张贵生，朱艳娜

(1.安徽理工大学深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室 安徽淮南 232001；2.安徽理工大学经济与管理学院，安徽淮南 232001)

随着电力电子技术的快速发展，控制芯片集成度越来越高，以控制芯片为核心的人工智能应时而生[1]，近年来发展成了高校较为热门的学科。其中，智能机器人高度融合了物联网、机电控制等多种智能技术[2]，具有较深的科研价值与教学功能，企业应用亦可产生较高的经济效益[3]，已然成为了工厂革新、企业研发、高校教研的重要设备。根据应用场景不同，智能机器人具有多种外貌形状、感官知觉、功能响应及复杂结构，例如传感机器人、教学机器人、工业机器人等。

近年来，国家大力支持人工智能进入校园[4]，《国家教育事业发展“十三五”规划》《新一代人工智能发展规划》等政策文件皆明确指出，在高校内要全方位应用、推动“机器智能”。教学机器人既可以作为应用科学研究[5]，又能够为学生提供良好的实践平台，是高校发展人工智能的有力保障。因此，本文以国家方针政策为指导，结合我校实验教学条件和学生实践情况，深入探讨教学机器人在我校实验教学中的具体作用。

传统基础理论学习是以课堂教学为主、动画演示或简易实验为辅的教学模式。然而，通过教学经验及调查发现，教师的教、学生的学、实践的用三者无法形成有效统一，教师的教是循循善诱、苦口婆心，学生的学往往是对基础理论知识的硬性搬运或想当然的理解，两者之间形成了一种灌输与被动接受的现象；此外，教学中发现，多数学生会出现识物盲区，例如部分电气专业本科生无法辨识元件实物、熟悉电路图却看不懂连接电路等现象，这就从正面反映出学生的学与实践的用无法得到及时衔接，所学基础理论知识更无法在第一时间于实践中加深理解，甚至无法得到认知实物的机会。教学经验证明，当书本知识缺少有效延伸空间时，学习过程极易出现记忆不深和理解偏差。因此，只有在实践中学习、巩固、加深基础理论知识才能革新传统教学模式，使学生更加清晰地了解实物本身，明确所学基础理论知识在实践中的具体应用。

本文以某科技有限公司研发、包含15 台教学机器人的“基于机器视觉机电综合创新平台”（统称“视觉机器平台”）为探讨对象，深入剖析智能机器人在实验教学中的启发作用，包括知识扩展、实物认知、实践操作、功能研发四层结构，层次之间相辅相融、互为补充，又循序渐进、逐层深入，以形象记忆强化逻辑记忆，扩展理论知识，提高理论融入实践的实验教学质量和效果。

一、知识扩展

人工智能是一种复杂的机电综合系统、是未来的发展趋势，这就意味着任何单打独斗、单一专业都无法满足当今社会对知识的需求，终将被时代所摒弃，PI 团队、知识交叉融合才是主流。科技的全面发展决定了企业越来越倾向于招揽复合型人才，因此，当代大学生既要掌握自身专业课程，又须补充相近专业基础理论知识，采取“自身专业为主、相近专业为辅”的学习模式，加深理论深度、扩展知识宽度，构建共性系统，实现共性知识的相互补充、交叉融合。

本视觉机器平台深度融合了机械结构设计、智能控制系统、机电传动技术、运动学等多种智能技术，涵盖了机械学院、电气学院、计算机学院、人工智能学院等相关教学单位，技术容纳量高、服务范围广，是一种跨专业、多学科的系统综合性学习平台。

指导老师通过讲解本视觉机器平台中各教学机器人的结构布置、工作原理、设计思想等基础内容，将专业课程融入其中，加深学生对基础理论知识的全方位理解，让学生在实物认知和实践操作中探寻问题的产生思路、分析方法与解决路径，培养学生灵活多变、因地制宜的创新思维，同时扩展知识层面、开拓视野格局、提升专业素养，实现多学科宽知识的交叉融合，为今后的科研道路和事业发展做出强有力的技术铺垫。

二、实物认知

实物认知是实验教学的重要组成部分，实物认知教学符合学生对陌生事物认知的特点，实物认知可以让学生建立从无到有或从浅到深的抽象思维，并使抽象思维具体化，启发学生思考所学课本中专业名词，使专业名词与实物之间形成有效对应，进而稳固知识。相比于基础理论知识教学，本视觉机器平台的实物认知教学更有利于大学生的成长与就业，尤其是直接面向机械装置、自动化设备、智能产品等加工制造类企业的就业学生，这部分学生毕业后往往从一线技术类岗位起步，发展方向以软、硬件工程师为主，对各部件结构、电路元器件等实物的认知更为必要。

本视觉机器平台可以很好地提供装置结构、机械部件、电气元器件及电路系统等硬件结构的实物展示功能，其中，装置结构包括气泵、交直流伺服电机、减速机、PC 主机、步进电机、3D 打印机、激光雕刻机、XYZ 坐标机器人、六自由度机器人等；机械部件主要包括手爪、皮带、滚珠丝杆、吸盘、机械手臂等；电气元器件及电路系统主要包括液晶屏、工业相机、限位开关、运动控制器、光电编码器、电路板及多种电子元件、传感器等电路系统常用元器件。

在实物认知教学中，指导老师要提前规划各种元器件所属范围及轮廓，有序地讲解各种元器件的结构特点、性能参数及在系统中的各项功能。为获取更加直观、清晰的教学效果，特将实物认知教学环节归纳为结构认知和电路认知两部分讲解内容。

（1）结构认知教学。结构认知教学需结合基础课程名词，从各零部件具体功能、结构设计、连接方式、维护保养等方面综合探讨，再扩展至结构设计方法、常用软件说明、创新思路流程等深层内容，用简易明了语句讲解常用机械结构基础理论知识，让学生多方位进行结构认知。

（2）电路认知教学。电路认知教学是以电路图和接线图为指导，从工作原理、控制电路结构及系统布局入手，组成知识轮廓架构，明确设计思想，再细化至芯片选型方法、主要元器件在整个电路中的具体功能及其相互间连接关系、信号传输路径、用电安全等细节，让学生在了解设计电路流程的同时将各元器件逐一认知。此外，指导老师应因材施教，针对不同年级学生，适当调节实物认知深度与宽度，探寻适宜教学路径。

三、实践操作

知识是由认知主体主动构建起来的，学习兴趣是掌握知识的动力源，实践操作是激发学生学习兴趣的重要途径。实践操作不仅能够加深对专业基础知识的理解，而且能够让学生自我感知有趣动作，在探索中发现各部件的内在关系，探寻教学机器人中“七分机械、三分电气”及运动学的本质规律，提高理解深度。

本视觉机器平台功能多样、模块性强，可以很好地为学生提供实践操作平台，具体包括气动手夹、气动吸附、绘画、写毛笔字、激光雕刻、3D 打印、图像识别等功能，系统综合性强、知识覆盖面广，且每个功能模块皆具备一个完整的机电控制系统。在指导老师的讲解下，能够帮助学生快速记忆理论知识、深入理解设计思想、不断扩充知识宽度、有效构建共性系统。以图像识别为例，课堂上学生以人脸为拍摄对象，通过软件将人脸图像进行识别处理，最终呈现出完整、清晰的人脸图像，全程实践操作让学生更加熟悉相关软件的使用技巧与操作步骤，整个操作过程有效融合了图像识别基础理论、实物认知等内容；此外，在指导老师的配合下，可以让学生更加清晰地了解图像识别理论课程中所讲内容，解答心中存留的疑惑，扩充电气控制、机械结构等方面知识，了解系统工作原理、设计思想，最终让学生在脑海中形成稳固的图像识别系统。

由于不同年级学生的知识储存量不同、对实践操作的理解程度不同，指导老师在实践操作环节中要因人而异、因材施教，提前制定好适宜的教学计划。根据教学经验可知，大一、大二学生专业知识接触较少，实践操作以兴趣培养、专业引入为主；大三、大四学生专业课程逐步深入，实践操作以理论巩固、应用认知、模块搭建为主；硕士研究生课程深入、领域专研，实践操作以应用开发、软件编程、功能创新为主；此外，针对个别极富兴趣学生，应单独培养。

事实证明，实践操作过程中，科幻有趣的机械动作会给学生留下深刻印象，开拓视野，培养创新思维，激发学生探寻真理的热情；此外，本视觉机器平台的深入学习还可以让学生明白“知行合一、学以致用”的道理，在实践中主动自我认知、转变观念、改进不足。

四、功能研发

硬件电路与机械结构是教学机器人控制系统的执行单元，软件是控制核心、技术源泉，学习软件编程可使学生更加清晰地认知模块结构、明晰控制流程，从系统整体框架到独立参数设置全程把控模块功能，有利于学生积累实战经验、开拓创新思路。学会软件编程就等同于掌控技术核心，就可以不再局限于现有功能模块，主动搭建新系统、研发新产品，从而提高学生创新思维和自信心，为学生参加比赛、撰写论文、专利等科研做好技术铺垫，为今后继续深造、事业发展打下坚定基础。

本视觉机器平台预留有多种接线端口、具备模块研发功能。对于硕士研究生或极富兴趣学生，指导老师应指导他们学习制作PCB 电路板、软件编程、模拟仿真等深层学问，鼓励他们在原有结构功能的基础上，设计新的电路结构、制作新的控制系统、研发新的功能模块，通过添加不同结构的机械手臂、编写新的软件程序来实现不同的机械动作和新功能，激励学生打开思维、敢于挑战。

综上所述，教学机器人在实验教学中的广泛应用不仅能够激发学生学习兴趣、培养动手能力，解答心中疑惑、主动提升自我，而且能够加深专业基础理论、扩展知识层面、提高实物认知能力，积累软件编程实战经验，开拓功能研发创新思路，使学生主动认知自我、完善自我、提高专业素养和自信心，在市场竞争、科技创新日益严峻的当今社会，让我们的学生具备竞争能力。