、网络新闻、信息技术教育等专业，其专业基础课中 70都是计算机课程。随着技术进步和社会的发展，人们已清楚地认识到：未来的终端是手机，是 不是计算机！因此我 国高等教育中普及的计算机教育已经不能涵盖所有专业的需求，从 渡到 是一个不可逆转的过程。 机器人教育主要包含了两个方面，一方面是狭义的指学习机器人的相关理论技术知识；另一方面广义的指在学习机器人理论技术知识的同时，利用机器人优化教师教学的效果及提高学生学习的效率。机器人技术的迅速发展和机器人应用的不断深入，使得高等工科教育对机器人教育提出新的要求。专家认为到 21 世纪中期 ， 人类 技术 将进入 主要以 智能机器人 为主 的智能时代。 目前，我国高校工科的机器人教育发展起步较晚、发展滞后，因此在高校尤其是高校工科学院开 展机器人教育是一个亟待解决的问题。兰州大学硕士学位论文 我国高校工科机器人教育发展现状及对策研究 2 究意义 究的理论意义 为了深入贯彻落实党中央、国务院提出的走中国特色新型工业化道路、建设创新型国家、建设人才强国等一系列重大战略部署，积极领会 国家中长期教育改革和发展规划纲要 (2010）和 国家中长期人才发展规划纲要(2010） 以及“ 卓越工程师教育培养计划 ”的主旨精神，我国工程教育理念必须进行重大改变，如何 培养 出一 批创新能力强、 适应未来智能技术发展的工程技术人才 ， 本文试图通过机器人教育在高校工科普及情况从而探索新时期工程科技人才培养的新途径。 工程科技领域是中国建设创新型国家发展战略的一个重要领域。据统计资料显示：截至 2012 年， 国家成立了工程专业的高等院校高达 1236 所，占全国高校数量的 ；工程类 在读专科生、本科及硕士生 规模达 人，占当年全国高校在校生总量的 全国的工程 技术人员 总保有量也 在 1550 多万 以上 。我国 是当之无愧的 工程教育大国。 如此庞大的数字也反映出中国目前科技发展对于工程科技人才的需求。同时，也表现出工程科技人才在科技时代对于提高我国综合国力的重要性。 然而， 面对庞大的人才数量，人才的质量所表现出的问题也是很突出的 ， 我国 工程教育普遍缺乏创新性和实践性，一直是我国高等工程教育改革与发展 中多年存在 的 难题 。中国工程科技人才不仅仅要求数量的优势同时要需要质量优势 , 这就要求高等教育要积极探索工程科技人才培养的新途径、新模式以适应科技发展的需求。 开展机器人教育是一项具有紧迫使命感的事业，它不仅开创了一条探索我国工程科技人才培养的新途径，有利于提升我国高等工程科技人才的质量水平，而且对于建设创新型国家，推动我国制造业、通信业等相关产业的跨越式发展，提高劳动生产率，提升产品技术水平和质量水平，实现经济结构转型具有重要战略意义。 究的理论价值与实际应用价值 术性价值 在经济全球化 和知识经济飞速发展的新时期，尝试通过机器人教育促进高等工程科技人才培养和创新型工程科技人才队伍壮大。积极探索我国在信息技术领兰州大学硕士学位论文 我国高校工科机器人教育发展现状及对策研究 3 域高等工程科技人才培养的新途径与新模式，在培养信息技术应用型、创新型人才的基础上，加快相关理论的进一步完善与发展，从而获得丰富的理论成果，实现其学术价值。同时，在多学科技术理论的指导下，通过机器人教育可以引起学生的学习兴趣，引导学生思考，促进学生对理论的深入理解、领会，进而对创新型人才的培养及学术理论的进一步发展提供有利条件。 术性价值 机器人教育是一项涉及计算机基础 、通信技术、体感技术、情感计算、机械自动化等多学科交叉，多技术融合的知识体系，对于各种技术的相互融合与发展起到积极的推动作用。通过机器人教育及其产品的研发，可以很好的实现多种复杂技术的兼容，推进人工智能技术向更高层次发展，展现技术改变世界的无穷魅力。另外，通过机器人教育可以增强我国高等工程科技人才在信息技术领域的核心竞争力，培养学生能够引领新产品、新工艺和系统的创新和运行，掌握行业技术创新发展的话语权。 究综述 国机器人教育研究现状 我国在近十年的时间内相继举办了一系列的机器人竞赛， 目的是为了在推动机器人技术发展的同时培养学生的综合能力 。 机器人赛事通常 涉及的主要研究领域有：机器人学、机电一体化、单片机、图像处理与图像识别、知识工程与专家系统、多智能体协调等等。在机器人竞赛的同 时 ，各组委会都会举办各种机器人展览、相关论坛，各种论坛旨在为参赛选手及专家提供一个交流经验、互相学习的平台，并为机器人及其相关技术的发展以及机器人在娱乐、教育、服务等各领域的应用起到推动作用 。 北京景山学校在二十一世纪初率先将机器人作为学生科研课题纳入信息技术课程中。 2002 北京召开了“第一届全国人工智能教育学术 研讨会”，会议主题为“信息时代的智能教育”。会议包括了介绍国内外机器人教育发展的现状，并对我国机器人教育中存在的问题进行了反思，探讨了未来机器人教育发展的方向。 2003 教育部颁布了普通高中技术课程 (实验）标准，将“简易机器人制作”纳入了信息通用技术中。同时，在高中信息技术课程中设置了人工智能的选修课。 我国大学机器人教育晚于中小学，加之各个学校技术条件的限制，开设了大兰州大学硕士学位论文 我国高校工科机器人教育发展现状及对策研究 4 学教学机器人应用课程的不足 30 所院校 (占全国工科院校的 2）。从 2006 年起， 5 年来兰州大学在面向全校理工科大学生开设大学 教学机器人课程的基础上，先后出版了教学机器人实践开发教程 (2010 年 4 月出版， 45 万字）和大学教学机器人教程 (2011 年 9 月出版， 43 万字）两本教材，发表相关论文10 篇，完成教育部相关教学改革项目一项。 2011 年中国 电子科技大学把机器人 相关技术 设立为正式研究方向 ，自此我国高校正式将 机器人教育 确立 为 正式的 研究 方向 ，在不久的将来机器人 相关领域 将会开展 更深入的研究。 机器人教育在大学或是一个新生事物，但它通过大学生创新能力发展的独特优势，将迅速崛起。机器人教育具有无可比拟的优势，尤其在提高学生的学习积极性方面是其他课程所不及的。机器人教育涵盖了计算机应用程序设计、嵌入式系统、接口技术、传感器技术、体感技术、多媒体技术等已形成了多学科，多技术的知识系统体系，在对应用和实践能力的工程技术人员的培训上具有独特的功效。 近些年来，我国高校在机器人教育研究上也取得了一定的成果。从已出版的相关著作来看，有对我国机器人教育进行理论研究的，如肖南峰主编仿人机器人；彭绍东的论机器人教育；黄志坚的机器人教育探索等，也有对我国机器人教育实践的总结和展望的，如周海涛主编的机器人与远程机器人；如吕春鹏的 我国教学机器人发展问题综述；张剑平 ,王益的机器人教育：现状、问题与推进策略等。 外机器人教育研究现状 在一些发达国家，机器人教育已经成为中小学乃至大学教育的热点话题。各国都在积极探索机器人教育发展的道路。在美国，中小学机器人教育主要是通过理论课程实践课程来进行的，理论课程主要有机器人技术课程、机器人辅助教学课程，实践课程。其中实践课程主要包括课外活动及机器人主题夏令营等定期活动。比如美国宾夕法尼亚州高中技术与智能联盟，在为高中生开设的智能机器人选修课程中，提供了机器人基础课程，主要介 绍机器人技术历史、基础，智能技术的术语、编程，体感技术的微控制、传感器等方面的知识；美国国家自然基金支持的项目“ K 12 教育中的机器人技术”，“ 育相当于我国高三学生的教育，目的是帮助 K 12 教师以及其他教育者开发或改进以机器人作为一种工具，来教授 器人课程和 器人技术课程。通过这些课程，使学生懂得一些基本机器人原理以及与机器人相关的机械和计算机科学知识。麻省理工学院开设了机器人学导论等课程，并要求学生动手制作机器人实际成果作为兰州大学硕士学位论文 我国高校工科机器人教育发展现状及对策研究 5 考试内容，以检验学生知识水平及操作能力。 日本的 机器人教育和机器人产业是世界上水平最高的国家之一。不仅在中小学教学大纲中加入了机器人相关课程，而且在大学设立机器人研究专业，几乎每所大学都拥有高水平机器人研究会，并定期举办机器人设计、制作竞赛，鼓励和促进机器人产品、机器人技术的不断发展。在机器人教育的基础上，通过机器人的社会化应用，促进了日本汽车工业、电子工业、机械制造业、精密仪器等行业的迅速发展，推动了战后日本产业结构的升级与调整，加快了日本经济结构的转型，为日本经济快速发展提供了保障。 另外，近年来英国、新加坡等国也相继出台了一系列措施促进本国机器人教育的发展，希望通过机器人教育带动机器人产业发展，进而实现产业升级，推动经济的可持续增长。韩国在机器人发展和教育上也投入了大量的资金以保证开展机器人方面的研究。同时，台湾、香港等地区，也在机器人教育方面取得了长足的发展。 研究要解决的问题 近年来，中国社会各界对机器人教育的实践越来越重视，并在一些方面取得了相应的成果，各有特色，如此的研究态势有利于促进机器人教育实践教学改革的进程，但是也存在一些问题。大部分高校在研究机器人教育的时候，都是从各自所在高校在实践改革中存在的问题出发，针对问题提出建议 ；或者从教材编著、课程设置、资源配置等单一的角度出发，分析实践教学中存在的问题；或者从某一具体工程专业的角度出发，研究改革的问题。从已有的研究中可以发现，我国现阶段机器人教育中出现的问题有特性也有共性。 综上所述，机器人教育作为未来教育新的发展领域被各国所接受，机器人教育的跨国竞争也愈演愈烈。 机器人的广泛应用将极大促进社会生产力的发展与产业结构的调整 ， 机器人的制造与广泛应用将成为一个新的经济增长点。随着智能机器人技术的 发展与科技时代对智能技术的需求 ，机器人 教育 进入 大学工科课堂 ，纳入 大 学的 信息技术基础或工科基 础课程 的可行性 ， 已经 逐渐趋于 明朗和成熟。 究思路及方法 究方法 基于研究的具体内容，本研究主要采用以下几种研究方法： 兰州大学硕士学位论文 我国高校工科机器人教育发展现状及对策研究 6 献分析法 针对我国高等工程教育中普及机器人教育的问题，通过查阅图书馆资料、中国学术期刊网、英文期刊检索和文献追踪等办法，进行资料收集、整理和分析，了解国内工科院校及综合型大学工程教育中教学机器人使用现状、机器人教学现状、问题与改革举措以及相关领域的研究动态，为论文研究做好第一手资料准备。 查研究法 在本课题的研究中，通过对我国部分开设机器人 课程高校的学生及老师进行电话访谈、通过网络邮件咨询初步了解了我国开设机器人相应课程及推广机器人教学的高校机器人教育发展状况以及相应的教学改革措施。 较研究法 通过中外比较，研究主要发达国家及亚洲国家部分高校机器人教育实践教学模式及成功经验，作为我们研究和实践的借鉴，以期探求适应我国国情的未来工程科技人才培养的合理途径。 例分析法 个案分析法是教育科学研究中常用的方法之一。在本论文研究中运用个案分析法，通过对兰州大学榆中校区信息学院机器人实验室实地的调查，可以对教学机器人的使用、机 器人教育在兰州大学普及实践的情况有更直观地认识。 究的可行性分析 在这一研究问题上，目前国内外有了一些相关的研究成果，这无疑为本研究的开展奠定了基础，通过了大量可资借鉴的材料，本人已通过网络、图书馆等途径获取了大量这方面的文献资料，可以确保研究的顺利开展。 文的创新点 本文创新点主要在以下几点： 通过大量文献的查阅、实地走访和比较，对我国高等院校普及机器人教育的现状进行了研究并提出解决存在问题的对策和建议，不同于平常侧重于机器人教育理论层面的研究，突破了机器人教育研究和实施中照搬国外 模式的限制。 本研究以高等工程教育为背景培养新时期工程科技人才的要求出发，通过对机器人教育现状及对策研究，提出了“机器人教育成为大学工科基础教育课程”这一观点，克服高校机器人教育发展相对于中小学机器人教育滞后的现实困难，将机器人教育与高等工程教育发展相结合，对机器人教育与高等工程教育以及工程科技人才培养的关系进行了阐述。 兰州大学硕士学位论文 我国高校工科机器人教育发展现状及对策研究 7 机器人教育是一种针对工程科技人才培养的新模式，本研究以理论为基础从教学体系和课程体系入手呈现出一份具有科学性、合理性及可行性的研究报告。 念辨析 器人教育 机器人教 育是指以机器人为主要教学内容或教学工具而开展的教与学活动，这些活动是在具体实践的过程中逐步完成的。随着家庭机器人和工业机器人在世界范围的普及应用，机器人教育的价值使它既可以作为机器人产业的“催化剂”和“增倍器”，“也可以作为学校课外活动的载体，还可以作为基础教育课程的载体”。我国高校在机器人教育方面的发展明显滞后于中小学机器人教育。尽管 大学计算机基础 、 程序设计基础、计算机网络、多媒体技术及应用等 已经是我国 大学信息技术基础 教育的重要组成部分，但在课程内容的选取上，明显缺乏前瞻性和有效培养学生创 新精神和综合实践能力的针对性 。 学机器人 教学机器人是机器人的类型之一，是专门应用于人们知识学习和学校教学实践开发的智能机器人。 为提供教学实践资源，教学机器人系统应具备易用性、可编程性、可拆卸性、可扩展性、高可靠性、可维护性、技术新颖性和资料完备性 8 项特点。 易用性：提供的教学机器人便于理解，操作简便。 可编程性：提供编程语言和子功能调用接口，以便学生根据不同项目功能而完成软件程序支持。 可拆卸性：提供硬件上可自由便捷的拆卸组装，以满足示教效果。 可扩展性：一方面硬件上提供丰富的扩展插件接口， 数量足够的模拟和数字接口，以及驱动接口，另一方面在软件上，也为学生提供足够的扩展接口功能。学生可以将自己的创造的功能模块应用嵌入到教学机器人系统中。有利于学生创新能力的培养。 高可靠性：系统整体应具备放震荡、联接件牢固、耐磨耐碰、各类接插件可插接次数最少应不低于万次寿命特点。 可维护性：无论软件和硬件上出现问题，都能提供故障诊断定位，故障排除方法（更换部件或调试修改程序）。 技术新颖性：提供较完整的新技术支持功能。具备一定的技术水准，比如教学机器人应包括较新的传感器应用技术，较新的微处理器应用技术等。 兰州大学硕士学位论文 我国高校工科机器人教育发展现状及对策研究 8 资料 完整性：随机提供完整的技术手册和使用手册。 程科技人才培养 国家中长期教育改革和发展规划纲要提出要更新人才培养观念，树立全面发展观念、人人成才观念、多样化人才观念、终身学习观念和系统培养观念，对于推动新时期我国创新型工程科技人才培养理念变革具有重要指导意义。中国工程院创新型工程科技人才培养研究表明，未来我国经济发展和现代化建设迫切需要的是多样化、多层次和多类型的工程科技人才，既包括处于宝塔尖的高层次领军型工程科技人才，也包括在工程科技各行业领域从事创新活动的工程科技人员；既包括研究导向的学术 型人才，也包括应用导向的专业型人才，以及交叉发展的复合型人才。 第二章 高校工科普及机器人教育的必要性 器人教育 的发展 器人教育缘起背景 教育部高等学校计算机基础课程教学指导委员于 2009 年 10 月发布了高等学校计算机基础教育发展战略研究暨计算机基础教学基本要求，以下简称基本要求）。基本要求以科学发展观为指导，通过比较分析和深入研究，给出了计算机基础教育的科学规划和描述，推动了计算机基础教育从经验走向科学的实践；为各类办学单位 (尤其是工科院校 )准确定位计算机基础教学应该达到 的“能力结构”要求、进而设计相应的知识体系与实验体系提供了很好的借鉴；促进了计算机基础教学向科学、规范、成熟的方向发展。基本要求就计算机基础教育的六门核心课程给出了具体的教学要求和实施指导。这六门核心课程是：大学计算机基础、程序设计基础、微机原理与接口技术、数据库技术及应用、计算机网络技术及应用、多媒体技术及应用。 在试点实施与宣传基本要求的同时，理工科院校就 工程科技人才培养 方面，基本要求在应用能力和实践能力的培养上所显露出的问题，提出了许多宝贵的意见。尤其是已开设了大 学教学机器人应用课程的 20 多所院校，总结出了很好的教学经验与体会： 机器人教育在提高大学生学习兴趣和学习积极性方面有其他课程（包括现有计算机基础课程）无法比拟的优势，在 工程科技人 员应用能力和实践能力的培养上具有独特功效。虽然机器人教育在大学还是一个新生事物，但它借助对大学生兰州大学硕士学位论文 我国高校工科机器人教育发展现状及对策研究 9 创新能力培养的独特优势将会迅速崛起。如果从现在起在高校工科大力推广和普及机器人教育，我国有可能在智能技术领域实现跨越式发展！ 1 在高校工科中引进机器人教育，是信息技术课程发展的趋势，不仅是信息技术课程在智能技术到来是本身课程建设和发展 的需要，最主要的作用是通过机器人知识的学习，大学生可以进一步扩大信息获取的渠道，丰富其眼界掌握除网络和计算机以外的信息加工和处理的知识、方法和能力。机器人教育以其智能、仿生的技术优势，成为培养学生创新能力和实践体验的上乘场所。 器人教育与机器人竞赛 通过近十几年的发展，机器人公开赛在世界各国相继举办，国际机器人比赛主要有：机器人足球竞赛（包括 机器人灭火竞赛，机器人综合竞赛（包括国际机器人奥林匹克竞赛和 锦赛）。机器人赛事通常 涉及的主要研究领域有：机器人 智能 学、机 电一体化、图像处理与图像识别、 技术工程与机械系统 、 智能技术多方位协调 等等。 2011 中国机器人公开赛在 甘肃 兰州 西北师范大学举行 ，全国 共有 162 所高校的近 1000 支队伍参加 。 在机器人 公开赛举行 的同 时 ， 各地参赛 组委会都举办 了别开生面的 机器人展览 ，同时会场开展了相关论坛 为 参赛选手及专家提供一个 相互交流学习 的平台，并为机器人及其相关技术的发展以及 机器人在多领域的 应用起到 推助作用 。机器人 公开赛 除了 具有深远的科研意义外 ， 不仅是一个教学平台也是一个学习平台 。 公开赛在师生互动、生生互动、师师互动的平台下，不仅仅发展学生的创新 精神，提高学生的综合实践能力，也为我国机器人教育改革提供了实践的场所。 器人教育与高等教育 我国高校工科机器人教育主要有两种表现形式：第一，我国部分高校工科开设了机器人相关的课程。高校开始将机器人知识引入课堂，根据机器人技术的特点，对以往的教学方式进行改进，基本是在原有基础理论课程教学的基础上，根据学生不同专业领域和兴趣的需求，有针对性的开设不同课程，增大了学生选课的自由度，从而可以更好地在课堂教学中进行机器人教育。 第二 ,将机器人作为课程教学的学习平台。机器人技术已经在我国部分高校的工科基础课 程中暂露头脚，部分条件较好的高校组建了教学机器人实验室。 国内常见的教育机器人产品 主要有： 能力风暴机器人 、 乐高机器人 、 慧鱼机器人 等。2006 年兰州大学一次投入 60 万， 2007 年合肥工业大学一次投入 180 万，成立了信息学院机器人实验室。 上海未来伙伴机器人有限 公司为这些高校调试安装了实验室设备，并对青年教师进行了技术培训。 1 吴洁 ,何花 ,周波 J2007(7)： 48州大学硕士学位论文 我国高校工科机器人教育发展现状及对策研究 10 器人教育与工程科技人才培养 人类进入智能机器人时代，标志着一场新的技术革新的开始。 机器人的广泛应用将极大促进社会生产力的发展与产业结构的调整；机器人的制造与销售将成为一个新的经济增 长点 。 2智能机器人将在多方面影响人类的生活，而教育必将受到新技术的影响。 智能机器人 走进大学的课堂教学 ， 成为大学信息技术基础课程的教学载体和教学内容，这一趋势已是不可逆转的。 在智能制造科技发展“十二五”专项规划中，对“工业机器人”有专门的阐述：攻克工业机器人本体、精密减速器、伺服驱动器和电机、控制器等核心部件的共性技术，自主研发工业机器人工程化产品，实现工业机器人及其核心部件的技术突破和产业化。 机器人教育是高校培养工程科技人才的迫切需要。一方面，按照规划的要求，近两年部分高校开设机器人专业以培养机 器人专业人才，为智能时代的到来做好人才储备；另一方面，从国家对于培养工程科技人才的角度来讲，高校需建立一个可操作的智能平台，它能融汇现代工业设计、智能技术、软件技术、计算机技术等各领域的先进技术于一体，在教学上以要求培养学生动手能力为主的技能教育，使学生能够亲身接触和体验机器人智能技术，培养科学素养的同时锻炼实践能力，从而并激发他们的创新意识和创造发明潜能。 在我国大学工科运用机器人教学和开设机器人相关课程，培养学生的科技创新精神与综合实践能力使得机器人技术在大学工科教学中运用的必然性与可行性日趋明显。在大 学工科基础教育领域开展智能机器人教育，同时对我国机器人科技事业的发展、人才的建设，都具有重要的现实意义和战略意义。 校普及机器人教育的意义 科技部于 2012 年 4 月 24 日印发智能制造科技发展“十二五”专项规划和服务机器人科技发展“十二五”专项规划。“十二五”期间，我国将攻克一批智能化高端装备，发展和培育一批高技术产值超过 100 亿元的核心企业；同时，将重点培育发展服务机器人新兴产业，重点发展公共安全机器人、医疗康复机器人、仿生机器人平台和模块化核心部件等四大任务。 3 我国将着力突破制约我 国服务机器人技术和产业发展的关键技术，不断推出更具应用价值和市场前景的产品，积极探索新的投融资模式和商业模式，努力打造若干龙头企业，把服务机器人产业培育成我国未来战略性新兴产业。服务机2 陆承景 J2010(4)： 273 智能制造科技和机器人科技规划发布 J2012(5)： 42州大学硕士学位论文 我国高校工科机器人教育发展现状及对策研究 11 器人科技发展“十二五”专项规划提出，通过专项的实施，预期将突破重点技术方向的重要基础理论和核心关键技术，实现仿人、四足高端仿生平台系统集成，引领服务机器人技术发展方向；开发出 5服务机器人新产品，形成 100 项以上发明专利，建设由国际标准、国家标准、行业标准组成的服务机器人标准体系；公共安全机器人在 10 个以上城市和国 家重大安全工程中进行示范应用模块化核心部件在国产工业、服务机器人产品应用推广 10000 套以上，多臂复杂微创外科机器人应用临床；建立产学研用结合的服务机器人技术研发基地与孵化平台，培养与吸引国际一流水平领军人才。 4 本着规划的要求，在大学工科普及机器人教育的意义主要体现在以下几点： 生工程思维的培养 工程思维就是在工程的设计和研究中形成的思维，是一种筹划性的思维。工程思维之所以是一种筹划性思维，主要是它可以根据实体存在的状态而改变的思维方式，它可以将逻辑的属性根据不同的要求进行非逻辑的组合。在 大学工科培养科技创新人才的要求，不仅仅要求学生在其的学术领域内，能够合理的运用工程思维，还要对不同的工程技术问题进行正确的判断，从而制定出有效的应对措施，及时的解决问题。 大学工科普及机器人教育主要是以机器人的基本原理构造为教育内容，主要是围绕机器人的结构与设计、智能机器人程序的编纂、机器人设备的硬件装配以及机器人系统调试等专业知识和技术设计为主要的教学内容。在以这四部分为主的教学实践过程中，机器人的结构与设计要求学生能够有独创性并科学合理地设计出简易机器人，设计是工程思维最本质的体现。机器人程序编纂是赋予 机器人灵魂的重要过程，它不仅要求学生有缜密的逻辑思维能力，也是对所学理论知识最系统化的检验，程序的编纂最大程度上的训练到学生的工程思维。 机器人教育需要敏锐的观察和正确的思维。工程思维的培养使得学生能够结合逻辑思维能力，运用机器人学的基本知识和原理。正确处理形象和抽象、概念和推理等逻辑关系。 器人教育的前瞻性与融合性 沿的学术研究价值 在经济全球化和知识经济飞速发展的新时期，尝试通过机器人教育促进高等工程科技人才培养和创新型工程科技人才队伍壮大。积极探索我国在信息技术领4 关于印发智能制造科技发展“十二五”专项规划的通知 L . ，在培养信息技术应用型、创新型人才的基础上，加快相关理论的进一步完善与发展，从而获得丰富的理论成果，实现其学术价值。同时，在多学科技术理论的指导下，通过机器人教育可以引起学生的学习兴趣，引导学生思考，促进学生对理论的深入理解、领会，进而对创新型人才的培养及学术理论的进一步发展提供有利条件。 系边缘学科的交叉融合 机器人教育是一项涉及计算机基础、通信技术、体感技术、情感计算、机械自动化等多学科交叉，多技术融合的知识体系，对于各种技术的相互融合与发展起到积极的推动作 用。通过机器人教育及其产品的研发，可以很好的实现多种复杂技术的兼容，推进人工智能技术向更高层次发展，展现技术改变世界的无穷魅力。另外，通过机器人教育可以增强我国高等工程科技人才在信息技术领域的核心竞争力，培养学生能够引领新产品、新工艺和系统的创新和运行，掌握行业技术创新发展的话语权 高科学素养和实践能力 机器人教育主要通过课程教育与机器人比赛等方式，体现了 杜威 “从做中学”的教学理念 ,并发展为“从学中做”，在学习过程中强调动脑与动手的结合 ,从而有利于改变传统的教学方式 ,为学生的终身学习打下基础 。在大学工科开展机器人教育 ,为基础教育课堂改革提供了新的平台。机器人教育已形成涵盖计算机应用基础、程序设计、嵌入式系统、接口技术、传感器技术、体感技术、多媒体技术等多学科交叉、多技术融合的知识体系，在 工程科技人 员应用能力和实践能力的培养上具有独特功效。 器人教育的 实用性 机器人教育的实用性主要体现在中国机器人公开赛等机器人教学实践活动中， 通过组织机器人公开赛，让更多的大学生 机器人的原理和技术 ，普及现代 智能 科学知识，为我国 未来的 机器人事业培养更多的 技术 人才 。 机器人竞赛在促进机器人技术的发展及其相 关学科融合起着重要的作用。机器人竞赛的研究人员利用各种技术，以获得更好的解决方案，而这反过来又促进了各个领域发展。学生的参与研究、开发和生产的机器人前足够的技术准备、技术专家或专业教师的技术支持、以及学生之间沟通的问题等等，这也是机器人教育发展中需要 面对实际问题、解决困难、克服障碍的过程 。因此在这个过程中，学生不但学到了机器人技术知识，同时也增加了自信，提高了沟通和团队合作，操作实践能力也得到一些改善，这也是机器人教育所要达到的目标之一。 机器人教育的实用性除了具有重要的科研成果意义，但最重要是将理论和实践 紧密联系起来，可以让学生提高自身的动手能力，创造能力，协作能力和综合兰州大学硕士学位论文 我国高校工科机器人教育发展现状及对策研究 13 能力。 第三章 国内高校工科机器人教育现状 内高校机器人教育发展 州大学 首先，在机器人教育研究平台的建设方面，兰州大学与上海未来伙伴机器人有限公司建立了长期校企合作关系。 2006 年学校一次投入 60 万，成立了信息科学与工程学院机器人实验室，该公司调试安装了 专业从事伙伴机器人业务的尖端技术，历经 15 年实践，已成为国内教育机器人的领导者 。 公司 所有实验室设备，并对青年教师进行了技术培训。 其次，在机器人教育课程教材的编写方 面，近 5 年来，通过面向全校理工科大学生开设大学教学机器人课程的基础上，先后出版了教学机器人实践开发教程（ 2010 年 4 月出版， 45 万字）和大学教学机器人教程（ 2011 年 4 月出版， 43 万字）两本教材，发表相关论文 10 篇，完成教育部相关教学改革项目一项。 最后，在机器人竞赛及机器人教育相关资料准备方面，本课题研究团队成员对计算机基础教育和网络学习有 30 年的亲身体验，熟悉 国内较有影响的 3 个 机器人 竞赛 （中国青少年机器人竞赛、全国中小学电脑制作活动、全国中小学信息技术创新与实践活动），已查阅了大量国内外相关 文献，对国内外机器人教育的现状有清晰的了解和明确的认识。 机器人是一个科技含量较高的产品，学生学习理解相对比较困难。同时 机器人 教学实验环节比较薄弱 ， 现有机器人教材大多以书本相关知识理论教学为主。2009 年兰州大学信息科学与工程学院对 课程体系进行了全面建设，确定了以 “教学机器人教程” 为主线，以 教学 机器人为对象、应用为目的、实践为重点的 发展方案，增加实践课程。主要建设内容包括：编制 大学教学机器人教程 教学大纲， 引进教学实验设备 ，编写实验指导书，制作多媒体课件等。 程设置 大学教学机器人 系 列课程作为 兰州大学机器人教育的 重要内容， 经过多年的发展 ，课程不断改进创新，根据 机器人辅助教学 发展的客观现状， 信息科学与工程学院 饶增仁 工程师在 原课程教学内容 的基础上 进行了扩充和修正， 在兰州兰州大学硕士学位论文 我国高校工科机器人教育发展现状及对策研究 14 大学 出版社出版计划 了 教学机器人实践开发教程 教材的同时，在教学内容和教学体系上 力求与国内高校同步。 教学机器人实践开发教程 课程从 36 学 时增加至目前的 54 学时，同时提高实验课程 的比例 ，注重学生实践能力的培养和运用。 目前 大学教学机器人技术 课程成为 兰州大学机器人课程的 核心 与 特色，是经过 机器人实验室 全体教师的努力。教学实践表明： 教学机器人实践开发教程 课程 中新 的教学内容与教学方法的改革 在兰州大学机器人教育实践 方面取得了不菲的成绩 ，探索了一套 适合兰州大学机器人教育发展与普及的成熟方案 ，并形成了鲜明的 本校 教学特色 。 学内容 教学机器人实践开发教程 课程是人工智能理论与应用一门重要的专业课，课程建设紧紧围绕 兰州信息科学与工程学院 机器人实验室 研究成果 ， 在兰州大学理工科学院 开设机器人实践开发选修课， 以及学生对该门课程反馈的基础上，结合 多年的教学实践基础上总结编写而成，并且首次明确提出了教学机器人的概念及其特征。结合理论知识进行讲解，使学生从机器人概述、教学机器人创新平台、教学机器人编程、教学机器人实践开发项目 等 对 教学 机器人进行全面深入的了解。课程讲解内容和授课方式与我校 教学机器人 教学研究成果紧密联系，对学生的培养模式属于 “ 精英式 ” 教育，具有明显的教学针对性。课程主要内容包括：教学机器人的特点、一般机器人常用的传感器和驱动器、图形化交互 式 器人组件的工程创新、动态字符显示等。注重将 教学 机器人基础理论与控制 编程 技术相结合，反映 我国教学 机器人研究领域的新进展。通过本课程的学习，使学生获得有关 教学 机器人基本理论、基本知识和基本技能，结合实际案例，通过 机器人竞赛 和 技术实操 ，使学生能自行 编制 简单的 教学 机器人程序 ，从而培养学生的 技术 能力、创新能力和工程实践能力， 为从事相关的工程技术工作打下基础 。 学方法 （ 1）直观 的多媒体教学方式 教学机器人实践开发教程 课程内容多、 技术含量较高 ， 采用 常规教学方法难以在规定学 时内完成 全部 教学内容。 为了方便学生的学习，该课程的 多媒体课件内容丰富、新颖。绪论部分动态 展现 英国和美国的两组科研小组，各自独立在人工智能领域取得了重大突破 ，增加了 学生学习兴趣，提高 了 听课质量；对件的控制核心 多功能扩展卡 件的设计与搭建基础通过媒体方式进行实时详细的示例；而对 件的设计与搭建基础则现场 设计 、 搭架组件模型 。 实践的教学方法加强了学生对于知识的理解 。而对 组兰州大学硕士学位论文 我国高校工科机器人教育发展现状及对策研究 15 件 复杂的结构则借助多媒体教学手段进行动态演示，取得了良好的教学效果。 （ 2） 案例教学贯穿整个教学 过程 本课程结合自行研制开发的 教学机器人样机，对 教学 机器人进行系统讲解，使得学生在 整个学习过程中 有一个具体的 机器人 参照模型，也使得学生对 教学 机器人产品有了更形象和具体的认识。同时，结合 教学机器人进行的案例式教学，对该机器人从 件的基本结构和搭建基础 、 件的软件控制 、 件创新设计开发项目等分别以实际案例进行系统讲解， 通过 实验教学使学生从 教学 机器人实体进行理解。 拓展 了学生的视野，激发了学生的创新热情。 （ 3）开发研究性实验改革教学方法 通过教学机器人教学实践 经验，兰州大学信息科学与工程学院 对 以往 实验进行分析的基础上，对实验内容、实验方法、实验模式进行了改革。将 教学实验的重点放在研究性实验的开发上， 在 教学 实验课上教师只是 协助引导 和 组织实验的工作， 要求 学生 发挥 的主观能动性和学习的积极性。 机器人 实验室 实验器材的管理 进行了改革，采用 半 开放式管理 方法 ，实验室 每周向学生开放一半以上的时间 ，以解决实验装置 数量少 、学生 使用冲突的问题 。本课程的 所用的机器人 实验装置为兰州大学 自行研制， 主要 包括 机器人运动部件和操作程序 ，学生在实验过程中可以接触到 教学 机器人 最基本的机械原理 ；学生在每 个实验 环节需要 自行连接硬件，控制 教学 机器人完成 指定 的动作，学生 的实践 机会增加，有助于学生解决实际问题能力的培养。 价方式 兰州大学根据近几年机器人教育的经验， 积极进行 考核 方法改革， 帮助 学生进行有效的 学习 。 按照 兰州大学机器人实验室教学机器人课程考核的要求 ，为了使学生理论课成绩考核 结果更 加合理，并有效地提高教学质量和学生学习效果，制定 了机器人课程相关的 考核成绩原则 。最终 成绩由平时成绩和期末成绩 组成 。平时成绩由上课出勤 情况 、作业 成绩 和实验成绩构成。上课出勤 情况 占平时成绩的 1/5，作业 成绩 占平时成 绩的 2/5，实验成绩占平时成绩的 2/5；平时成绩占总成绩的 30%，期末成绩占总成绩的 70%。 在期末考试中，给出需要 掌握的基本理论知识作为考察点 ， 但是 重点考察学生分析和解决问题的能力。 南大学 中南大学 秉承 “ 经世致用 ” 的校训，笃行 “ 求实，创新，团结，进取 ” 的校风，发展机器人技术，普及机器人文化，鼓励广大学生踊跃参加课外科技活动，开拓知识面，培养广大学生对机器人的兴趣爱好、实践能力、理论与实践相结合的能力以及团队协作意识，展现 中南大学 学生的科技创新水平，促进学生综合素兰州大学硕士学位论文 我国高校工科机器人教育发展现状及对策研究 16 质和创新能力的提高。同时，通过 参加国际赛和国内赛激发学生在移动机器人研究上的兴趣，提高学生在移动机器人上的研究水平 ,推动大学生科技创新活动的蓬勃发展，为中南大学参加国内外机器人大赛培养后备人才。 中南大学机器人教育未来发展的方向： 依托大学生智能移动机器人科技创新平台 ， 围绕 中国 机器人 公开赛 开设培训讲座和开放性实验，并且 实现交叉学科 的创新研究及综合集成。依托高年级 学生的学习 优势，开展 多项 机器人实验项目，由 在校 研究生 带领 高年级本科生组建中南大学机器人 参赛 队，代表中南大学参加国内及世界级机器人比赛 。 机器人基础教育放在本科阶段，为低年级本科生打下坚实的理论基础，激发 本科生的科研兴趣，并在老师及 高年级学生的帮助 下，开展若干具体的创新实验项目，进行创新实验研究。 在 高年级本科生 开展 人工智能与机器人方面的科研 培训 工作，指导 高年级 本科生参加机器人相关课题的研究，为未来机器人事业的发展培养储备人才。 中南大学从上世纪八十年代中期，先后为机械自动化和通信工程专业开设了机器人学基础、机器人控制学、机器人数字编程等课程，是国内率先开设该课程的大学之一。机器人学基础是中南大学课程建设和改革的成果。 程目的 机器人学基础是一门高度交叉的课程， 机器人学基础涉及力学、机电学、仿生学、计算机科学与工程、机械控制工程学、信息工程学、人工智能、伦理学等多学科知识，是一门综合性很强的基础课程，通过该课程的学习，使得学生基本熟悉机器人学的理论基础及其发展趋势，为今后从事机机电自动化系统设计、机器人制造和研究工作理论基础。机器人学基础是学生掌握机器人机械构成、运动原理、控制操作和实用技术要点和基本理论。通过这门课程的学习，使学生将对对机器人有一个全新、深入的了解。 课程的基本要求是：了解机器人的历史及发展，掌握机器人构造特点和分类；掌握机器人的运动方程和 正、逆运动学求解方法；掌握机器人的基本控制原则和控制方法；掌握机器人规划基本原理及轨道规划方法；了解机器人相关传感器应用；掌握机器人的编程环境和方法；了解机器人的运用领域和发展方向。 程内容 机器人学基础主要涵盖了机器人基本原理与技术，尤其是机器人的操控技术。主要内容包括：与机器人控制模型的推导有关的数学基础；位置与姿态的描述和空间变换；机器人运动学方程的建立的基本过程与步骤、逆运动学求解的解析方法与几何方法；机器人控制技术；机器人应用、机器人控制的前沿技术与发展方向等。 课程主要以基 本理论为基础，以工程科技为背景，紧密联系试验，目的是让兰州大学硕士学位论文 我国高校工科机器人教育发展现状及对策研究 17 学生了解通用机器人的基本原理、构造、操控、编程等方法，学会机器人通讯、计算机视觉技术、体感技术达到融会贯通通信、电子、工程、传感、机械等技术，以培养未来机电一体化工程科技人才为目标。本课程共 36 学时， 2 个学分，为选修课程，面向本科阶段高年级和研究生教学，采用课堂教授和实验操作并举的方式，学期末要求学生进行专项课程研讨报告。 学方法 （ 1）问题式启发教学 机器人学基础课程中有许多问题，在教学中，教师有意识地提出问题，要求学生思考，鼓励 学生提出自己的看法和解决方案，然后通过教学寻求解决方案，启发学生解决这些问题，并进行分析和比较，从而提升学生的主动意识和参与意识。比如，在讲到比较抽象的通用机器人机械手臂安装位置和形态表示时，从特殊到一般地启发学生思考，让学生在思考与讨论中得出机械手臂的位姿和形态表示。通过问题式启发，学生不但从中学习到了课程相关知识而且思维也得到了训练，取得很好的教学效果。 （ 2） 合理激发学生的学习兴趣 在机器人学基础课程的学习过程中，学习的效果直接受到学生兴趣和参与意识的影响。由于机器人学基础是导论性前沿交叉课程 。通常来说，学生初期学习兴趣很大，但是当一些学生开始接触到抽象概念和复杂公式时，往往不能理解接受。教师在这种情况下需要启发和培养学生的学习兴趣。比如小范围组织多类机器人的试验和演示，使学生实地观察参与其中，增加感性知识，能够有效提高学习兴趣。 （ 3）开展课堂讨论式教学 组织课堂辩论，讨论的最新的机器人技