陸 群 輔小榮 徐順清 王前進(jìn)

（鹽城工學(xué)院電氣工程學(xué)院，江蘇 鹽城 224051）

0 引言

機(jī)器人技術(shù)是先進(jìn)制造技術(shù)的代表，其在汽車與機(jī)械設(shè)備制造、電子器件、集成電路、塑料加工等生產(chǎn)線中均有廣泛的應(yīng)用。 隨著世界各國(guó)相繼頒布以“智能制造”為主題的發(fā)展戰(zhàn)略，我國(guó)也提出了“智能制造2025”， 旨在應(yīng)對(duì)第四次工業(yè)革命下全球產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的新局面與搶占未來產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的制高點(diǎn)。 由此不難斷言，在未來的幾年、十幾年甚至幾十年里，機(jī)器人的需求與應(yīng)用會(huì)越來越普及，企業(yè)對(duì)掌握機(jī)器人技術(shù)的人才需求也會(huì)越來越旺盛。為了適應(yīng)企業(yè)對(duì)機(jī)器人相關(guān)技術(shù)能力的要求，許多高等學(xué)校都開設(shè)了機(jī)器人技術(shù)相關(guān)實(shí)踐課程[1-2]。

機(jī)器人學(xué)科屬于一門交叉性學(xué)科，其所涉及領(lǐng)域繁多，主要包括機(jī)械設(shè)計(jì)、信息處理、計(jì)算機(jī)編程、控制科學(xué)、人工智能等。 由于高等學(xué)校各二級(jí)學(xué)院課程體系的限制， 學(xué)生所學(xué)課程不能覆蓋所有這些領(lǐng)域。這無疑增加了學(xué)生學(xué)習(xí)機(jī)器人技術(shù)的難度，也給高校教師的教學(xué)提出了挑戰(zhàn)。 受這些因素影響，不少高校僅僅運(yùn)用多媒體或者模擬仿真的方式進(jìn)行機(jī)器人教學(xué)，這會(huì)導(dǎo)致學(xué)生對(duì)機(jī)器人技術(shù)的學(xué)習(xí)積極性和興趣不高，并且所培養(yǎng)的學(xué)生在實(shí)際操作、問題分析能力和查錯(cuò)修改等方面的能力都比較欠缺。 另外，一些高校雖然開設(shè)了機(jī)器人實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，但是教學(xué)模式相對(duì)死板，教師按照既定的實(shí)驗(yàn)教程，以授課的形式指導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)。 但機(jī)器人技術(shù)所含內(nèi)容廣泛，授課內(nèi)容在一定程度上具有局限性。

綜上所述，高校在設(shè)置機(jī)器人課程時(shí)應(yīng)當(dāng)以培養(yǎng)學(xué)生的機(jī)器人工程應(yīng)用和實(shí)踐能力為主要目標(biāo)，在具體實(shí)踐教學(xué)時(shí)要突出針對(duì)性、實(shí)用性和實(shí)踐性，從而使培養(yǎng)的學(xué)生在實(shí)驗(yàn)、動(dòng)手操作、觀察分析、自主探索和創(chuàng)新能力等各方面都能得到一定的訓(xùn)練與提高。針對(duì)上述有關(guān)機(jī)器人實(shí)踐教學(xué)中存在的問題，我們提出了“以學(xué)生為主體”[3]的基于機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的實(shí)踐教學(xué)改革的新思路。

1 以學(xué)生為主體的本質(zhì)

“以學(xué)生為主體” 的課堂教學(xué)觀最早由美國(guó)的心理學(xué)家和教育家羅杰斯提出，其認(rèn)為教師在教學(xué)的過程中，應(yīng)當(dāng)強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為教學(xué)的主體，教師在課堂中不再扮演控制者的角色，而應(yīng)當(dāng)是學(xué)習(xí)的引導(dǎo)者。 教師不再以灌輸?shù)男问狡仁箤W(xué)生去被動(dòng)地學(xué)習(xí)和接受知識(shí)，而是讓學(xué)生積極地構(gòu)建自身的知識(shí)體系，并讓其學(xué)會(huì)學(xué)習(xí)，學(xué)會(huì)合作，成為學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)中真正的主人。以學(xué)生為主體， 能夠體現(xiàn)教學(xué)中教師對(duì)學(xué)生的尊重，凸顯學(xué)生的主體地位。

在機(jī)器人課程體系安排中，機(jī)器人的實(shí)踐教學(xué)是一個(gè)極為重要的環(huán)節(jié)。 與機(jī)器人理論課程不同，機(jī)器人實(shí)踐教學(xué)必須以機(jī)器人及應(yīng)用實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為基礎(chǔ)，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的方式讓學(xué)生理解并掌握理論課程的內(nèi)容。考慮到學(xué)生的未來就業(yè)，一些高校還會(huì)采用“項(xiàng)目式教學(xué)”[4]的基本教學(xué)形式進(jìn)行實(shí)踐課程的教學(xué)，即將企業(yè)實(shí)際項(xiàng)目所包含的整個(gè)流程融入實(shí)踐教學(xué)中，以滿足企業(yè)的需求。 對(duì)于機(jī)器人實(shí)踐教學(xué)課程，近年來也有一些教育工作者對(duì)基于“項(xiàng)目式教學(xué)”的機(jī)器人實(shí)踐教學(xué)方法進(jìn)行了探索與研究。雖然以學(xué)生為主體的教學(xué)理念也是“項(xiàng)目式教學(xué)”的基本理念，但兩者并不完全等價(jià)，“項(xiàng)目式教學(xué)”只是一種典型的以學(xué)生為主體的教學(xué)方式。 此外，“項(xiàng)目式教學(xué)”強(qiáng)調(diào)了學(xué)生的動(dòng)手能力，但同時(shí)在一定程度上也弱化了理論知識(shí)和基本知識(shí)，并且其教學(xué)時(shí)間也通常比較緊張。因此，對(duì)已有的“項(xiàng)目式教學(xué)”存在的問題進(jìn)行研究與改進(jìn)，使其能進(jìn)一步提高學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力，從而讓它能更加有效地適應(yīng)智能制造領(lǐng)域機(jī)器人應(yīng)用的新型緊缺人才的培養(yǎng)需求具有重要的意義。

2 以學(xué)生為主體的本質(zhì)

針對(duì)現(xiàn)有“項(xiàng)目式教學(xué)”方法中尚存在的一些問題，本文根據(jù)作者所在學(xué)?，F(xiàn)有工業(yè)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的實(shí)際情況，并結(jié)合多年的教學(xué)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，提出了“以學(xué)生為主體”的機(jī)器人實(shí)踐教學(xué)方法，具體教學(xué)實(shí)施方案設(shè)計(jì)如下。

2.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)介紹

雖然高校學(xué)生在理論課程上對(duì)機(jī)器人的基礎(chǔ)知識(shí)已經(jīng)有了較為全面的了解，但是當(dāng)他們第一次接觸實(shí)際機(jī)器人系統(tǒng)時(shí)， 有許多的學(xué)生會(huì)覺得比較陌生。如果高校教師讓他們直接按照項(xiàng)目式的方法進(jìn)行強(qiáng)化訓(xùn)練，可能會(huì)讓他們覺得非常緊張，甚至?xí)屢恍W(xué)生覺得無從下手。 “磨刀不誤砍柴工”，如果在進(jìn)行正式的項(xiàng)目式訓(xùn)練之前，教師能夠?qū)?shí)驗(yàn)平臺(tái)和相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)進(jìn)行系統(tǒng)介紹，不僅不會(huì)耽誤課程的正常教學(xué)進(jìn)度，而且能在一定程度上消除學(xué)生的迷茫，使其真正地做到理論聯(lián)系實(shí)際。

例如， 我們結(jié)合鹽城工學(xué)院現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)條件，開設(shè)了工業(yè)機(jī)器人實(shí)踐教學(xué)課程。為了讓學(xué)生對(duì)工業(yè)機(jī)器人有較為深入、系統(tǒng)的理解，我們收集了機(jī)器人的基礎(chǔ)知識(shí)及實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的相關(guān)資料。在實(shí)踐課的第一次課上，采用系統(tǒng)論的方式對(duì)Rbt3080 工業(yè)機(jī)器人工作站的各系統(tǒng)組成部分（包括PLC 系統(tǒng)、工業(yè)機(jī)器人本體、機(jī)器人末端執(zhí)行器、快速切換工具、輸送線單元、自動(dòng)上料單元、 視覺檢測(cè)系統(tǒng)和旋轉(zhuǎn)變位機(jī)單元等）進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹，讓學(xué)生明白這些組成部分的輸入和輸出以及各部分之間的具體關(guān)系。對(duì)于機(jī)器人本體的介紹， 包括各坐標(biāo)系、DH 參數(shù)和運(yùn)動(dòng)方式等知識(shí)，則由學(xué)生進(jìn)行回憶并負(fù)責(zé)講述，最后由授課教師逐一進(jìn)行點(diǎn)評(píng)?！皩W(xué)然后知不足，教然后知困”，在課堂中通過交換師生的位置關(guān)系，可以讓學(xué)生更加了解自己知識(shí)儲(chǔ)備和分享展示能力的不足，只有這樣學(xué)生才愿意積極主動(dòng)地去學(xué)習(xí)與提高自己的能力。 此外，也只有讓學(xué)生身臨其境， 才能讓其懂得教師教書育人的不易，才會(huì)讓他們更加尊重教師及其工作。 因此，這種方式很好地體現(xiàn)了“以學(xué)生為主體”的內(nèi)涵。

2.2 項(xiàng)目任務(wù)式體系編排

企業(yè)對(duì)工業(yè)機(jī)器人的實(shí)際需求有所不同，其典型的應(yīng)用需求包括碼垛、分揀、裝配和焊接等。 因此，在進(jìn)行任務(wù)編排時(shí)，需要設(shè)計(jì)不同的工業(yè)機(jī)器人實(shí)踐項(xiàng)目以基本滿足這些需求。對(duì)于這些項(xiàng)目的編排應(yīng)遵循由淺入深的原則，具體原因如下：

（1）對(duì)于初次進(jìn)行機(jī)器人實(shí)踐課程的學(xué)生，其動(dòng)手能力普遍較弱。 如果剛開始就要求他們完成較難的項(xiàng)目，則很容易使其產(chǎn)生恐懼的心理，甚至可能會(huì)讓他們放棄整個(gè)項(xiàng)目，這樣會(huì)嚴(yán)重地影響教學(xué)進(jìn)度與質(zhì)量。

（2）如果前面的項(xiàng)目安排得比較難，后面的項(xiàng)目比較簡(jiǎn)單， 那么對(duì)于可以順利完成前面項(xiàng)目的學(xué)生（如那些動(dòng)手能力相對(duì)較強(qiáng)的學(xué)生），后面的簡(jiǎn)單項(xiàng)目會(huì)引起他們心理的落差， 對(duì)項(xiàng)目提不起濃厚的興趣，同樣也會(huì)影響教學(xué)質(zhì)量。

（3）當(dāng)前的“90 后”和“00 后”大學(xué)生普遍比較喜歡玩闖關(guān)類的進(jìn)階游戲，如果將實(shí)踐項(xiàng)目也設(shè)計(jì)成游戲的這種進(jìn)階形式， 將會(huì)有助于激發(fā)他們的興趣、求知欲和探索心理。

鹽城工學(xué)院的機(jī)器人實(shí)踐課程為期兩周，為了能夠在這短暫的時(shí)間內(nèi)起到訓(xùn)練和提高的目的，我們依次編排了三個(gè)項(xiàng)目：TCP（工具中心點(diǎn)）練習(xí)、搬運(yùn)碼垛和智能分揀。 其中，TCP 練習(xí)項(xiàng)目包含了機(jī)器人坐標(biāo)系的建立和點(diǎn)位示教，搬運(yùn)碼垛項(xiàng)目還涉及I/O 信號(hào)的配置，智能分揀項(xiàng)目則還須增加視覺檢測(cè)系統(tǒng)。 通過這種進(jìn)階式的項(xiàng)目編排， 讓學(xué)生邊操作邊學(xué)習(xí)，會(huì)起到事半功倍的教學(xué)效果。

2.3 項(xiàng)目的具體制定

雖然項(xiàng)目式訓(xùn)練的初衷是為了讓學(xué)生能夠在未來滿足企業(yè)的需求， 但我們不能照搬企業(yè)的項(xiàng)目，因?yàn)槊總€(gè)學(xué)校學(xué)生的能力有所差異，學(xué)生當(dāng)前的能力與未來企業(yè)的要求也存在著差距，絕大部分的學(xué)生在實(shí)踐訓(xùn)練之前是無法完成企業(yè)的實(shí)際項(xiàng)目的，所以才需要進(jìn)行課程實(shí)踐訓(xùn)練。我們應(yīng)該從學(xué)生現(xiàn)階段學(xué)習(xí)能力的實(shí)際情況出發(fā)，去設(shè)計(jì)好每個(gè)項(xiàng)目，包括項(xiàng)目的描述、項(xiàng)目目的、預(yù)備知識(shí)、項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)和項(xiàng)目考核等各個(gè)方面。 只有這樣，當(dāng)學(xué)生拿到每個(gè)具體的項(xiàng)目任務(wù)的時(shí)候，才能做到心中有數(shù)，并激發(fā)他們的興趣和挑戰(zhàn)欲，能夠積極主動(dòng)地去學(xué)習(xí)與訓(xùn)練。 下面對(duì)于我們的第一個(gè)實(shí)踐項(xiàng)目——TCP 練習(xí)，做簡(jiǎn)要概況。

項(xiàng)目描述：進(jìn)行適當(dāng)?shù)腡CP 練習(xí)，可以使機(jī)器人初學(xué)者學(xué)好機(jī)器人的基本操作，從而可以使其輕松地入門。

項(xiàng)目目的：（1） 讓機(jī)器人初學(xué)者了解如何進(jìn)行ABB 機(jī)器人的工具坐標(biāo)設(shè)定，包括其具體設(shè)定的方法與意義；（2）掌握ABB 機(jī)器人的常用運(yùn)動(dòng)指令，包括其具體的語法及其應(yīng)用場(chǎng)合；（3）熟練地掌握ABB 機(jī)器人的手動(dòng)操縱方法，并通過示教器能夠?qū)C(jī)器人進(jìn)行正確、快速的操作；（4）本項(xiàng)目包含大量的點(diǎn)位示教環(huán)節(jié)，其可為后續(xù)復(fù)雜的程序編寫打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

預(yù)備知識(shí)：（1）MoveJ——機(jī)器人關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)指令；（2）MoveL——機(jī)器人線性運(yùn)動(dòng)指令；（3）MoveC——機(jī)器人圓弧運(yùn)動(dòng)指令；（4）MoveAbsJ——機(jī)器人絕對(duì)位置運(yùn)動(dòng)指令。

項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)：（1）建立TCP 練習(xí)工具坐標(biāo)；（2）對(duì)TCP練習(xí)點(diǎn)位進(jìn)行示教；（3）進(jìn)行TCP 練習(xí)程序的編寫。

項(xiàng)目考核：（1）能夠使用ABB 機(jī)器人的示教器進(jìn)行TCP 練習(xí)筆的工具坐標(biāo)設(shè)定， 其具體的要求為：能夠清楚地描述如何創(chuàng)建機(jī)器人工具坐標(biāo)，并能使用示教器精確的設(shè)定TCP， 其誤差要求控制在0.5 mm 以內(nèi)；（2）能夠熟練地編寫機(jī)器人TCP 練習(xí)程序，其具體的要求為： 第一， 熟練掌握ABB 機(jī)器人的指令與操作，并能夠編寫一個(gè)走三角形或走圓形的程序；第二，在程序的編程與調(diào)試的過程中，要求不能夠損壞TCP練習(xí)筆與不碰撞其他的部件；第三，能夠使用專業(yè)的語言正確且流利地演示基本配置步驟。

2.4 虛實(shí)結(jié)合

一般高校的機(jī)器人資源相對(duì)有限，以鹽城工學(xué)院工業(yè)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室為例， 現(xiàn)只擁有5 臺(tái)工業(yè)機(jī)器人。對(duì)于一個(gè)20 人/班的實(shí)踐課程而言，通常是不能讓所有的學(xué)生有大量的時(shí)間進(jìn)行項(xiàng)目訓(xùn)練的。 此外，如果讓學(xué)生頻繁地使用實(shí)際的機(jī)器人平臺(tái)，很容易造成機(jī)器人的損壞，甚至造成安全事故。 為了減少這些情況的發(fā)生，可以把機(jī)器人的軟件仿真和機(jī)器人實(shí)體的應(yīng)用進(jìn)行有機(jī)結(jié)合。 ABB RobotStudio （RS） 是一款由ABB 公司研發(fā)的計(jì)算機(jī)仿真軟件，它能很好地模擬真實(shí)的機(jī)器人工作環(huán)境。在我們開設(shè)的機(jī)器人實(shí)踐課程中，對(duì)RS 的使用進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，并要求學(xué)生能夠正確地使用它，特別是工作環(huán)境的搭建與示教器的使用。 為了能夠順利地完成具體的項(xiàng)目，我們要求學(xué)生先在RS 上進(jìn)行點(diǎn)位示教、I/O 配置與程序編程， 當(dāng)程序調(diào)試沒問題時(shí)再進(jìn)行實(shí)際的操作。通過這樣的一個(gè)過程， 讓學(xué)生了解工程中一個(gè)項(xiàng)目具體的實(shí)施過程，起到了較好的教學(xué)效果。

3 實(shí)踐意義與推廣價(jià)值

“以學(xué)生為主體”的機(jī)器人實(shí)踐教學(xué)，其實(shí)踐意義和推廣價(jià)值可概括如下：

（1）加強(qiáng)師資隊(duì)伍的智能控制技術(shù)積累。 讓專業(yè)教師轉(zhuǎn)變現(xiàn)有的教學(xué)與教育舊觀念，要求每位教師都應(yīng)當(dāng)具備積極的學(xué)習(xí)態(tài)度，深入領(lǐng)會(huì)“以學(xué)生為主體”的教學(xué)理念和教育教學(xué)方法，并使教學(xué)課程適應(yīng)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的要求。

（2）充分堅(jiān)持以項(xiàng)目為主線、教師為引導(dǎo)和學(xué)生為主體的路線。要使學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中能夠相對(duì)獨(dú)立地進(jìn)行項(xiàng)目相關(guān)信息的收集、方案設(shè)計(jì)、項(xiàng)目實(shí)施與最終評(píng)價(jià)等環(huán)節(jié)，就得要求教師能夠?yàn)閷W(xué)生提供較為完整與合理的技術(shù)資源以便學(xué)生進(jìn)行自主學(xué)習(xí)。通過建立與搜集機(jī)器人技術(shù)專業(yè)教學(xué)資源庫(kù)，讓學(xué)生能夠利用視頻動(dòng)畫和MOOC 等資源，并運(yùn)用現(xiàn)近潮流的信息化方式和手段，實(shí)現(xiàn)線上與線下協(xié)同教育，從而協(xié)助學(xué)生自主地完成項(xiàng)目任務(wù)。

（3）以學(xué)生為主的項(xiàng)目式教學(xué)是一種有效的專業(yè)教育教學(xué)模式，其能夠從專業(yè)素養(yǎng)、專業(yè)綜合實(shí)踐能力和專業(yè)理論知識(shí)這三個(gè)方面培養(yǎng)學(xué)生。

（4）以學(xué)生為主的項(xiàng)目式教學(xué)有利于培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、分析問題、解決問題的能力，有助于學(xué)生學(xué)習(xí)各類實(shí)踐性和操作性較強(qiáng)的知識(shí)和技能，但它與傳統(tǒng)教學(xué)法不沖突。如果在實(shí)際的教學(xué)中能做到兩種教學(xué)法的有機(jī)結(jié)合與優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，那么教學(xué)效果更佳。

4 結(jié)語

本文在機(jī)器人的實(shí)踐教學(xué)設(shè)計(jì)中，提出了“以學(xué)生為主體”的教學(xué)新途徑，給出了其本質(zhì)內(nèi)涵，并結(jié)合所在學(xué)校的現(xiàn)有條件， 設(shè)計(jì)了課程的具體實(shí)施方案，給出了其實(shí)踐意義與推廣價(jià)值。通過該教學(xué)途徑能有效地提升學(xué)生的實(shí)踐能力，為學(xué)生今后的工作提供扎實(shí)的專業(yè)基礎(chǔ)。