邱學(xué)晶 夏晶 鄺林娟 李曼

摘要：針對(duì)現(xiàn)有機(jī)電類(lèi)課程具有離散化、獨(dú)立化特點(diǎn)，學(xué)生學(xué)習(xí)缺乏系統(tǒng)性和整體性的問(wèn)題，以機(jī)械電子專(zhuān)業(yè)為試點(diǎn)，研究探索機(jī)器人鏈接下機(jī)電類(lèi)課程一體化教學(xué)模式改革，開(kāi)展機(jī)器人鏈接下機(jī)電類(lèi)課程一體化教學(xué)改革實(shí)踐。機(jī)器人課程綜合性極強(qiáng)，與機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)、傳感測(cè)試技術(shù)、機(jī)械工程控制技術(shù)等機(jī)電類(lèi)課程有密切的聯(lián)系。探索機(jī)器人課程鏈接機(jī)電類(lèi)課程一體化教學(xué)模式，應(yīng)在教學(xué)中充分體現(xiàn)理論與實(shí)踐有機(jī)融合的工程教育理念，結(jié)合機(jī)器人技術(shù)制定機(jī)電類(lèi)課程大綱和實(shí)踐教學(xué)大綱，設(shè)計(jì)或引進(jìn)適用于機(jī)電類(lèi)課程一體化教學(xué)的機(jī)器人平臺(tái)，更新專(zhuān)業(yè)課教學(xué)內(nèi)容，形成鮮明特色的機(jī)電專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)方案，使理論結(jié)合實(shí)際更緊密，教學(xué)內(nèi)容更具有工程性和實(shí)用性，有利于學(xué)生工程素質(zhì)和實(shí)踐能力的培養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人;機(jī)電類(lèi)課程;一體化教學(xué)

中圖分類(lèi)號(hào)：G642;TH-39文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-6916（2021）17-0098-03

機(jī)器人是當(dāng)今前沿高技術(shù)研究最活躍的領(lǐng)域之一，很多發(fā)達(dá)國(guó)家把發(fā)展機(jī)器人技術(shù)上升為國(guó)家戰(zhàn)略[1]。機(jī)器人產(chǎn)業(yè)面臨巨大挑戰(zhàn)的根本在于專(zhuān)業(yè)人才，機(jī)器人行業(yè)真正的人才缺口在于高層次研發(fā)人才和工程技術(shù)人才的培養(yǎng)[2]。近年來(lái)國(guó)內(nèi)一些高校相繼開(kāi)設(shè)機(jī)器人本科課程，在研究生一級(jí)學(xué)科下自主設(shè)置機(jī)器人學(xué)科方向，呈現(xiàn)出機(jī)器人研發(fā)和人才培養(yǎng)的熱潮。

機(jī)器人是一個(gè)融基礎(chǔ)性、綜合性、前沿性、開(kāi)拓性于一體的先進(jìn)性創(chuàng)新平臺(tái)，涉及機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)、機(jī)械控制工程、傳感檢測(cè)技術(shù)及機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)等，具有綜合性和實(shí)踐性較強(qiáng)的特點(diǎn)，與傳統(tǒng)的機(jī)電類(lèi)學(xué)科有著千絲萬(wàn)縷的聯(lián)系[3]?？梢哉f(shuō)機(jī)器人技術(shù)涉及整個(gè)機(jī)電專(zhuān)業(yè)的知識(shí)，而機(jī)器人本身就是機(jī)電專(zhuān)業(yè)應(yīng)用的典型實(shí)例。因此，可以由機(jī)器人這一主線(xiàn)鏈接機(jī)械電子工程核心課程，設(shè)計(jì)以“機(jī)器人認(rèn)識(shí)+課程學(xué)習(xí)+機(jī)器人設(shè)計(jì)”的三級(jí)學(xué)習(xí)方式組織教學(xué)，形成機(jī)器人鏈接下的機(jī)電類(lèi)課程一體化教學(xué)模式，以解決現(xiàn)行基于學(xué)科體系課程設(shè)置所存在的知識(shí)分散、缺乏關(guān)聯(lián)和實(shí)踐等問(wèn)題。雖然國(guó)內(nèi)一些高校已開(kāi)展機(jī)器人教學(xué)，但課程內(nèi)容體系并不完善，缺乏與先導(dǎo)課程的聯(lián)系，如何以機(jī)器人為載體將機(jī)電類(lèi)課程聯(lián)系在一起還需探索和研究。

一、背景分析

機(jī)電類(lèi)專(zhuān)業(yè)課作為工程知識(shí)學(xué)習(xí)的主要內(nèi)容，在教學(xué)中必須遵循工程知識(shí)所具有的綜合性、實(shí)踐性、關(guān)聯(lián)性和遞進(jìn)性特點(diǎn)。在現(xiàn)有的以學(xué)科體系為基礎(chǔ)的課程設(shè)置中，工程知識(shí)分散在各個(gè)個(gè)體課程中，缺乏工程實(shí)際情境化的有效的聯(lián)系，學(xué)生所面對(duì)的是一門(mén)門(mén)獨(dú)立的課程，知識(shí)的學(xué)習(xí)停留在點(diǎn)上，沒(méi)有延伸到線(xiàn)和面，很難構(gòu)成較為完整的知識(shí)體系。工科課程體系中存在著學(xué)科之間的交叉和融合，課程內(nèi)容之間存在著知識(shí)的關(guān)聯(lián)和融合[4-6]。要促進(jìn)知識(shí)點(diǎn)向知識(shí)面延伸，建構(gòu)知識(shí)體系，就需要將分散的個(gè)體課程通過(guò)工程實(shí)際有機(jī)地連接起來(lái)，使學(xué)生在一個(gè)情景化的主線(xiàn)引導(dǎo)下進(jìn)行知識(shí)的學(xué)習(xí)、知識(shí)的綜合和與工程實(shí)際的關(guān)聯(lián)。

本團(tuán)隊(duì)前期曾探索了機(jī)電綜合實(shí)驗(yàn)鏈接下的機(jī)電類(lèi)課程一體化教學(xué)模式，機(jī)電綜合實(shí)驗(yàn)是集機(jī)、電、液、測(cè)、控多門(mén)課程知識(shí)于一體的綜合性實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為典型的機(jī)電一體化系統(tǒng)。這一課程教學(xué)模式一定程度解決了傳統(tǒng)教學(xué)中教師各自為戰(zhàn)，課程離散化、獨(dú)立化，學(xué)習(xí)缺乏系統(tǒng)性和整體性的問(wèn)題，但其實(shí)驗(yàn)的設(shè)置依舊相對(duì)獨(dú)立和繁雜，無(wú)法像機(jī)器人技術(shù)一樣完美地將機(jī)電類(lèi)課程知識(shí)點(diǎn)融為一體，無(wú)疑，機(jī)器人是鏈接機(jī)電類(lèi)課程知識(shí)的最佳載體。

機(jī)器人作為典型的機(jī)電一體化系統(tǒng)實(shí)例，通過(guò)探索和實(shí)踐機(jī)器人鏈接下的機(jī)電類(lèi)課程一體化教學(xué)模式，可以更新現(xiàn)有教學(xué)理念、知識(shí)結(jié)構(gòu)、教學(xué)內(nèi)容，確保機(jī)電類(lèi)課程教學(xué)系統(tǒng)性和整體性，有效地訓(xùn)練學(xué)生科學(xué)思維方式，使學(xué)生更好適應(yīng)時(shí)代發(fā)展要求。

二、機(jī)器人與機(jī)電類(lèi)課程間的關(guān)聯(lián)分析

機(jī)器人是一門(mén)綜合性極強(qiáng)的課程，具有多學(xué)科交叉的特點(diǎn)，兼具機(jī)械工程、電氣工程及其自動(dòng)化以及計(jì)算機(jī)類(lèi)專(zhuān)業(yè)等課程內(nèi)容。在硬件方面，需要具備《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》《傳感檢測(cè)技術(shù)》等相關(guān)專(zhuān)業(yè)的知識(shí)，在電氣控制方面，需要具備《機(jī)械工程控制技術(shù)》等課程的知識(shí)，除此之外，還需要《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)》等專(zhuān)業(yè)知識(shí)。本文以哈工大研發(fā)的五指靈巧手機(jī)器人作為實(shí)例分析它與機(jī)電類(lèi)課程間的聯(lián)系[7]。

（一）機(jī)器人與機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

五指靈巧手機(jī)器人采用模塊化手指設(shè)計(jì)，每個(gè)手指涉及外觀件、支撐件、傳動(dòng)系統(tǒng)等機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，同時(shí)還涉及輕量化、小型化和模塊化的機(jī)械設(shè)計(jì)思路。可見(jiàn)，機(jī)器人設(shè)計(jì)需要扎實(shí)的機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)、較強(qiáng)的創(chuàng)新力。目前，機(jī)電專(zhuān)業(yè)機(jī)電類(lèi)課程中《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》這門(mén)課程主要在于培養(yǎng)學(xué)生基本的機(jī)械設(shè)計(jì)能力和現(xiàn)代設(shè)計(jì)意識(shí)，內(nèi)容全面而具體，但是該課程忽略了“少”“精”“博”“通”之間的關(guān)系?！吧佟敝傅氖侵攸c(diǎn)突出，使學(xué)生能舉一反三、觸類(lèi)旁通;“精”指的是重點(diǎn)通透;“博”指的是知識(shí)面廣博;“通”指的是在解決實(shí)際工程問(wèn)題時(shí)能浮想聯(lián)翩、應(yīng)對(duì)自如。以機(jī)器人為實(shí)例引入《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》課程，可以很好地處理這四者的關(guān)系，有利與學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)、能力的培養(yǎng)。

（二）機(jī)器人與傳感測(cè)試技術(shù)

機(jī)器人感覺(jué)系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人智能化的基礎(chǔ)，包含大量傳感器和測(cè)試技術(shù)的應(yīng)用?！秱鞲袡z測(cè)技術(shù)》作為信息技術(shù)的基礎(chǔ)，詳細(xì)地講述了多種傳感器的基本理論、信號(hào)檢測(cè)的方法和手段。如圖1所示，五指靈巧手機(jī)器人中每個(gè)手指包含了多種位置和力矩傳感器，此外，觸覺(jué)、滑覺(jué)等多種新型傳感器及檢測(cè)技術(shù)也被應(yīng)用到五指靈巧手機(jī)器人上?？梢?jiàn)，機(jī)器人是《傳感檢測(cè)技術(shù)》課程最好的載體，學(xué)生可以更加深入地理解《傳感檢測(cè)技術(shù)》課程的知識(shí)點(diǎn)，同時(shí)還可接觸到傳感檢測(cè)學(xué)科前沿的最新發(fā)展情況，開(kāi)闊自己的視野。

（三）機(jī)器人與機(jī)械工程控制技術(shù)

控制系統(tǒng)是機(jī)器人的大腦，是決定機(jī)器人功能和性能的主要因素。《機(jī)械工程控制技術(shù)》為機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)提供了經(jīng)典控制理論和方法。該課程突出基本概念，闡明了基本知識(shí)及方法，但偏重理論缺乏實(shí)踐，導(dǎo)致知識(shí)點(diǎn)過(guò)淺，理論層次不夠清晰，學(xué)生無(wú)法將《機(jī)械控制工程》的知識(shí)合理運(yùn)用到機(jī)器人控制中，造成理論和實(shí)際脫節(jié)。五指靈巧手機(jī)器人除采用傳統(tǒng)的位置控制方式外，還采用柔順控制以防止抓壞物體。以機(jī)器人的控制為例，有助于學(xué)生對(duì)機(jī)械系統(tǒng)自動(dòng)控制理論的理解和應(yīng)用。

（四）機(jī)器人與機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)》是工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域智能控制的基礎(chǔ)學(xué)科，與機(jī)器人的課程存在交叉重合的知識(shí)點(diǎn)。機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)也是融機(jī)械、電子、控制、檢測(cè)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的多學(xué)科交叉專(zhuān)業(yè)課。通過(guò)該課程學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)知識(shí)和總體思路，掌握機(jī)電一體化系統(tǒng)中各組成要素的設(shè)計(jì)和機(jī)電有機(jī)結(jié)合設(shè)計(jì)的理論與方法，能夠針對(duì)機(jī)械電子工程領(lǐng)域的實(shí)際需求完成機(jī)電一體化系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)，具備機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究的初步能力。五指靈巧手機(jī)器人的電氣系統(tǒng)涉及電機(jī)的驅(qū)控、總線(xiàn)通信、傳感檢測(cè)等知識(shí)，是機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的典型案例。

（五）機(jī)器人與機(jī)器人學(xué)

《機(jī)器人學(xué)》作為一個(gè)新興工科課程，其實(shí)踐性很明顯。然而該門(mén)課程沿襲傳統(tǒng)的傳授方法，教學(xué)內(nèi)容偏于理論，側(cè)重于機(jī)器人數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建，如機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)、靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)的模型，課程內(nèi)容雖然涉及機(jī)械、感知和控制，但這些內(nèi)容默認(rèn)以在前期的先導(dǎo)課程中學(xué)習(xí)過(guò)，因此不再詳細(xì)地講解，這導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)《機(jī)器人學(xué)》時(shí)感覺(jué)知識(shí)過(guò)于抽象，無(wú)法和實(shí)踐相聯(lián)系。

三、機(jī)器人鏈接下機(jī)電類(lèi)課程一體化教學(xué)模式探索

要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人鏈接機(jī)電類(lèi)課程一體化教學(xué)需要解決如下問(wèn)題：機(jī)器人技術(shù)和機(jī)電類(lèi)課程各知識(shí)點(diǎn)和教學(xué)模式的融合問(wèn)題;滿(mǎn)足機(jī)電類(lèi)課程一體化實(shí)踐教學(xué)要求的機(jī)器人平臺(tái)設(shè)計(jì)問(wèn)題。因此，將采用如下措施解決以上問(wèn)題。

（一）結(jié)合機(jī)器人技術(shù)制定機(jī)電類(lèi)課程大綱和實(shí)踐教學(xué)大綱

在進(jìn)行教學(xué)模式設(shè)計(jì)時(shí)，要著重研究機(jī)械電子專(zhuān)業(yè)課程學(xué)習(xí)與機(jī)器人之間的關(guān)系，探尋與機(jī)電類(lèi)課程內(nèi)容有效結(jié)合的實(shí)施方法，重新制定機(jī)器人技術(shù)的機(jī)電類(lèi)課程大綱和相應(yīng)的實(shí)踐教學(xué)大綱，保證課程之間知識(shí)的銜接性和完整性。在機(jī)器人技術(shù)的機(jī)電類(lèi)課程大綱的指導(dǎo)下制訂實(shí)踐教學(xué)大綱，選擇和設(shè)計(jì)相應(yīng)的機(jī)器人平臺(tái)用于一體化教學(xué)的實(shí)踐環(huán)節(jié)，解決現(xiàn)有機(jī)器人無(wú)法直接進(jìn)入課堂的問(wèn)題，使理論和實(shí)踐相結(jié)合。

（二）設(shè)計(jì)適用于機(jī)器人鏈接下機(jī)電類(lèi)課程一體化教學(xué)的機(jī)器人平臺(tái)

目前常用的工業(yè)機(jī)器人，其重量大、速度快、造價(jià)高、培訓(xùn)時(shí)間長(zhǎng)，既不直觀也存在危險(xiǎn)，不利于學(xué)生進(jìn)行學(xué)習(xí)實(shí)踐，很難直接引入課堂。為了解決這個(gè)問(wèn)題，提高實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量，需要注重學(xué)生工程應(yīng)用能力的培養(yǎng)，在新制定的實(shí)踐教學(xué)大綱指導(dǎo)下，設(shè)計(jì)適用于機(jī)器人鏈接下機(jī)電類(lèi)課程一體化教學(xué)的機(jī)器人平臺(tái)，以滿(mǎn)足教學(xué)的特殊需求（輕量化，高性?xún)r(jià)比，方便觀察，安全等）。教學(xué)機(jī)器人平臺(tái)可分為認(rèn)知實(shí)踐和綜合實(shí)踐兩類(lèi)，有助于讓學(xué)生充分了解工業(yè)機(jī)器人的基本概念和工作原理，掌握機(jī)器人硬件設(shè)計(jì)和控制原理的基礎(chǔ)知識(shí)，強(qiáng)化機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用能力的培養(yǎng)。

（三）開(kāi)展機(jī)器人鏈接下機(jī)電類(lèi)課程一體化教學(xué)模式改革和研究

以“機(jī)器人認(rèn)識(shí)+課程學(xué)習(xí)+機(jī)器人設(shè)計(jì)”的方式組織教學(xué)過(guò)程，形成機(jī)器人驅(qū)動(dòng)，相互促進(jìn)、理論和實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)法，激發(fā)學(xué)生興趣、引導(dǎo)學(xué)生思考，并通過(guò)機(jī)器人強(qiáng)化和鞏固學(xué)生對(duì)機(jī)電類(lèi)知識(shí)的掌握。

首先，在主干專(zhuān)業(yè)課教學(xué)中，可以以機(jī)器人系統(tǒng)為引導(dǎo)，鏈接機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)、機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)、測(cè)試技術(shù)與信息處理、計(jì)算控制技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)與電氣控制等多門(mén)專(zhuān)業(yè)課程，構(gòu)成機(jī)電類(lèi)課程鏈。以“機(jī)器人認(rèn)識(shí)+課程學(xué)習(xí)+機(jī)器人設(shè)計(jì)”的方式組織教學(xué)過(guò)程，構(gòu)成機(jī)器人鏈接下的一體化課程教學(xué)模式，如圖2所示。

其次，要應(yīng)用創(chuàng)新理論的思維與方法開(kāi)展教學(xué)改革。進(jìn)入課程教學(xué)前，安排2～4學(xué)時(shí)的機(jī)器人認(rèn)識(shí)實(shí)驗(yàn)，以了解機(jī)器人系統(tǒng)組成和基本工作過(guò)程，使學(xué)生對(duì)機(jī)器人典型機(jī)電一體化系統(tǒng)有一個(gè)初步認(rèn)識(shí)。課程學(xué)習(xí)時(shí)，將機(jī)器人系統(tǒng)中相應(yīng)的環(huán)節(jié)納入課程教學(xué)案例。教學(xué)中多門(mén)課程聯(lián)動(dòng)，通過(guò)機(jī)器人平臺(tái)將知識(shí)鏈接起來(lái)。在專(zhuān)業(yè)課程學(xué)習(xí)完成之后，通過(guò)集中兩周機(jī)器人綜合設(shè)計(jì)，進(jìn)一步強(qiáng)化學(xué)生對(duì)知識(shí)的系統(tǒng)掌握和應(yīng)用。這一課程教學(xué)模式解決了傳統(tǒng)教學(xué)中教師各自為戰(zhàn)，課程缺乏系統(tǒng)性和整體性的問(wèn)題，學(xué)生既學(xué)習(xí)了通用知識(shí)又學(xué)習(xí)了機(jī)器人方面的知識(shí)。

五、結(jié)語(yǔ)

針對(duì)現(xiàn)有機(jī)電類(lèi)課程離散化、獨(dú)立化，學(xué)生學(xué)習(xí)缺乏系統(tǒng)性和整體性的問(wèn)題，以機(jī)械電子專(zhuān)業(yè)為試點(diǎn)，研究探索機(jī)器人鏈接下機(jī)電類(lèi)課程一體化教學(xué)模式改革符合新時(shí)期高等教育理念，緊密結(jié)合高級(jí)工程技術(shù)人才培養(yǎng)實(shí)際情況，具有較強(qiáng)的科學(xué)性和前瞻性。著眼于新時(shí)代對(duì)機(jī)電類(lèi)專(zhuān)業(yè)人才的新需求，結(jié)合機(jī)器人技術(shù)，探索機(jī)電類(lèi)課程改革，將會(huì)對(duì)形成具有特色的機(jī)械電子專(zhuān)業(yè)教育培養(yǎng)模式，完善現(xiàn)行應(yīng)用型人才培養(yǎng)體系，保障機(jī)電綜合性人才培養(yǎng)質(zhì)量起到顯著的促進(jìn)作用，具有較高的推廣價(jià)值。

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作者簡(jiǎn)介：邱學(xué)晶（1986—），女，漢族，黑龍江海林人，西安科技大學(xué)助理工程師，研究方向?yàn)榻逃芾怼?/p>

夏晶（1984—），男，漢族，陜西旬陽(yáng)人，單位為西安科技大學(xué)，研究方向?yàn)闄C(jī)器人技術(shù)。

鄺林娟（2000—），女，漢族，湖南郴州人，西安科技大學(xué)本科學(xué)生，研究方向?yàn)闄C(jī)械電子。

李曼（1964—），女，漢族，陜西周至人，西安科技大學(xué)教授，研究方向?yàn)闄C(jī)器人技術(shù)。

（責(zé)任編輯：朱希良）