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摘要:在对“农业机器人”课程教学实践过程中,围绕农业机器人运用实例为课程主线进行教学,合理安排教学课时分配,调整课程教学重点,有机地结合农业机器人理论和实践部分的内容,并对实践环节和考核方式等方面进行了改革和实践,提高了学生的创造能力、分析和解决问题的能力,效果良好。对“农业机器人”课程本科教材做出了编写规划。
关键词:农业机器人;教学改革;教材建设
作者简介:姬江涛(1965-),男,河南偃师人,河南科技大学车辆与动力工程学院,教授,河南科技大学教务处副处长,主要研究方向:智能农业装备技术;李玉柱(1977-),男,吉林德惠人,河南科技大学车辆与动力工程学院,讲师,主要研究方向:农业装备仿生理论与节能技术研究。(河南 洛阳 471003)
基金项目:本文系河南科技大学教育教学改革项目(项目编号:2009Y-008)的研究成果。
科学技术的新发展促成了现代化的农业生产模式,即形成了一个以作物栽培为基础,以生物技术为先导,集机械化作业、自动化栽培设施、人工可控环境等尖端技术为一体的新型农业。农业机械化及其自动化专业毕业生作为现代农业生产及机械化领域的生力军,掌握农业机械领域最新技术非常重要。[1]在诸多专业课中,“农业机器人”是农业机械领域最新技术水平的代表性课程,因此,进行“农业机器人”课程教学与教材建设研究具有重要意义。
一、课程内容简介
“农业机器人”是一门系统性讲授农业机器人原理及应用的一门课程,是农业机械化及其自动化专业及其他自动化类专业课程体系中一门重要的专业课,属于农业工程领域的一门前沿课程。[2]通过这门课程的学习,使学生了解到农业机器人的分类、结构和工作原理,对农业机器人的运动学、动力学、传感技术、驱动技术、控制技术有初步了解,对农业设施机器人(嫁接机器人、插枝机器人、番茄收获机器人、黄瓜收获机器人、茄子收获机器人、草莓收获机器人、植物工厂作业机器人等)、大田生产机器人(葡萄收获机器人、柑橘类收获机器人、苹果收获机器人、西瓜收获机器人、甘蓝收获机器人、植保机器人等)和农产品加工机器人(肉类加工机器人、挤奶机器人、剪羊毛机器人)等农业机器人的作业特点和作业原理有初步了解。该课程以“自动控制理论”、“复变函数与积分变换”、“机器人技术”等为先修课程,同时开设的课程有“过程控制系统”、“运动控制系统”、“单片机原理”、“现代控制理论”等课程。这门课程属于高度交叉的前沿科学,是典型的机电一体化技术系统。它涉及机械学、电子工程学、计算机科学与工程、控制论与控制工程学、人工智能、仿生学、人类学等众多领域,内容丰富,为了在有限的学时中能够尽快引导学生入门,在理论分析与实践两个方面的能力都有所提高,笔者从课程内容体系安排、教学方式和教材建设等方面进行了一定的探索和研究。
二、课程教学内容
本课程主要从农业机器人的分类、农业机器人的组成(包括驱动系统、机械系统、感知系统、人机交互系统、机器人-环境交互系统、控制系统等六个子系统)、农业机器人的结构与工作原理,对不同应用领域的机器人(包括农业设施机器人、大田生产机器人、农产品加工机器人等)进行分别举例讲解。
1.课程主线的制订
在教学实践中制订了一条课程主线,首先利用4课时讲授通用型农业机器人的组成及原理,然后分门别类对农业设施机器人、大田生产机器人、农产品加工机器人进行分别讲解,从农业机器人作业方式到农业机器人的结构与组成,进而说明农业机器人功能的实现。
2.原理部分的内容安排
鉴于对先修课程的考虑,农业机器人原理部分利用6课时授课。从本质上说明农业机器人和农业机械的区别、农业机器人的分类方法、农业机器人的发展现状,使学生对农业机器人方面有一个宏观地了解。农业机器人的运动学与动力学部分属于通用机器人技术的内容,在这里做概括性说明。着重讲述农业机器人的作业特点:通常情况下,农业机器人比通用的机器人具有更复杂的作业环境,恶劣的作业工况及更高的作业精度,从专业的角度讲,农业机器人是更高级别的智能化机器人。
其内容安排有:农业机器人的发展史、定义及分类;农业机器人的研究内容;农业机器人的基本构成及主要技术参数;机器人的手部、腕部、臂部与机器人的机身与行走机构;机器人运动学、齐次坐标与动系位姿矩阵、农业机器人的运动学方程的建立与求解;农业机器人动力学。
3.通用技术部分内容安排
农业机器人通用技术部分利用6课时对学生授课。主要讲授各种技术在农业机器人中的具体应用,使农业机器人具备了感知系统、驱动系统、控制系统等。通过这部分的学习,既可以使学生了解农业机器人各个系统的构成及工作原理,又能使学生了解各种各样的新技术、新材料在农业机器人中的应用,给日后农业机器人设计提供理论基础及广阔的思维空间。[3]
其内容安排有:机器人常用传感器及其分类、传感器的要求与选择、内部传感器与外部传感器;电液伺服驱动系统、气压驱动系统、电气驱动、新型驱动器;机器人控制方式的分类、位置控制、运动轨迹规划、智能控制;通过实践环节对农业机器人各种零部件的观察与实验,深入了解各种通用技术在农业机器人中的应用。
4.分类讲解部分内容安排
此部分内容为本课程教学的重点,利用16学时进行授课。通过对农业设施机器人、大田生产机器人、植物保护机器人、农产品加工机器人等内容进行详细的分类讲解,使学生切实了解到各类农业机器人在实际生产中的巨大作用。
其内容安排有:蔬菜嫁接机器人、花卉插枝机器人、番茄收获机器人、黄瓜收获机器人、茄子收获机器人、草莓收获机器人;葡萄收获机器人、柑橘类收获机器人、苹果收获机器人、西瓜收获机器人、甘蓝收获机器人;农药喷洒机器人、施肥机器人、除草机器人;肉类加工机器人、挤奶机器人、剪羊毛机器人、烟叶分级机器人等。[4]
通过上述实例的讲解,使学生了解各种农业机器人的通用性与专用性,其触觉、听觉、视觉、味觉、嗅觉、末端执行单元上的具体差别。
三、课堂教学改革
在课堂教学的过程中,突破传统的板书、挂图、多媒体等单一的教学方式,将机器人模型带到课堂上,利用板书对其重要组成部分进行详细的列举和讲解,利用多媒体课件对其内部的组成和结构、原理与实现进行生动的讲解和演示;学生可以自己尝试将机器人运动规划程序进行修改,使机器人模型作出预定的动作。通过传统与现代的教学手段相结合、理论与实践动手能力的并重培养,大大激发了学生学习本课程的积极性,课堂气氛十分活跃。
四、教学效果
1.课堂和实践课教学效果
通过教学设计和教学实践,学生在课堂上积极主动地进行思考和回答问题,对学习充满了兴趣,主动查阅参考书目提出问题。利用这种方式收到了比较好的教学效果,在学生的课余实践中,通过自制机器人参加大学生训练计划(SRTP)并顺利结题,在学生毕业设计选题时,农业机器人类的题目受到学生们的普遍青睐,农业机器人类的学生毕业论文在论文答辩时也受到了本专业教师的好评,取得了优秀的成绩。
2.课程考核反馈教学效果
课程考核采用分组大作业的形式进行,从交上来的64份大作业中,学生在选题上发挥了主观能动性,选题范围比较宽,如月球探测车、马铃薯收获机器人、喷火除草机器人、自动喷水机器人、水稻田机器人行走平台等,涉及到本课程方方面面的内容。学生通过实际的设计和动手组装,熟悉了对农业机器人的工艺流程设计、总体方案确定、分功能的实现等较系统的机器人设计方法训练。学生在查阅资料完成大作业的过程中,不仅巩固了课堂和教材上的内容,还能主动提出现有农业机器人的改进设计方案,例如利用GPS技术代替地磁传感器、 利用液压系统控制田间机器人的自平衡能力等。这种考核方式使学生在学习过程中发挥了主体作用,提高了综合分析能力和创新能力。
五、教材建设
由于本课程尚未有配套教材,一直用自编讲义上课,不断有新内容补充,经过两年来的努力,由本教研组编写的课程配套教材《农业机器人原理与技术》近期将由电子工业出版社出版。该自编教材紧扣学生的先修课程特点,对课程的内容进行必要的补充,增强了本教材的完整性、系统性与可读性。
参考文献:
[1]徐丽明.生物生产系统机器人[M].北京:中国农业大学出版社,2008.
[2]芮延年.机器人技术及其应用[M].北京:化学工业出版社,2008.
[3][日]近藤直,门田充司,野口伸共.农业机器人I·基础与理论[M].乔军,陈兵旗,译.北京:中国农业大学出版社,2009.
[4][日]近藤直,门田充司,野口伸共.农业机器人II·机构与实例[M].乔军,陈兵旗,译.北京:中国农业大学出版社,2009.
(责任编辑:苏宇嵬)
关键词:农业机器人;教学改革;教材建设
作者简介:姬江涛(1965-),男,河南偃师人,河南科技大学车辆与动力工程学院,教授,河南科技大学教务处副处长,主要研究方向:智能农业装备技术;李玉柱(1977-),男,吉林德惠人,河南科技大学车辆与动力工程学院,讲师,主要研究方向:农业装备仿生理论与节能技术研究。(河南 洛阳 471003)
基金项目:本文系河南科技大学教育教学改革项目(项目编号:2009Y-008)的研究成果。
科学技术的新发展促成了现代化的农业生产模式,即形成了一个以作物栽培为基础,以生物技术为先导,集机械化作业、自动化栽培设施、人工可控环境等尖端技术为一体的新型农业。农业机械化及其自动化专业毕业生作为现代农业生产及机械化领域的生力军,掌握农业机械领域最新技术非常重要。[1]在诸多专业课中,“农业机器人”是农业机械领域最新技术水平的代表性课程,因此,进行“农业机器人”课程教学与教材建设研究具有重要意义。
一、课程内容简介
“农业机器人”是一门系统性讲授农业机器人原理及应用的一门课程,是农业机械化及其自动化专业及其他自动化类专业课程体系中一门重要的专业课,属于农业工程领域的一门前沿课程。[2]通过这门课程的学习,使学生了解到农业机器人的分类、结构和工作原理,对农业机器人的运动学、动力学、传感技术、驱动技术、控制技术有初步了解,对农业设施机器人(嫁接机器人、插枝机器人、番茄收获机器人、黄瓜收获机器人、茄子收获机器人、草莓收获机器人、植物工厂作业机器人等)、大田生产机器人(葡萄收获机器人、柑橘类收获机器人、苹果收获机器人、西瓜收获机器人、甘蓝收获机器人、植保机器人等)和农产品加工机器人(肉类加工机器人、挤奶机器人、剪羊毛机器人)等农业机器人的作业特点和作业原理有初步了解。该课程以“自动控制理论”、“复变函数与积分变换”、“机器人技术”等为先修课程,同时开设的课程有“过程控制系统”、“运动控制系统”、“单片机原理”、“现代控制理论”等课程。这门课程属于高度交叉的前沿科学,是典型的机电一体化技术系统。它涉及机械学、电子工程学、计算机科学与工程、控制论与控制工程学、人工智能、仿生学、人类学等众多领域,内容丰富,为了在有限的学时中能够尽快引导学生入门,在理论分析与实践两个方面的能力都有所提高,笔者从课程内容体系安排、教学方式和教材建设等方面进行了一定的探索和研究。
二、课程教学内容
本课程主要从农业机器人的分类、农业机器人的组成(包括驱动系统、机械系统、感知系统、人机交互系统、机器人-环境交互系统、控制系统等六个子系统)、农业机器人的结构与工作原理,对不同应用领域的机器人(包括农业设施机器人、大田生产机器人、农产品加工机器人等)进行分别举例讲解。
1.课程主线的制订
在教学实践中制订了一条课程主线,首先利用4课时讲授通用型农业机器人的组成及原理,然后分门别类对农业设施机器人、大田生产机器人、农产品加工机器人进行分别讲解,从农业机器人作业方式到农业机器人的结构与组成,进而说明农业机器人功能的实现。
2.原理部分的内容安排
鉴于对先修课程的考虑,农业机器人原理部分利用6课时授课。从本质上说明农业机器人和农业机械的区别、农业机器人的分类方法、农业机器人的发展现状,使学生对农业机器人方面有一个宏观地了解。农业机器人的运动学与动力学部分属于通用机器人技术的内容,在这里做概括性说明。着重讲述农业机器人的作业特点:通常情况下,农业机器人比通用的机器人具有更复杂的作业环境,恶劣的作业工况及更高的作业精度,从专业的角度讲,农业机器人是更高级别的智能化机器人。
其内容安排有:农业机器人的发展史、定义及分类;农业机器人的研究内容;农业机器人的基本构成及主要技术参数;机器人的手部、腕部、臂部与机器人的机身与行走机构;机器人运动学、齐次坐标与动系位姿矩阵、农业机器人的运动学方程的建立与求解;农业机器人动力学。
3.通用技术部分内容安排
农业机器人通用技术部分利用6课时对学生授课。主要讲授各种技术在农业机器人中的具体应用,使农业机器人具备了感知系统、驱动系统、控制系统等。通过这部分的学习,既可以使学生了解农业机器人各个系统的构成及工作原理,又能使学生了解各种各样的新技术、新材料在农业机器人中的应用,给日后农业机器人设计提供理论基础及广阔的思维空间。[3]
其内容安排有:机器人常用传感器及其分类、传感器的要求与选择、内部传感器与外部传感器;电液伺服驱动系统、气压驱动系统、电气驱动、新型驱动器;机器人控制方式的分类、位置控制、运动轨迹规划、智能控制;通过实践环节对农业机器人各种零部件的观察与实验,深入了解各种通用技术在农业机器人中的应用。
4.分类讲解部分内容安排
此部分内容为本课程教学的重点,利用16学时进行授课。通过对农业设施机器人、大田生产机器人、植物保护机器人、农产品加工机器人等内容进行详细的分类讲解,使学生切实了解到各类农业机器人在实际生产中的巨大作用。
其内容安排有:蔬菜嫁接机器人、花卉插枝机器人、番茄收获机器人、黄瓜收获机器人、茄子收获机器人、草莓收获机器人;葡萄收获机器人、柑橘类收获机器人、苹果收获机器人、西瓜收获机器人、甘蓝收获机器人;农药喷洒机器人、施肥机器人、除草机器人;肉类加工机器人、挤奶机器人、剪羊毛机器人、烟叶分级机器人等。[4]
通过上述实例的讲解,使学生了解各种农业机器人的通用性与专用性,其触觉、听觉、视觉、味觉、嗅觉、末端执行单元上的具体差别。
三、课堂教学改革
在课堂教学的过程中,突破传统的板书、挂图、多媒体等单一的教学方式,将机器人模型带到课堂上,利用板书对其重要组成部分进行详细的列举和讲解,利用多媒体课件对其内部的组成和结构、原理与实现进行生动的讲解和演示;学生可以自己尝试将机器人运动规划程序进行修改,使机器人模型作出预定的动作。通过传统与现代的教学手段相结合、理论与实践动手能力的并重培养,大大激发了学生学习本课程的积极性,课堂气氛十分活跃。
四、教学效果
1.课堂和实践课教学效果
通过教学设计和教学实践,学生在课堂上积极主动地进行思考和回答问题,对学习充满了兴趣,主动查阅参考书目提出问题。利用这种方式收到了比较好的教学效果,在学生的课余实践中,通过自制机器人参加大学生训练计划(SRTP)并顺利结题,在学生毕业设计选题时,农业机器人类的题目受到学生们的普遍青睐,农业机器人类的学生毕业论文在论文答辩时也受到了本专业教师的好评,取得了优秀的成绩。
2.课程考核反馈教学效果
课程考核采用分组大作业的形式进行,从交上来的64份大作业中,学生在选题上发挥了主观能动性,选题范围比较宽,如月球探测车、马铃薯收获机器人、喷火除草机器人、自动喷水机器人、水稻田机器人行走平台等,涉及到本课程方方面面的内容。学生通过实际的设计和动手组装,熟悉了对农业机器人的工艺流程设计、总体方案确定、分功能的实现等较系统的机器人设计方法训练。学生在查阅资料完成大作业的过程中,不仅巩固了课堂和教材上的内容,还能主动提出现有农业机器人的改进设计方案,例如利用GPS技术代替地磁传感器、 利用液压系统控制田间机器人的自平衡能力等。这种考核方式使学生在学习过程中发挥了主体作用,提高了综合分析能力和创新能力。
五、教材建设
由于本课程尚未有配套教材,一直用自编讲义上课,不断有新内容补充,经过两年来的努力,由本教研组编写的课程配套教材《农业机器人原理与技术》近期将由电子工业出版社出版。该自编教材紧扣学生的先修课程特点,对课程的内容进行必要的补充,增强了本教材的完整性、系统性与可读性。
参考文献:
[1]徐丽明.生物生产系统机器人[M].北京:中国农业大学出版社,2008.
[2]芮延年.机器人技术及其应用[M].北京:化学工业出版社,2008.
[3][日]近藤直,门田充司,野口伸共.农业机器人I·基础与理论[M].乔军,陈兵旗,译.北京:中国农业大学出版社,2009.
[4][日]近藤直,门田充司,野口伸共.农业机器人II·机构与实例[M].乔军,陈兵旗,译.北京:中国农业大学出版社,2009.
(责任编辑:苏宇嵬)