李春玲 楊萍 鄭海霞 張淑珍

摘 要 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)在實(shí)踐教學(xué)中要求實(shí)施“基礎(chǔ)-綜合-系統(tǒng)-創(chuàng)新”的培養(yǎng)體系，才能不斷適應(yīng)社會(huì)需求。本文分析了當(dāng)前機(jī)器人技術(shù)教育教學(xué)中存在的問(wèn)題，積極探索實(shí)踐教學(xué)模式，實(shí)施機(jī)器人技術(shù)課程項(xiàng)目式教學(xué)，以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用課程的教育教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞 工業(yè)機(jī)器人 項(xiàng)目式教學(xué) 機(jī)器人大賽

中圖分類號(hào)：G642 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ?DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2020.09.030

Abstract With the continuous development of "system based technology"， robot technology can adapt to the needs of society. This paper analyzes the problems existing in the current robot technology education and teaching， actively explores the practical teaching mode， implements the project-based teaching of robot technology course， in order to stimulate students' interest in learning and improve the teaching quality of robot technology and application course.

Keywords industrial robot; project teaching; robot competition

0 概述

近年來(lái)，智能制造在世界各國(guó)獲得了迅速發(fā)展， 機(jī)器人技術(shù)作為制造領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)技術(shù)，其發(fā)展代表了一個(gè)國(guó)家人工智能的水平，社會(huì)對(duì)高層次機(jī)器人工程師的人才需求也越來(lái)越迫切。因此，機(jī)器人技術(shù)的教育教學(xué)也成為高等教育的重點(diǎn)關(guān)注之一。[1-3]目前，機(jī)器人技術(shù)呈現(xiàn)出“應(yīng)用領(lǐng)域廣泛、專業(yè)知識(shí)多樣、設(shè)計(jì)精細(xì)化要求高、仿生高科技難”的趨勢(shì)。[4]國(guó)內(nèi)外許多高校都開(kāi)設(shè)了機(jī)器人專業(yè)，相關(guān)機(jī)械專業(yè)開(kāi)設(shè)了機(jī)器人方面的課程，傳統(tǒng)教學(xué)講授模式枯燥無(wú)味，已經(jīng)不能完全符合新時(shí)期人才培養(yǎng)需求。如何培養(yǎng)符合新時(shí)代產(chǎn)業(yè) “知識(shí)型、技能型、創(chuàng)新型”要求的機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用高素質(zhì)技能人才成為最為緊迫目標(biāo)。本文以機(jī)器人課程實(shí)驗(yàn)、全國(guó)大學(xué)生機(jī)器人競(jìng)賽作為實(shí)踐環(huán)節(jié)訓(xùn)練平臺(tái)，對(duì)機(jī)器人技術(shù)課程教學(xué)采用項(xiàng)目式教學(xué)。通過(guò)本課程的教學(xué)，使學(xué)生在熟悉機(jī)器人理論知識(shí)的同時(shí)，重點(diǎn)是多學(xué)科知識(shí)的綜合應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用能力，達(dá)到機(jī)械設(shè)計(jì)及制造自動(dòng)化專業(yè)人才培養(yǎng)要求。

1 機(jī)器人技術(shù)教育教學(xué)中存在的問(wèn)題

（1）機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)復(fù)雜，難以全面掌握。機(jī)器人技術(shù)課程主要內(nèi)容包括：機(jī)械系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、軌跡規(guī)劃以及控制等，涉及基礎(chǔ)課程：機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械制造，電子電路技術(shù)、自動(dòng)控制原理、傳感器技術(shù)等。在教學(xué)時(shí)間內(nèi)，如果學(xué)生跨學(xué)科知識(shí)結(jié)構(gòu)不全，難以全面掌握。對(duì)于機(jī)械類的學(xué)生來(lái)說(shuō)，自動(dòng)控制、機(jī)器人編程等基礎(chǔ)知識(shí)較為薄弱，當(dāng)學(xué)生主動(dòng)性不強(qiáng)時(shí)，就導(dǎo)致學(xué)生對(duì)課程的學(xué)習(xí)失去積極性。

（2）機(jī)器人技術(shù)理論教學(xué)抽象枯燥，難以調(diào)動(dòng)學(xué)生積極性。機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)模型的建立較為復(fù)雜，以及抽象的微分運(yùn)動(dòng)分析等，很容易讓學(xué)生望而卻步，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)用來(lái)解決位置控制問(wèn)題，而動(dòng)力學(xué)研究機(jī)器人運(yùn)動(dòng)和機(jī)器人關(guān)節(jié)電機(jī)輸出力之間的關(guān)系。大部分學(xué)生都認(rèn)為只要學(xué)到基本操作知識(shí)就可以，不愿意再深入進(jìn)行設(shè)計(jì)和研究，導(dǎo)致學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力弱，致使教育教學(xué)活動(dòng)氛圍不理想。求解機(jī)器人的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)方程更為復(fù)雜，而這部分知識(shí)也是機(jī)器人課程中必須理解、掌握的重點(diǎn)。

（3）機(jī)器人技術(shù)傳統(tǒng)教學(xué)模式，已不能完全適應(yīng)人才培養(yǎng)模式。目前，機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用采用傳統(tǒng)理論教學(xué)模式，教學(xué)形式單一、枯燥乏味，知識(shí)苦澀難懂，沒(méi)有與之對(duì)應(yīng)的實(shí)踐課程教學(xué)，學(xué)生缺少學(xué)習(xí)興趣和熱情。如果老師本身從學(xué)校畢業(yè)就開(kāi)始任教，沒(méi)有專業(yè)的實(shí)踐工程經(jīng)驗(yàn)，課程教學(xué)脫離實(shí)際工程背景，缺乏對(duì)學(xué)生相關(guān)動(dòng)手操作方面的訓(xùn)練，學(xué)生對(duì)機(jī)器人核心內(nèi)容的理解停留在概念方面。因此，采用傳統(tǒng)的課程教育模式已經(jīng)不能完全適應(yīng)培養(yǎng)高素質(zhì)專門人才。

（4）實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)和實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)基地不足，難以提升學(xué)生創(chuàng)新思維和實(shí)踐能力。機(jī)器人技術(shù)教學(xué)在高校迅速發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)實(shí)驗(yàn)室、實(shí)訓(xùn)基地等實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)嚴(yán)重不足，教學(xué)儀器較少，學(xué)科知識(shí)交叉，學(xué)生的知識(shí)結(jié)構(gòu)不夠全面，致使機(jī)器人技術(shù)尚未形成系統(tǒng)的教學(xué)體系，學(xué)生對(duì)很多概念無(wú)法理解，缺少對(duì)與本課程相關(guān)的其他課程的串聯(lián)和銜接，且課程方案中對(duì)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)突出不足。與一些理論概念課程不同，機(jī)器人技術(shù)是多學(xué)科專業(yè)知識(shí)的綜合，如果學(xué)生缺乏實(shí)踐實(shí)驗(yàn)活動(dòng)的鍛煉，就喪失了真正的教學(xué)意義，無(wú)法通過(guò)實(shí)踐教學(xué)進(jìn)一步理解理論教學(xué)的重難點(diǎn)。在選擇具體的工業(yè)機(jī)器人平臺(tái)實(shí)驗(yàn)時(shí)，應(yīng)該尋求開(kāi)放程度較高的品牌，有助于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

2 機(jī)器人技術(shù)項(xiàng)目式教學(xué)設(shè)計(jì)方案

目前，機(jī)器人技術(shù)呈現(xiàn)出“應(yīng)用領(lǐng)域廣泛、專業(yè)知識(shí)多樣、設(shè)計(jì)精細(xì)化要求高、仿生高科技難”的趨勢(shì)。傳統(tǒng)教學(xué)講授教學(xué)模式枯燥無(wú)味，已經(jīng)不能完全符合新時(shí)期人才培養(yǎng)需求。對(duì)機(jī)器人技術(shù)課程教學(xué)采用項(xiàng)目式教學(xué)，具體做法如下：

2.1 明確機(jī)器人技術(shù)課程教學(xué)目標(biāo)

根據(jù)新時(shí)代產(chǎn)業(yè)對(duì)人才培養(yǎng)的需求，本文結(jié)合本校的實(shí)驗(yàn)以及實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，設(shè)計(jì)項(xiàng)目式教學(xué)任務(wù)，以提高學(xué)生的實(shí)踐能力為核心，制定的主要教學(xué)內(nèi)容如下。

（1）工業(yè)機(jī)器人的認(rèn)知，如工業(yè)機(jī)器人基本參數(shù)組成及技術(shù)參數(shù)，工業(yè)機(jī)器人各組成部分，了解機(jī)器人技術(shù)發(fā)展過(guò)程和前沿技術(shù)，培養(yǎng)學(xué)生積極發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、并初步具有分析問(wèn)題的能力，通過(guò)課堂理論學(xué)習(xí)，使學(xué)生了解機(jī)器人的基本概念，本部分的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容在機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，學(xué)生主要觀察機(jī)器人的組成部分，查看技術(shù)參數(shù)。

（2）掌握工業(yè)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)組成，尤其是典型六自由度關(guān)節(jié)型機(jī)器人的結(jié)構(gòu)特征，以及并聯(lián)機(jī)器人結(jié)構(gòu)，能根據(jù)應(yīng)用要求設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單構(gòu)型機(jī)器人結(jié)構(gòu);掌握機(jī)器人常用的驅(qū)動(dòng)裝置，減速裝置，如諧波減速器，RV減速器的結(jié)構(gòu)和工作原理，具備綜合運(yùn)用理論和技術(shù)手段設(shè)計(jì)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)的能力。本部分的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要有并聯(lián)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析，并熟知六自由度機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)。

（3）掌握典型機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析方法，獨(dú)立建立多自由度串聯(lián)機(jī)器人位姿方程、運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)方程，并進(jìn)行求解。掌握機(jī)器人位置控制方法，會(huì)設(shè)計(jì)與選擇適用的機(jī)器人控制器。掌握機(jī)器人常用的控制方法及控制特點(diǎn)，能簡(jiǎn)單編寫(xiě)部分電路，具備設(shè)計(jì)機(jī)器人基本控制系統(tǒng)的能力。本部分的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要有六自由度機(jī)器人正、逆運(yùn)動(dòng)學(xué)分析及求解，串聯(lián)機(jī)器人的手動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)，在機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。

（4）掌握工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)仿真，掌握機(jī)器人三維模型建立方法、數(shù)據(jù)管理、三維模型的裝配，進(jìn)行關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)仿真分析。本部分主要在CAD/CAM實(shí)訓(xùn)室完成，要求學(xué)生建立六自由度機(jī)器人模型，并能進(jìn)行裝配，運(yùn)動(dòng)仿真，并觀察機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)范圍和運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)。

（5）掌握工業(yè)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)的拆裝，機(jī)械部分裝配工藝、熟知安全規(guī)范，機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)調(diào)整等。主要對(duì)六自由度機(jī)器人進(jìn)行拆裝，觀察減速器結(jié)構(gòu)，分析主要部件的裝配工藝，在機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室完成。

（6）掌握工業(yè)機(jī)器人的編程技術(shù)，會(huì)應(yīng)用Matlab進(jìn)行機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，按照指定任務(wù)，完成機(jī)器人程序編寫(xiě)。以六自由度機(jī)器人為例，在運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的基礎(chǔ)上，據(jù)不同的軌跡規(guī)劃任務(wù)，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真。

2.2 以機(jī)器人大賽培育過(guò)程作為項(xiàng)目式教學(xué)平臺(tái)

依托機(jī)器人大賽及教師拓展的科研項(xiàng)目，利用現(xiàn)代化教育技術(shù)，主張先練后講，先學(xué)后教，強(qiáng)調(diào)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)，主動(dòng)參與，從嘗試入手，從練習(xí)開(kāi)始，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性。

（1）以機(jī)器人大賽為依托和導(dǎo)向。根據(jù)全國(guó)機(jī)器人大賽要求，注意挖掘并豐富項(xiàng)目的內(nèi)容，拓展項(xiàng)目的形式。近年來(lái)，組織并指導(dǎo)校內(nèi)比賽，“機(jī)器人創(chuàng)意設(shè)計(jì)與實(shí)踐大賽”，指導(dǎo)教師對(duì)報(bào)名參賽學(xué)生進(jìn)行組隊(duì)，分工，引導(dǎo)學(xué)生自己思考，創(chuàng)新，設(shè)計(jì)，管理，整個(gè)機(jī)器人從設(shè)計(jì)，編程，測(cè)試到實(shí)施等都由學(xué)生自主完成。對(duì)于基礎(chǔ)較好，動(dòng)手能力較強(qiáng)的同學(xué)，推薦參加“高校智能機(jī)器人創(chuàng)意大賽”“RoboMaster全國(guó)大學(xué)生機(jī)器人大賽”，“全國(guó)大學(xué)生恩智浦杯智能汽車競(jìng)賽”。

（2）從參賽機(jī)器人設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)過(guò)程出發(fā)，充分利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，參考中國(guó)大學(xué)MOOC，學(xué)銀在線，學(xué)堂在線等線上平臺(tái)的優(yōu)質(zhì)資源，建設(shè)本校機(jī)器人課程的MOOC，課程分為線上和線下教學(xué)兩部分，可以及時(shí)了解學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)態(tài)，學(xué)習(xí)興趣。根據(jù)舉辦的機(jī)器人大賽，進(jìn)行制定計(jì)劃、活動(dòng)探究、作品制作、成果交流，活動(dòng)評(píng)價(jià)等。

（3）對(duì)課程考核方式進(jìn)行改革，動(dòng)員學(xué)生先參加校內(nèi)比賽，比賽成績(jī)可作為課程實(shí)踐成績(jī)的一部分，實(shí)踐成績(jī)占50%，理論考試成績(jī)占30%，其余20%，包括一個(gè)項(xiàng)目設(shè)計(jì)中，個(gè)人表現(xiàn)、設(shè)計(jì)方案和實(shí)訓(xùn)報(bào)告等，使學(xué)生感到任務(wù)的實(shí)施與評(píng)判是有尺度的，以充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性。

3 結(jié)束語(yǔ)

傳統(tǒng)的機(jī)器人技術(shù)課程教學(xué)中，不可避免存在一定的缺陷，結(jié)合本校機(jī)器人實(shí)驗(yàn)和實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，對(duì)本校機(jī)器人技術(shù)項(xiàng)目式教學(xué)模式進(jìn)行了探索和實(shí)踐，以期望通過(guò)這種教學(xué)方式，學(xué)生將所學(xué)理論知識(shí)付諸實(shí)踐，并結(jié)合新工科建設(shè)理念，進(jìn)一步明確教育教學(xué)目標(biāo)，完善實(shí)踐平臺(tái)支撐，補(bǔ)齊短板，強(qiáng)化特色，全方位提升教育教學(xué)水平，激發(fā)學(xué)習(xí)主動(dòng)性和探索科技技術(shù)的積極性，提高了機(jī)器人技術(shù)專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量。

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