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MATLAB 语言在“工业机器人”课程教学实践中的应用研究
摘要：针对“工业机器人”课程传统教学方法存在教学手段单一、学习效果差等弊端，在新的课堂教学和综合作业中引入MATLAB语言。通过斯坦福机器人运动学求解等两个教学案例的实施，结果表明，使用MATLAB语言教学，具有模型和运动轨迹可视化程度高、复杂数学模型快速计算和动画模拟等优点。利用统计软件分析传统教学与使用MATLAB语言教学方法的教学效果，结果表明，使用MATLAB语言教学，具有显著性差异，学生考试成绩提高明显。MATLAB语言的引入，有利于培养学生解决复杂工程问题的创新能力，为后续该课程的教学反思和改进提供理论指导。
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“工业机器人”课程是本科院校机器人工程、机械设计制造及自动化和人工智能等诸多专业的重要基础课之一。该课程授课内容包含工业机器人运动学、静力计算及动力学分析、控制和轨迹规划与编程等。传统教学存在一些问题：教师教学方法单一，模型可视化程度不够、复杂数学模型运算困难、学生理解困难，学习积极性不高，学生创新能力欠缺，教学效果不佳等[1,2,3]。这些缺点严重影响了课程目标的达成，难以满足工程教育认证要求。
MATLAB语言具有丰富功能，提供了诸多操作和转换的函数[4],不仅包含专门用于机器人仿真的模块，如机器人建模、轨迹规划、控制、可视化等[5,6],而且拥有强大的科学运算，灵活的程序设计流程，简洁和智能化，适用于学生的思维方式和编程习惯，从而使得编程和调试效率大大提高[7,8,9]。
基于此，“工业机器人”课程的课堂教学和综合作业环节引入MATLAB语言，鼓励学生在综合作业中使用MATLAB语言进行编程，旨在培养学生创新意识和解决复杂问题的思维方式。使用统计软件分析MATLAB语言教学方法与传统教学的教学效果，为后续该课程的教学反思和改进提供理论指导。
1、使用MATLAB语言的复杂运算教学案例
“工业机器人”课程教学不仅需要注重理论知识的传授，还要强调快速解决复杂数学模型问题能力的培养，因此引入MATLAB语言成为该课程教学的必然选择[10,11]。
例1:在MATLAB工作空间(workspace)中已有一斯坦福机器人模型，名为“stanf”,初始状态角度“qz=[0 0 0 0 0 0]”,第一组期望关节参数为q1=[pi/2 pi/4 10 0 -pi/2 0]; 第二组期望关节参数为q2 = [0 -pi/4 15 0 -pi/2 0]。
(1)求两组的关节运动轨迹；
(2)在获取(1)中运动轨迹的基础上进行运动学正解；
(3)选取(2)中第三个末端执行器的位姿矩阵进行运动学反解。
使用MATLAB语言编写程序如下：
(1)mdl_stanford
(2)输入运动学fkine函数即可得到正解：
(3)输入运动学ikine函数即可得到第三末端执行器反解：
斯坦福机器人模型如图1所示：
图1 斯坦福机器人模型示意图
相较于使用MATLAB语言快速解决复杂运算的教学，传统教学需要在黑板上大量人工计算，往往耗时费力且容易出错。利用MATLAB语言进行教学可以帮助学生更好解决复杂的数学运算，提高学生快速解决问题能力，学生可迅速获取工业机器人各种控制器的位置姿态和坐标变化，成为老师和学生快速理解机器人空间坐标变化的首选工具。学生通过MATLAB语言可轻松地建立机器人运动控制算法，并进行仿真和调试。总之，引入MATLAB语言教学为“工业机器人”课程带来了快速解决复杂数学模型运算的优势，为学生提供了更好的学习体验。
2、使用MATLAB语言的轨迹仿真和动画演示教学案例
在“工业机器人”课程教学过程中，引入MATLAB语言的轨迹仿真和动画演示教学是提高学生学习效果的重要途径之一。
例2:已知一个三自由度平面机器人，设定其各个关节的取值范围，绘制出末端执行器的工作空间。
使用MATLAB语言编写程序如下：
q=jtraj(q1,q6,0:0.1:2);%构建运动轨迹，如图2所示
JTA=transl(R.fkine(q));
plot2(JTA,'b')%定义机器人关节连杆参数，默认为标准DH参数，如表1所示
图2 绘制出末端执行器的工作空间
表1 三自由度平面机器人标准D-H参数
由表1和图2可知，利用五次多项式拟合，得到关节角度、角速度、角加速度等轨迹曲线，同时生成手部作业空间的运动范围动画。相对于传统教学模式，使用MATLAB语言的可视化和动画演示教学，可以通过视觉和实时反馈更为直观地观察工业机器人物理量的空间坐标变化和手部运动范围。利用MATLAB语言进行轨迹仿真、可视化和动画演示教学，有助于拓展学生思维、开阔视野以及培养解决工程问题的能力，激发学习兴趣和创新能力，寓教于形，学生上课注意力集中，实现MATLAB语言与专业知识的融合。
3、教学效果分析
基于MATLAB语言的“工业机器人”课程的模型可视化，复杂运动学和动力学问题计算以及轨迹仿真和动画演示的教学设计有利于培养学生的解决实际能力和创新能力[12,13,14]。利用SPSS26.0软件统计分析传统教学和引入MATLAB语言教学的学生成绩，评估两种教学方法的教学效果。
选取机械制造专业20级的168名学生，来自2个教学班，每个班84人，分为两组，每个教学班为一组。其中一组作为观察组，采用MATLAB语言教学方法；另一组作为对照组，采用传统教学方法。
3.1 正态检验
在进行单独样本T检验之前，首先需要检验学生成绩是否服从正态分布。在SPSS软件中，选择单样本K-S,正态性检验结果表明，P传统教学方法=0.080>0.05,PMATLAB教学方法=0.200>0.05,即两组学生的成绩均服从正态分布。
3.2 差异分析
由于两种教学方法下学生成绩均服从正态分布，则采用独立样本T检验。部分数据文件如表2所示。
表2 部分数据文件
由统计量分析可知，采用MATLAB语言教学方法的学生平均成绩较传统教学方法提高了近5%(置信空间为95%),表明实施MATLAB语言教学方法具有较好的教学效果。
独立样本T检验过程中所得F值为0.325, P值为0.0569,略大于0.05的显著性水平。可以认为两组不同教学方式下，学生成绩的总体方差并未呈现显著性差异，即通过了Levene方差齐性检验。
由于两种教学方法下学生成绩的方差并未呈现显著性差异，因此适合选择方差齐性假设成立的情况下的T检验结果，该结果中第六列的双侧概率P值低于0.05,在显著性水平为0.05的条件下，表明两组教学方法下的成绩总体均值有统计学差异。MATLAB教学方法组的成绩均值为80.29大于传统教学方法均值为76.48,差别明显。
图3 教学成绩占比图
图4 传统教学与MATLAB教学下学生成绩分布图
A代表小于60分,B代表60-69分,C代表70-79分,D代表80-89分,E代表大于等于90分
进一步研究发现，如图3和图4所示，采用传统教学方法学生成绩主要分布在70-79分段，而采用MATLAB教学方法学生成绩主要分布在80-89分段； 80-89分和大于等于90分中高分段人数百分比，MATLAB教学相较于传统教学取得了显著提高，尤其是在80-89分段，MATLAB教学方法下学生比例为51.19%,而传统教学方法则为34.52%,相比之下提高了16.67%。同时，基于MATLAB语言教学方法，学生及格率达到了100%。结果表明，MATLAB教学方法有助于学生对专业知识的理解，极大地提高了学生整体成绩。
4、结论
1)MATLAB语言在数据处理、曲线绘制和图像显示等领域展现出强大的功能。在教学方面，通过改革教学方法、丰富教学内容等措施，提高“工业机器人”课程的教学质量，激发学生学习兴趣，增强其创新能力，进而更好地达成课程目标，满足工程教育认证要求。
2)MATLAB语言展示了在工业机器人仿真和分析方面的应用前景。与传统教学方式相比，利用MATLAB语言编写操作界面和模型演示功能可以提高模型和轨迹运动的可视化，快速解决复杂运动学和动力学计算，拓展学生思维意识，开阔学生视野，为培养学生解决复杂工程问题提供技术支持。
3)对比MATLAB语言教学和传统教学，利用SPSS软件评价教学效果，可以得到，学生成绩的总体均值有显著性差异，MATLAB语言教学效果大于传统教学；在引入MATLAB语言教学模式下，学生80-89分段的成绩占比相较于传统教学模式有较大提升，且及格率为100%。结果表明，MATLAB教学模式确实提高了学生的学习积极性和考试成绩。
4)在后续教学过程中，可结合现代教育技术手段，如在线仿真实验和虚拟实验，提供更丰富的教学手段，深化学生对课程内容的理解和掌握。
参考文献:
[1]贾蒙蒙.新媒体时代下的工业机器人课堂教学思考与探索[J].南方农机,2020,51(02):90.
[2]阚延鹏,方传智.基于项目教学法的《工业机器人设计》课程教学研究[J].办公自动化,2023,28(22):39-42.
[3]吴巧云,曹翔,周云虎.新工科背景下机器人工程导论课程教学改革研究[J].高教学刊,2023,9(34):124-128.
[4]刘元坤,陈文静,张启灿,等.面向“新工科”建设的项目导向MATLAB教改实践[J].工业和信息化教育,2024(03):75-79.
[8]刘瑞芳,孙勇.基于问题导向的人工智能应用案例式教学[J].计算机教育,2023(06):203-208.
[10]段晋军,朱瑶丽,赵铮,等.基于项目式教学的机器人工程专业教学改革探索与实践[J].工业和信息化教育,2023(05):36-40.
[12]殷欣,吴伟才,张倩.新工科背景下应用型本科院校“工业机器人”实训课程教学改革探索与实践[J].智能制造,2024(01):124-128.
[13]林健.新工科专业课程体系改革和课程建设[J].高等工程教育研究,2020(01):1-13.
[14]梁一江.论项目导向教学法在工业机器人技术课程中的应用[J].办公自动化,2021,26(22):63-64.
基金资助:安徽省课程思政示范课程项目(2021kcszsfkc043);学校创新创业教育实施方案与路径研究(2021jyxm0124);安徽省产业学院与特色学院项目(2022cyts003);
文章来源:韦山,许成涛,赵转哲,等.MATLAB 语言在“工业机器人”课程教学实践中的应用研究[J].佳木斯大学学报(自然科学版),2024,42(05):164-167.
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期刊名称：上海课程教学研究
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出版地方：上海
专业分类：教育
国际刊号：2096-0875
国内刊号：31-2112/G4
邮发代号：4-911
创刊时间：2015年
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