以學生為主體的機器人實踐教學設(shè)計

陸 群 輔小榮 徐順清 王前進

（鹽城工學院電氣工程學院，江蘇 鹽城 224051）

0 引言

機器人技術(shù)是先進制造技術(shù)的代表，其在汽車與機械設(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。 隨著世界各國相繼頒布以“智能制造”為主題的發(fā)展戰(zhàn)略，我國也提出了“智能制造2025”， 旨在應(yīng)對第四次工業(yè)革命下全球產(chǎn)業(yè)競爭的新局面與搶占未來產(chǎn)業(yè)競爭的制高點。 由此不難斷言，在未來的幾年、十幾年甚至幾十年里，機器人的需求與應(yīng)用會越來越普及，企業(yè)對掌握機器人技術(shù)的人才需求也會越來越旺盛。為了適應(yīng)企業(yè)對機器人相關(guān)技術(shù)能力的要求，許多高等學校都開設(shè)了機器人技術(shù)相關(guān)實踐課程[1-2]。

機器人學科屬于一門交叉性學科，其所涉及領(lǐng)域繁多，主要包括機械設(shè)計、信息處理、計算機編程、控制科學、人工智能等。 由于高等學校各二級學院課程體系的限制， 學生所學課程不能覆蓋所有這些領(lǐng)域。這無疑增加了學生學習機器人技術(shù)的難度，也給高校教師的教學提出了挑戰(zhàn)。 受這些因素影響，不少高校僅僅運用多媒體或者模擬仿真的方式進行機器人教學，這會導致學生對機器人技術(shù)的學習積極性和興趣不高，并且所培養(yǎng)的學生在實際操作、問題分析能力和查錯修改等方面的能力都比較欠缺。 另外，一些高校雖然開設(shè)了機器人實踐教學環(huán)節(jié)，但是教學模式相對死板，教師按照既定的實驗教程，以授課的形式指導學生學習。 但機器人技術(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)置機器人課程時應(yīng)當以培養(yǎng)學生的機器人工程應(yīng)用和實踐能力為主要目標，在具體實踐教學時要突出針對性、實用性和實踐性，從而使培養(yǎng)的學生在實驗、動手操作、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練與提高。針對上述有關(guān)機器人實踐教學中存在的問題，我們提出了“以學生為主體”[3]的基于機器人實驗平臺的實踐教學改革的新思路。

1 以學生為主體的本質(zhì)

“以學生為主體” 的課堂教學觀最早由美國的心理學家和教育家羅杰斯提出，其認為教師在教學的過程中，應(yīng)當強調(diào)以學生為教學的主體，教師在課堂中不再扮演控制者的角色，而應(yīng)當是學習的引導者。 教師不再以灌輸?shù)男问狡仁箤W生去被動地學習和接受知識，而是讓學生積極地構(gòu)建自身的知識體系，并讓其學會學習，學會合作，成為學習環(huán)節(jié)中真正的主人。以學生為主體， 能夠體現(xiàn)教學中教師對學生的尊重，凸顯學生的主體地位。

在機器人課程體系安排中，機器人的實踐教學是一個極為重要的環(huán)節(jié)。 與機器人理論課程不同，機器人實踐教學必須以機器人及應(yīng)用實驗平臺為基礎(chǔ)，通過實驗驗證的方式讓學生理解并掌握理論課程的內(nèi)容?？紤]到學生的未來就業(yè)，一些高校還會采用“項目式教學”[4]的基本教學形式進行實踐課程的教學，即將企業(yè)實際項目所包含的整個流程融入實踐教學中，以滿足企業(yè)的需求。 對于機器人實踐教學課程，近年來也有一些教育工作者對基于“項目式教學”的機器人實踐教學方法進行了探索與研究。雖然以學生為主體的教學理念也是“項目式教學”的基本理念，但兩者并不完全等價，“項目式教學”只是一種典型的以學生為主體的教學方式。 此外，“項目式教學”強調(diào)了學生的動手能力，但同時在一定程度上也弱化了理論知識和基本知識，并且其教學時間也通常比較緊張。因此，對已有的“項目式教學”存在的問題進行研究與改進，使其能進一步提高學生的創(chuàng)新實踐能力，從而讓它能更加有效地適應(yīng)智能制造領(lǐng)域機器人應(yīng)用的新型緊缺人才的培養(yǎng)需求具有重要的意義。

2 以學生為主體的本質(zhì)

針對現(xiàn)有“項目式教學”方法中尚存在的一些問題，本文根據(jù)作者所在學?，F(xiàn)有工業(yè)機器人實驗平臺的實際情況，并結(jié)合多年的教學和實踐經(jīng)驗，提出了“以學生為主體”的機器人實踐教學方法，具體教學實施方案設(shè)計如下。

2.1 實驗平臺和相關(guān)基礎(chǔ)知識介紹

雖然高校學生在理論課程上對機器人的基礎(chǔ)知識已經(jīng)有了較為全面的了解，但是當他們第一次接觸實際機器人系統(tǒng)時， 有許多的學生會覺得比較陌生。如果高校教師讓他們直接按照項目式的方法進行強化訓練，可能會讓他們覺得非常緊張，甚至會讓一些學生覺得無從下手。 “磨刀不誤砍柴工”，如果在進行正式的項目式訓練之前，教師能夠?qū)嶒炂脚_和相關(guān)基礎(chǔ)知識進行系統(tǒng)介紹，不僅不會耽誤課程的正常教學進度，而且能在一定程度上消除學生的迷茫，使其真正地做到理論聯(lián)系實際。

例如， 我們結(jié)合鹽城工學院現(xiàn)有的實驗條件，開設(shè)了工業(yè)機器人實踐教學課程。為了讓學生對工業(yè)機器人有較為深入、系統(tǒng)的理解，我們收集了機器人的基礎(chǔ)知識及實驗平臺的相關(guān)資料。在實踐課的第一次課上，采用系統(tǒng)論的方式對Rbt3080 工業(yè)機器人工作站的各系統(tǒng)組成部分（包括PLC 系統(tǒng)、工業(yè)機器人本體、機器人末端執(zhí)行器、快速切換工具、輸送線單元、自動上料單元、 視覺檢測系統(tǒng)和旋轉(zhuǎn)變位機單元等）進行了簡單介紹，讓學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。對于機器人本體的介紹， 包括各坐標系、DH 參數(shù)和運動方式等知識，則由學生進行回憶并負責講述，最后由授課教師逐一進行點評?！皩W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，可以讓學生更加了解自己知識儲備和分享展示能力的不足，只有這樣學生才愿意積極主動地去學習與提高自己的能力。 此外，也只有讓學生身臨其境， 才能讓其懂得教師教書育人的不易，才會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“以學生為主體”的內(nèi)涵。

2.2 項目任務(wù)式體系編排

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

（1）對于初次進行機器人實踐課程的學生，其動手能力普遍較弱。 如果剛開始就要求他們完成較難的項目，則很容易使其產(chǎn)生恐懼的心理，甚至可能會讓他們放棄整個項目，這樣會嚴重地影響教學進度與質(zhì)量。

（2）如果前面的項目安排得比較難，后面的項目比較簡單， 那么對于可以順利完成前面項目的學生（如那些動手能力相對較強的學生），后面的簡單項目會引起他們心理的落差， 對項目提不起濃厚的興趣，同樣也會影響教學質(zhì)量。

（3）當前的“90 后”和“00 后”大學生普遍比較喜歡玩闖關(guān)類的進階游戲，如果將實踐項目也設(shè)計成游戲的這種進階形式， 將會有助于激發(fā)他們的興趣、求知欲和探索心理。

鹽城工學院的機器人實踐課程為期兩周，為了能夠在這短暫的時間內(nèi)起到訓練和提高的目的，我們依次編排了三個項目：TCP（工具中心點）練習、搬運碼垛和智能分揀。 其中，TCP 練習項目包含了機器人坐標系的建立和點位示教，搬運碼垛項目還涉及I/O 信號的配置，智能分揀項目則還須增加視覺檢測系統(tǒng)。 通過這種進階式的項目編排， 讓學生邊操作邊學習，會起到事半功倍的教學效果。

2.3 項目的具體制定

雖然項目式訓練的初衷是為了讓學生能夠在未來滿足企業(yè)的需求， 但我們不能照搬企業(yè)的項目，因為每個學校學生的能力有所差異，學生當前的能力與未來企業(yè)的要求也存在著差距，絕大部分的學生在實踐訓練之前是無法完成企業(yè)的實際項目的，所以才需要進行課程實踐訓練。我們應(yīng)該從學生現(xiàn)階段學習能力的實際情況出發(fā)，去設(shè)計好每個項目，包括項目的描述、項目目的、預(yù)備知識、項目實現(xiàn)和項目考核等各個方面。 只有這樣，當學生拿到每個具體的項目任務(wù)的時候，才能做到心中有數(shù)，并激發(fā)他們的興趣和挑戰(zhàn)欲，能夠積極主動地去學習與訓練。 下面對于我們的第一個實踐項目——TCP 練習，做簡要概況。

項目描述：進行適當?shù)腡CP 練習，可以使機器人初學者學好機器人的基本操作，從而可以使其輕松地入門。

項目目的：（1） 讓機器人初學者了解如何進行ABB 機器人的工具坐標設(shè)定，包括其具體設(shè)定的方法與意義；（2）掌握ABB 機器人的常用運動指令，包括其具體的語法及其應(yīng)用場合；（3）熟練地掌握ABB 機器人的手動操縱方法，并通過示教器能夠?qū)C器人進行正確、快速的操作；（4）本項目包含大量的點位示教環(huán)節(jié)，其可為后續(xù)復雜的程序編寫打下堅實的基礎(chǔ)。

預(yù)備知識：（1）MoveJ——機器人關(guān)節(jié)運動指令；（2）MoveL——機器人線性運動指令；（3）MoveC——機器人圓弧運動指令；（4）MoveAbsJ——機器人絕對位置運動指令。

項目實現(xiàn)：（1）建立TCP 練習工具坐標；（2）對TCP練習點位進行示教；（3）進行TCP 練習程序的編寫。

項目考核：（1）能夠使用ABB 機器人的示教器進行TCP 練習筆的工具坐標設(shè)定， 其具體的要求為：能夠清楚地描述如何創(chuàng)建機器人工具坐標，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）能夠熟練地編寫機器人TCP 練習程序，其具體的要求為： 第一， 熟練掌握ABB 機器人的指令與操作，并能夠編寫一個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 虛實結(jié)合

一般高校的機器人資源相對有限，以鹽城工學院工業(yè)機器人實驗室為例， 現(xiàn)只擁有5 臺工業(yè)機器人。對于一個20 人/班的實踐課程而言，通常是不能讓所有的學生有大量的時間進行項目訓練的。 此外，如果讓學生頻繁地使用實際的機器人平臺，很容易造成機器人的損壞，甚至造成安全事故。 為了減少這些情況的發(fā)生，可以把機器人的軟件仿真和機器人實體的應(yīng)用進行有機結(jié)合。 ABB RobotStudio （RS） 是一款由ABB 公司研發(fā)的計算機仿真軟件，它能很好地模擬真實的機器人工作環(huán)境。在我們開設(shè)的機器人實踐課程中，對RS 的使用進行了詳細的介紹，并要求學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目，我們要求學生先在RS 上進行點位示教、I/O 配置與程序編程， 當程序調(diào)試沒問題時再進行實際的操作。通過這樣的一個過程， 讓學生了解工程中一個項目具體的實施過程，起到了較好的教學效果。

3 實踐意義與推廣價值

“以學生為主體”的機器人實踐教學，其實踐意義和推廣價值可概括如下：

（1）加強師資隊伍的智能控制技術(shù)積累。 讓專業(yè)教師轉(zhuǎn)變現(xiàn)有的教學與教育舊觀念，要求每位教師都應(yīng)當具備積極的學習態(tài)度，深入領(lǐng)會“以學生為主體”的教學理念和教育教學方法，并使教學課程適應(yīng)經(jīng)濟和社會發(fā)展的要求。

（2）充分堅持以項目為主線、教師為引導和學生為主體的路線。要使學生在學習的過程中能夠相對獨立地進行項目相關(guān)信息的收集、方案設(shè)計、項目實施與最終評價等環(huán)節(jié)，就得要求教師能夠為學生提供較為完整與合理的技術(shù)資源以便學生進行自主學習。通過建立與搜集機器人技術(shù)專業(yè)教學資源庫，讓學生能夠利用視頻動畫和MOOC 等資源，并運用現(xiàn)近潮流的信息化方式和手段，實現(xiàn)線上與線下協(xié)同教育，從而協(xié)助學生自主地完成項目任務(wù)。

（3）以學生為主的項目式教學是一種有效的專業(yè)教育教學模式，其能夠從專業(yè)素養(yǎng)、專業(yè)綜合實踐能力和專業(yè)理論知識這三個方面培養(yǎng)學生。

（4）以學生為主的項目式教學有利于培養(yǎng)學生自主學習、分析問題、解決問題的能力，有助于學生學習各類實踐性和操作性較強的知識和技能，但它與傳統(tǒng)教學法不沖突。如果在實際的教學中能做到兩種教學法的有機結(jié)合與優(yōu)勢互補，那么教學效果更佳。

4 結(jié)語

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