應(yīng)用型本科工業(yè)機(jī)器人課程教學(xué)改革的探索與實(shí)踐*

◆李慶齡

作者：李慶齡，碩士，上海電機(jī)學(xué)院機(jī)械學(xué)院講師，研究方向?yàn)闄C(jī)械工程（200240）。

1 引言

近年來，由于現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整和產(chǎn)業(yè)能級的提升，勞動力市場對技術(shù)型人才的需求不斷旺盛。為了適應(yīng)社會新的需求，實(shí)現(xiàn)與傳統(tǒng)本科院校的錯位競爭，很多新升本科院校將學(xué)校定位于培養(yǎng)適應(yīng)社會需要的高層次應(yīng)用型人才，實(shí)施“技術(shù)應(yīng)用型本科教育”[1-2]。上海電機(jī)學(xué)院提出“培養(yǎng)本科層次技術(shù)應(yīng)用型人才”的人才培養(yǎng)定位，并確立了“技術(shù)立校，應(yīng)用為本”的辦學(xué)指導(dǎo)方針[3]。

工業(yè)機(jī)器人技術(shù)是近年來新技術(shù)發(fā)展的重要領(lǐng)域之一，是計(jì)算機(jī)、自動控制、傳感器、先進(jìn)制造等領(lǐng)域技術(shù)集成的典型代表。這一技術(shù)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防、醫(yī)療衛(wèi)生、辦公自動化及生活服務(wù)等眾多領(lǐng)域有著越來越多的應(yīng)用[4-5]。社會對掌握機(jī)器人技術(shù)的人才需求旺盛。作為技術(shù)應(yīng)用型院校，為努力培養(yǎng)適合市場需要的技術(shù)應(yīng)用型人才，上海電機(jī)學(xué)院開設(shè)了“工業(yè)機(jī)器人”這門課程。機(jī)器人是機(jī)械類專業(yè)學(xué)生的一門專業(yè)課，課程的開設(shè)與學(xué)院培養(yǎng)應(yīng)用型人才的目標(biāo)是一致的。本文對工業(yè)機(jī)器人課程教學(xué)現(xiàn)狀進(jìn)行分析，指出目前教學(xué)中存在的問題，提出相應(yīng)的改進(jìn)措施。

表1 工業(yè)機(jī)器人課程主要內(nèi)容及學(xué)時分布

2 課程性質(zhì)與特點(diǎn)

“工業(yè)機(jī)器人”安排在本科的第七學(xué)期，是唯一一門系統(tǒng)介紹某一設(shè)備的課程，主要內(nèi)容與學(xué)時分布如表1（包括4學(xué)時實(shí)驗(yàn)）所示。根據(jù)應(yīng)用型本科的辦學(xué)理念，課程內(nèi)容側(cè)重實(shí)踐和應(yīng)用，注重理論和應(yīng)用技術(shù)緊密結(jié)合。通過本課程的學(xué)習(xí)，要求學(xué)生理解掌握機(jī)器人的基本概念和基礎(chǔ)理論，掌握典型工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)、運(yùn)動分析，理解動力學(xué)原理和機(jī)器人控制技術(shù)并能進(jìn)行簡單的機(jī)器人編程。培養(yǎng)獨(dú)立思考和分析問題的能力，使得學(xué)生能夠在較短的時間內(nèi)掌握生產(chǎn)現(xiàn)場最需要的工業(yè)機(jī)器人的實(shí)際應(yīng)用技術(shù)，為今后從事工業(yè)機(jī)器人使用和相關(guān)研究工作打好基礎(chǔ)。

3 教學(xué)過程中存在的問題

3.1 課程內(nèi)容綜合性強(qiáng)，各章節(jié)知識點(diǎn)較獨(dú)立

本課程主要講述工業(yè)機(jī)器人的基本組成、機(jī)械結(jié)構(gòu)、運(yùn)動學(xué)、環(huán)境感覺技術(shù)、控制系統(tǒng)、機(jī)器人編程等，包括機(jī)械學(xué)、自動控制、傳感技術(shù)、計(jì)算機(jī)等相關(guān)內(nèi)容。學(xué)習(xí)這門課程需要較多知識儲備以及一定的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，學(xué)習(xí)時需要將各種知識綜合運(yùn)用。學(xué)生普遍感到學(xué)習(xí)內(nèi)容廣、涉及知識面寬、綜合性強(qiáng)，嚴(yán)重影響了學(xué)習(xí)的積極性。另外，機(jī)器人課程各章節(jié)之間內(nèi)容相對比較獨(dú)立，由結(jié)構(gòu)到運(yùn)動學(xué)，由運(yùn)動學(xué)到控制，沒有一個貫穿的主線，使得學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中容易分不清前因后果。

3.2 重講授，學(xué)生獨(dú)立思考少

授課過程中以教師講授為主要方式。傳統(tǒng)填鴨式教學(xué)方式在采用現(xiàn)代多媒體教學(xué)手段時顯得更加不合理。采用幻燈片授課，雖然能讓教師從繁重的書寫任務(wù)中解放出來，提高教學(xué)效率，但是一掠而過不留痕跡的做法讓學(xué)生根本無暇進(jìn)行獨(dú)立思考，有時一堂課下來學(xué)生對授課內(nèi)容都沒有印象，致使授課效果變差。

圖1 基本案例在教學(xué)中的應(yīng)用

3.3 重理論輕實(shí)踐

本課程對學(xué)生的動手能力要求較高，然而目前的課程設(shè)置中比較側(cè)重理論部分，實(shí)踐環(huán)節(jié)相對薄弱。在總課時32學(xué)時中，實(shí)驗(yàn)只占4學(xué)時，這對掌握機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)來說是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。且均為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，不能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，沒有真正提高學(xué)生的實(shí)踐動手能力。

4 改革措施與實(shí)踐

針對目前教學(xué)中存在的問題，根據(jù)上海電機(jī)學(xué)院的辦學(xué)方針，結(jié)合課程本身特點(diǎn)和現(xiàn)實(shí)情況，總結(jié)課題組多年教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，提出改革措施，并在課程教學(xué)中進(jìn)行一系列嘗試。

4.1 合理安排教學(xué)內(nèi)容，由淺入深逐步遞進(jìn)

針對課程內(nèi)容綜合性強(qiáng)，各章節(jié)知識點(diǎn)較獨(dú)立的問題，教師在教學(xué)過程中要合理安排課程內(nèi)容，找到貫穿各章節(jié)的主線，理清各知識點(diǎn)的前因后果。先從機(jī)械專業(yè)學(xué)生比較熟悉的機(jī)械結(jié)構(gòu)入手，通過對機(jī)器人三大組成部分（機(jī)械部分、控制部分、傳感部分）之間關(guān)系的講解，進(jìn)入機(jī)器人的控制系統(tǒng)和環(huán)境感覺技術(shù)的學(xué)習(xí)。機(jī)器人運(yùn)動學(xué)的部分理論性較強(qiáng)，學(xué)習(xí)起來相對吃力。遵循由淺入深、逐步遞進(jìn)的原則，先介紹齊次坐標(biāo)和位姿描述等基本概念，在對機(jī)器人的位姿分析的基礎(chǔ)上，引入機(jī)器人運(yùn)動學(xué)方程建立的方法和步驟，既要使學(xué)生掌握關(guān)鍵知識，又不過多糾纏于繁瑣的公式推導(dǎo)。最后講解機(jī)器人編程，使學(xué)生對機(jī)器人控制的認(rèn)識提高到實(shí)際操作的層面上來。

另外，在講每個章節(jié)時，適當(dāng)引入相關(guān)知識的前沿進(jìn)展、最新的成就成果，既擴(kuò)大了學(xué)生的知識面，又提高了學(xué)習(xí)興趣。

4.2 采用案例教學(xué)，改進(jìn)教學(xué)方式

1）豐富實(shí)例激發(fā)興趣。在進(jìn)行新的知識點(diǎn)講解前，通過圖片、視頻等多媒體技術(shù)，將收集的教學(xué)案例展現(xiàn)在學(xué)生面前。以實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的FANUC機(jī)器人為一基礎(chǔ)案例，并將該案例貫穿到整個教學(xué)過程中，把機(jī)器人各章節(jié)內(nèi)容有機(jī)地聯(lián)系起來，如圖1所示。在講解案例過程中指出相關(guān)知識在該機(jī)器人上的應(yīng)用并提出問題，目的是引導(dǎo)學(xué)生將課堂理論與應(yīng)用實(shí)際有機(jī)結(jié)合在一起。由于這個實(shí)際案例就在學(xué)生身邊，拉近了理論知識與學(xué)生的距離，能夠激發(fā)學(xué)生積極思考，增加學(xué)習(xí)興趣，同時又能提高學(xué)生解決實(shí)際問題的綜合能力，授課中取得了較好的效果。

2）注重課堂互動。在課堂教學(xué)中，一改傳統(tǒng)填鴨式教學(xué)，采用啟發(fā)式、引導(dǎo)式教學(xué)，鼓勵學(xué)生進(jìn)行討論。例如，機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)部分內(nèi)容相對枯燥乏味，教師在講解時將各部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要點(diǎn)以及常用的運(yùn)動形式指出；然后讓學(xué)生利用機(jī)械原理及機(jī)械設(shè)計(jì)中學(xué)過的知識，設(shè)想和討論可以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)運(yùn)動的機(jī)構(gòu)有哪些，可以采用什么樣的驅(qū)動方式；最后鼓勵學(xué)生自己做一套完整的機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)方案，由教師對相應(yīng)方案做出評估。

在機(jī)器人應(yīng)用現(xiàn)狀和未來前景等較活躍的領(lǐng)域開設(shè)課堂互動內(nèi)容，鼓勵學(xué)生從最新的科技文獻(xiàn)、新聞甚至與相關(guān)專家的交流中去了解獲得，搜集整理第一手資料。這不僅提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動性，也活躍了學(xué)生的專業(yè)思路。

3）增加現(xiàn)場教學(xué)環(huán)節(jié)。機(jī)器人中有些內(nèi)容和概念比較抽象，比如機(jī)器人的自由度、精度、坐標(biāo)系和機(jī)構(gòu)簡圖等，學(xué)生理解起來會有困難。采用現(xiàn)場教學(xué)法，先由教師提出思考題，讓學(xué)生通過對實(shí)際機(jī)器人的觀察進(jìn)行思考。然后教師結(jié)合機(jī)器人的運(yùn)動對每個概念進(jìn)行講解，最后集體討論。

坐標(biāo)系在機(jī)器人學(xué)習(xí)和使用中是一個很重要的概念。常用的有全局參考坐標(biāo)系、關(guān)節(jié)參考坐標(biāo)系和工具坐標(biāo)系。機(jī)器人可以相對于不同的坐標(biāo)系運(yùn)動，在每一個坐標(biāo)系中的運(yùn)動都不相同，學(xué)生很容易產(chǎn)生混淆。利用現(xiàn)場教學(xué)法，講到每一個坐標(biāo)系時，可以操作機(jī)器人讓其在相應(yīng)坐標(biāo)系下運(yùn)動。設(shè)定同樣的參數(shù)，最終到達(dá)的位置不同，形象直觀地展示出不同坐標(biāo)系下的運(yùn)動。

現(xiàn)場教學(xué)法給學(xué)生提供了充分的想象和思考空間，加深了對相應(yīng)知識點(diǎn)的理解，效果比較顯著。

4.3 改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，注重理論聯(lián)系實(shí)際

課題組結(jié)合實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有條件，在機(jī)器人認(rèn)知和機(jī)器人編程兩個實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，自主開發(fā)FANUC機(jī)器人故障診斷實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)時，教師預(yù)先設(shè)置機(jī)器人常見故障，要求學(xué)生對工業(yè)機(jī)器人運(yùn)行過程中故障進(jìn)行診斷，能根據(jù)系統(tǒng)報(bào)錯代碼判斷故障含義及原因，并通過實(shí)驗(yàn)排除故障。故障排除后，能重新校準(zhǔn)初始位置，并在新坐標(biāo)系內(nèi)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)正常運(yùn)行。該實(shí)驗(yàn)具有一定的綜合性，能夠鍛煉學(xué)生靈活運(yùn)用所學(xué)知識分析問題、解決問題的能力。

雖然在實(shí)驗(yàn)過程中，不免會碰到各種各樣的問題，有時可能會找不到原因，但學(xué)生學(xué)習(xí)興致很高，小組里每一名學(xué)生都會積極查找故障原因。學(xué)生反映這個實(shí)驗(yàn)雖然難度較高，但能讓他們體會到用自己掌握的知識解決實(shí)際問題的成就感，提高了學(xué)習(xí)的積極性。

4.4 注重師資培訓(xùn)，及時更新教學(xué)內(nèi)容

工業(yè)機(jī)器人涉及許多專業(yè)領(lǐng)域，對任課教師知識的廣度和深度有較高的要求，同時還要保持知識技能的不斷更新。上海電機(jī)學(xué)院采取鼓勵青年教師攻讀博士學(xué)位、派遣教師到企業(yè)掛職鍛煉、青年教師“導(dǎo)師制”等措施，加強(qiáng)師資隊(duì)伍建設(shè)，形成一支具有一定科研能力的教師隊(duì)伍。

5 結(jié)束語

本文結(jié)合學(xué)校實(shí)際情況，探討應(yīng)用型本科“工業(yè)機(jī)器人”課程教學(xué)中存在的問題和相應(yīng)改革措施。課題組將其應(yīng)用于平時教學(xué)中，授課效果有了一定的增強(qiáng)。但教學(xué)改革是一個長期積累的過程，需要教師不斷探索，并在實(shí)踐中繼續(xù)改進(jìn)和完善。

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[2]王洪,高林,楊冰.應(yīng)用型大學(xué)是高等教育大眾化的必然結(jié)果[J].教育與職業(yè),2006(12):5-7.

[3]夏建國.技術(shù)本科創(chuàng)新型人才培養(yǎng)：定位、特征與思路[J].中國高教研究,2011(7):67-68.

[4]張建偉.現(xiàn)代智能機(jī)器人前景及技術(shù)[J].先進(jìn)技術(shù)研究通報(bào),2009(3):1-2.

[5]郭洪紅.工業(yè)機(jī)器人技術(shù)[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2007.