“三高四新”背景下《工業(yè)機器人及其應用》教學改革

羅竹輝 邱顯焱 李兵華 湯迎紅

摘要：工業(yè)機器人是先進制造業(yè)的重要技術裝備，是衡量國家科技創(chuàng)新的重要指標。為了適應專業(yè)發(fā)展需求，更好地服務“三高四新”戰(zhàn)略，對《工業(yè)機器人及其應用》課程目前存在的問題進行了分析，主要有教材內容與課程目標貼合度低，課程體系不完善;課程內容和實踐教學未貼近先進制造業(yè)實際需求;課時分配不合理，考核方式陳舊。對該課程進行了改革，課程內容更貼近企業(yè)實際、課程體系更加完善、采用案例教學方法、改進實踐教和考核方式。使學生更為熟練的掌握工業(yè)機器人本體的相關知識和利用工業(yè)機器人服務先進制造業(yè)的知識。

Abstract： Industrial robot is an important technical equipment in advanced manufacturing industry， and an important indicator to measure national scientific and technological innovation.In order to meet the needs of professional development and better serve the strategy of " Three highlands and four new stages" strategy this paper analyzes the existing problems of the course "Industrial Robot and Its Application"， including the low degree of matching between the teaching material content and the course objectives， and the imperfect course system;The course content and practice teaching are not close to the actual needs of advanced manufacturing industry;The assignment of class hours is unreasonable and the assessment method is obsolete.The curriculum has been reformed， the content of the curriculum is closer to the reality of enterprises， the curriculum system is more perfect， the case teaching method is adopted， and the practical teaching and assessment methods are improved.To enable students to more skillfully master the relevant knowledge of industrial robot and the use of industrial robot to serve advanced manufacturing knowledge.

關鍵詞：三高四新;工業(yè)機器人;教學改革;案例教學

Key words： "three highlands and four new stages" strategy;industrial robot;teaching reform;case teaching method

中圖分類號：G642? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2021）17-0251-02

0? 引言

打造國家重要先進制造業(yè)高地、打造具有核心競爭力的科技創(chuàng)新高地是湖南的“三高四新”戰(zhàn)略中的“兩高”[1]。工業(yè)機器人是先進制造業(yè)的重要技術裝備，是衡量國家科技創(chuàng)新的重要指標。湖南工業(yè)大學機械工程學院于2016年設置了機械工程專業(yè)機器人專業(yè)方向，2020年開始進行了機器人專業(yè)招生，作為機器人專業(yè)的核心專業(yè)課程，作為湖南地方高校，為了適應專業(yè)發(fā)展需求，更好地服務“三高四新”戰(zhàn)略，為湖南地區(qū)、中部地區(qū)、長江經濟帶、全國乃至全世界先進制造業(yè)和科技創(chuàng)新企業(yè)培養(yǎng)工業(yè)機器人研發(fā)和應用的優(yōu)秀人才，需要進行《工業(yè)機器人及其應用》課程教學改革。

1? 《工業(yè)機器人及其應用》課程特點及教學現狀

《工業(yè)機器人及其應用》是機械設計制造及其自動化、機器人工程專業(yè)高年級本科生的一門專業(yè)課程[2]。旨在讓學生掌握工業(yè)機器人基礎工作站、典型工業(yè)機器人的原理及應用，掌握機器人參數的配置、控制系統設置、工具坐標設定、程序編寫，使學生具備設計與操控工業(yè)機器人的基本能力，從而更好地適應機器人研發(fā)和應用相關崗位的工作。

本課程教學由課堂教學和實踐教學兩部分組成，教學內容較多，既涉及機器坐標變換、運動學、動力學等數學性較強的知識，又涉及到工業(yè)機器人的整機系統、機械等分系統的設計，還涉及到工業(yè)機器人在機器人工作站和智能生產線中的應用。工業(yè)機器人涉及的學科包括機械工程、自動化、計算機、傳感器、人工智能、電子技術等，目前的教學還存在一些問題，主要表現在：

①教材內容與課程目標貼合度低，課程體系不完善。目前選用的教材為《工業(yè)機器人及零部件結構設計》，該教材主要側重于工業(yè)機器人機械結構的設計和分析，并未涉及高端裝備制造所需的工業(yè)機器人應用技術，而其它國內的工業(yè)機器人相關方面的教材要么注重機器人數理基礎，理論性較強，要么注重工業(yè)機器人的編程和操作，不滿足本科教學需求，單純的一本教材無法完成課程目標。正因如此，需要任課教師根據教學目標，綜合選擇不同教材、論文、實際案例等作為教學素材，這樣就導致了教學素材過于零散，難以形成完整的課程教學體系。

②課程內容和實踐教學未貼近先進制造業(yè)實際需求。主要表現在，第一教學內容不夠“先進”，如工業(yè)機器人控制系統中仍是傳統的控制方法，對先進控制方法講授較少，當前高速發(fā)展的機器人圖像識別技術、5G物聯網技術等在機器人工作站中的應用講授較少。第二，實踐教學未貼近本地先進制造業(yè)，如實踐教學中，有一個環(huán)節(jié)是參觀工業(yè)機器人的應用場景，目前采用如圖1所示的參觀工業(yè)機器人演示設備，這與實際生產場景仍有一定的差別，學生不能身臨其境的感受工業(yè)機器人的魅力，不能真正了解工業(yè)機器人的使用環(huán)境，如工業(yè)機器人的工作空間、軌跡規(guī)劃、防護等級等等。

③課時分配不合理，考核方式陳舊。目前《工業(yè)機器人及其應用》課程分為理論課時、上機課時和實踐課時，理論課時是36課時，上機和實踐課時共4課時，課時分配不合理，上機和實踐課時比例過低，另外，實踐課時安排太過靠后，應當使學生首先通過實踐使學生對機器人及其在先進制造業(yè)中的應用有直觀的感受，其它通過講授鞏固相關知識的學習，最后再通過上機和實踐強化相關內容的學習效果。考核方式陳舊，之前的考核方式分為兩部分，一是期末開卷考試，占比為70%，二是平時成績，包括作業(yè)、上機和實踐，占比為30%。這種考核方式過于陳舊，容易變成應試教育，甚至有學生認為是開卷考試，疏于學習，課程效果較差。

2? 《工業(yè)機器人及其應用》教學改革

2.1 教學內容與體系

考慮到在《工業(yè)機器人及其應用》課程有一門前置課程《機器人學基礎》，因此，削減課程內容中的坐標變換、運動學、動力學、軌跡規(guī)劃和控制算法，重點在工業(yè)機器人總體設計中加人工智能和物聯網等技術，重點講授工業(yè)機器人的機械系統及其零部件的設計計算。重點講解工業(yè)機器人在結合湖南地區(qū)特別是株洲地區(qū)先進制造業(yè)中的應用，梳理湖南省先進制造業(yè)的主要領域，包括工程機械、軌道交通裝備、航空動力三大產業(yè)集群，“兩芯一生態(tài)”、第三代半導體、集成電路、新材料、新型顯示等戰(zhàn)略性新興領域的重點企業(yè)及現狀[3]，深度分析這些產業(yè)對工業(yè)機器人的需求。在課程內容中講授智能制造、大數據、云計算、物聯網、區(qū)塊鏈等技術的不斷發(fā)展及其與工業(yè)機器人的深度融合，新一代智能制造是“數字化+網絡化+智能化”的深度融合，并貫穿于產品設計、制造、服務全生命周期的各個環(huán)節(jié)[4]，在教學過程中，讓學生對工業(yè)機器人整個生命周期有一個詳細的了解，如工業(yè)機器人的設計、制造、銷售、應用、售后、回收等，便于學生對自己未來如果從事工業(yè)機器人相關的職業(yè)有初步的思考。梳理教學內容的邏輯關系，提煉邏輯主線，并將邏輯主線反復灌輸給學生，根據教學內容和邏輯主線，形成圖2所示的一套完整的、面向“三高四新”的課程體系。

2.2 教學方法

原有的教學方法主要是對照教材和課件進行課程內容的講授，然后布置一定的課后作業(yè)，屬填鴨式教學，教學效果較差。為了能增強學習效果，采用案例教學法，首先案例的選擇采用第一次企業(yè)實踐參觀過的工業(yè)機器人應用場景，如北京汽車株洲基地的汽車發(fā)動機裝配生產線，在參觀的時候對應用場景進行講解的同時，提出問題，使學生產生濃厚的學習興趣，然后在課堂上教師結合教學內容對案例進行深入的講解，制定研究學習的目標。然后讓學生根據學習目標，消化課堂內容并進行自主學習，完成學習目標，并在課堂上進行小組討論和結果展示，最后每位學生形成大作業(yè)文檔中的一個章節(jié)。

2.3 實踐教學

實踐教學方面，首先將實踐教學課時由4課時增加為10課時，分為上機（4學時）、校內實驗室實踐（2學時）和企業(yè)實踐（4學時）。其次，調整實踐教學在整個課程教學中的時間順序，在導論課程之后，即安排一次工業(yè)機器人在先進制造業(yè)企業(yè)中的認知實踐課程，使學生對工業(yè)機器人及其應用有個直觀的了解，在機械結構設計時，讓學生進行三維模型的建模上機，然后回歸前置課程內容，讓學生進行MATLAB機器人上機實踐，分析設計好的工業(yè)機器人的運動學方程、軌跡規(guī)劃等。第三，實踐教學緊密圍繞湖南省先進制造業(yè)，特別是株洲本地制造業(yè)，與中國中車、中國航發(fā)建立合作關系[5]，成立實踐基地，使學生對工業(yè)機器人的應用有更為深入的了解。最后，通過大作業(yè)的方式將上機、校內實驗和企業(yè)實踐結合起來，提高大作業(yè)在期末成績中的占比，學生需要課外花時間才能完成大作業(yè)，增加了學生的自主學習的壓力，同時也調動了學生自主學習的積極性。

2.4 優(yōu)化課時分配，調整考核方式

在總學時不變的情況下，減少理論學時為30學時，增加上機、實踐學時為10個學時，并將課程內容與上機、實踐學習內容更為精密的結合起來，形成一份系統的“大作業(yè)”，并將“大作業(yè)”占期末總成績的比例提高至45%，一方面使學生掌握工業(yè)機器人系統的知識體系，包括工業(yè)機器人的發(fā)展背景、發(fā)展趨勢、設計、制造、關鍵零部件、應用等，另一方面鍛煉了學生將上機、實踐成果寫出文件的能力，為畢業(yè)設計和以后的工作奠定文檔撰寫基礎。同時期末考試試卷增加開放性題目，考察學生對工業(yè)機器人在先進制造業(yè)中的應用。

3? 結論

工業(yè)機器人是先進制造業(yè)的重要技術裝備，是衡量國家科技創(chuàng)新的重要指標。為了適應專業(yè)發(fā)展需求，更好地服務“三高四新”戰(zhàn)略，對《工業(yè)機器人及其應用》課程目前存在的問題進行了分析，從課程內容、課程體系、教學方法、實踐教學和考核方式方面進行了改革，使課程更“接地氣”，使學生更容易掌握課程內容，提高了學生應用機器人服務先進制造業(yè)的能力。

參考文獻：

[1]許達哲.為實施“三高四新”戰(zhàn)略 建設現代化新湖南提供堅強法治保障[J].新湘評論，2021，4（11）：9-12.

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[3]劉建江，蔡瑩，袁冬梅.湖南省智能制造快速發(fā)展的推進戰(zhàn)略[J].長沙理工大學學報（社會科學版），2019，154（06）：93-101.

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[5]周楓林，余江鴻，廖海洋，等.“新工科”背景下機械類專業(yè)校企合作培養(yǎng)模式[J].內燃機與配件，2019（17）.