采用多课程综合教学模式的尝试

魏 衡 华， 常 国 栋

(中国科学技术大学自动化系，安徽 合肥  230027)

    摘  要：如何把计算机原理、算法语言、自动化元件和自动控制原理等多门

课程有机地结合在一起？我们的做法是，用多功能机器人把机电一体化的相关技术贯穿在一台小型实验设备上，再用多功能机器人装置对以上课程中的知识进行分步，实际演练，以培养学生的实际动手能力，打破了以往单科学习、分项实验的旧模式。

    关键词：传感器技术；机器人装置；计算机控制

中图分类号： G420        文献标识码： A

An Experiment with an Integrated Approach to the Teaching of Multiple Courses

WEI Heng-hua, CHANG Guo-dong

(University of Science and Technology of China, Hefei, Anhui 230026)

    Abstract:  How can courses such as computer fundamentals, computational language, automatic elements and fundamentals of automatic control be integrated optimally? Our method is to demonstrate related mechanic and electric technologies on a small experimental installation by employing a multi-function robot, which is used for teaching and practicing items of knowledge and relevant skills contained in the above courses. This approach has greatly helped train students hands-on skills and is superior to the old single-course, itemized-experiment method.

Key words:  sensor technology; robotic installation; computer control

    国内各工科院校的许多专业的教学几乎全都是单科学习、分项实验，因而各实验课程之间缺乏统一的联系。以中国科学技术大学自动化系为例，许多学生进校时，对自动化控制的应用前景、对本专业知识面和较高的贯通性要求等不甚了解。有的对计算机软件或硬件固然有兴趣，又往往沉迷于网络和计算机游戏而不能自拔；有的因理论和实际严重脱节，从而使专业兴趣和潜力没能得到有效的引导和开发。由于低年级学生没有传感器、执行器方面的知识，许多实验做不了；高年级学生虽然学习了许多书本知识，但动手机会太少，许多知识仍停留在书本上，加上有的学生考G、考托和考研，没有时间动手做实验。在科技发展突飞猛进的今天，我们认为这种状况再也不能继续下去了。经过调研考察，我们发现有关机器人教学器材能创造动手机会，有助于激发学生专业学习的兴趣，培养学生独立开展科学研究的能力，很适合教学之用。这些器材中包含了声、光、电、磁、位置、触觉等传感器，电动、气动执行元件，可以构成机器人物件搬运、机械零件加工、装配、生产流水线、物体分拣、昆虫爬行、舞蹈等。这种寓教于乐的实验方式可以打破以往机、电、计算机、自动控制原理等课程分头教学、分项实验的传统，既可供低年级学生进行计算机语言训练，又为高年级学生作各种创新实验提供了广阔的空间。用多功能机器人配合计算机基础课进行教学，是一种教学的改革和创新，它将改变计算机类课程实验的教学模式。

一、多课程综合教学模式的内容和目标

    科学技术的高速发展给人类社会带来了深刻的变化,在培养人才方面,学校不能只是被动地适应目前社会的生存方式，而应当着眼于未来，为明天的社会培养最合适的人才。我们必须经常了解社会的发展变化，让学生掌握能适应未来需要的知识和技能。因为机器人技术将在人类社会的未来生活中扮演十分重要和不可缺少的角色。如果现在的学生具有了这方面的素质，他们将在未来社会中更易适应各种技术革新，也更易在未来的信息时代获得成功。多功能机器人装置里包含有各方面的新知识和新技术，因而可以把计算机原理、算法语言、计算机接口、传感器原理与技术、自动控制原理等多种课程的知识有机地结合在一起。其具体措施是：用多功能机器人装置对以上课程中的知识进行分步，实际地演练，它可使学生易于理解和接受，并产生浓厚的学习兴趣，以此达到掌握知识点的目的。其目的是通过多功能机器人装置的实验活动，教会学生如何与他人合作，如何选择吸收令人真伪难辨的信息，如何作批评性的创造性的思考，如何使用五花八门的技术工具等等。在实验活动中让学生明白，知识和经验能创造和提升价值，从而激发学生的求知欲，使学生树立坚持不懈的求学精神，不断发现新东西、得出新结论,并进一步付诸实际行动。

多功能机器人是一种教学实验设备，集机、电、气、计算机控制为一体，体现了信息、自控、计算机等多学科互相结合、互相渗透的特点。所以我们认为多功能机器人是自控专业开设综合性系统实验的一台有效的教学实验设备，不仅技术含量高，而且具有容纳多项实验、培养学生综合工作能力的特点。

二、多课程综合教学模式产生的结果

    1. 有助于激发学生的学习兴趣

兴趣是学习的动力，但利用以往的媒介很难使初学者看到程序设计应用的效果而体验成功的乐趣，将智能机器人作为学习的载体，会从根本上解这一问题。人类可通过计算机程序将智慧赋予机器人，即由多功能机器人成为学习计算机程序设计的理想载体。利用机器人载体这很容易使初学者看到程序设计应用的效果，从而体验成功的乐趣。在编写程序的实验过程中，学生会获得成功的喜悦，从而激发学习的兴趣。多功能机器人可把工厂生产自动化的基本模式、生动的音乐舞蹈和丰富多样的物料搬运结合起来，既生动形象，又展现了当今机电一体化的发展方向。它在演示实验中展现的具有一定深度的计算机控制技术对学生产生了相当的吸引力，尤其对计算机情有独钟的当代学生来说，这无疑是让他们发挥特长、展露才华的好场所。

2. 促进单个训练与综合设计的统一

打破按课程设立实验室的框框，把计算机原理、算法语言、自动化元件和自动控制原理有机地结合起来，将控制电机、单片机、技能训练和控制系统实验有机合并，构建自动化系实验中心室，保留必要的基础性实验，精简内容单一的验证性实验，增加知识面广的综合性、设计性和创新性实验，既可满足各自课程单独开设实验之需，又可满足符合现代工业、科学技术水平要求的综合性实验之需。

3. 有利于实验教学与科研相融合

多功能机器人实验使学生对程序设计的学习与对信息技术的前沿知识的了解紧密地结合在一起。多功能机器人融合了机械、电子、传感器、计算机软硬件和人工智能等众多先进技术，所以它可以成为综合能力培养的平台。机器人技术融合了当今科技成果，许多先进的控制算法都可引入到机器人实验研究中。机器人的应用领域不断扩大，从工业走向农业和服务业，从产业走进医院和家庭，从陆地潜入水下和飞往空间，展示出了它们的无穷魅力，而这些科研成果都可为教学实验之用。

4. 有利于突出创新能力

帮助学生实现知识创新和养成创造性的思维习惯是学校义不容辞的责任。教学的目的是帮助学生把信息转化为知识，进而把知识转化为智慧。如果学生掌握了所学的知识，结合他们所学的其他东西，经过各种思想的不断融合，产生突破性的想法，从而产生智慧，创造出新的知识。多课程综合教学可使学生接触到更多更新的思想和信息。当人们接收的思想和信息十分丰富，并开始从另一视角来看待各种信息、思想和经验时，往往会有突破性的发现与创意。

5. 实现课堂教学与课外科技活动相结合

多功能机器人是现代高科技的集成平台，它集合了机械、电子、传感器、计算机、自动控制、通信、人工智能等当代先进技术。智能机器人竞赛等课外科技活动极富挑战性，可训练学生的动手动脑能力、综合能力、创造能力和协作能力等。

6. 有利于树立系统工程概念

机器人是典型的机电一体化装置，它不是机械、电子的简单组合，而是机械、电子、控制、检测、通信和计算机的有机融合。通过这门课的学习，使学生对机器人有一个全面、深入的认识。多功能机器人把机电一体化的相关技术贯穿在一台小型实验设备上，将机械、电子、数控、气动、控制系统设计、计算机控制及软件工程有机地联系起来，形成一个具有代表性的系统工程。通过实验，学生不仅可以加深对一门门专业课程的理解，而且很自然地从系统工程的角度参与整个机器人的实验，从而有力地激励学生自觉地自学相关内容，拓宽知识面，寻找知识交叉点。

7. 有利于创造动手机会

机器人的拆装、接线、编程等实验内容，为学生提供了强化动手能力的良好环境。学生在实验中不仅要进行机械装配、电气接线等实际操作，训练了动手能力，而且还可以更详细深入地了解机电系统相关知识的内在联系。事实证明，学生普遍对这类实验表现出极大的热情，特别是当自己动手组装和集成的系统运行成功时，就更加增强了学生的成就感和学习欲望。这说明实际操作训练对工科学生的培养是很有必要的。

在因许多高校扩招而实验教学质量下滑的情况下，我们更需要通过实验课的教学改革以弥补不足。把栩栩如生的多功能机器人作为实验研究，其目的就是为学生创造良好的实验教学环境，以增加学生的学习兴趣，给学生提供更多的锻炼机会。目前，我系己经有两届学生参与了这项改革实验，收到了良好的效果。