機器人鏈接下機電類課程一體化教學(xué)模式探索

邱學(xué)晶 夏晶 鄺林娟 李曼

摘要：針對現(xiàn)有機電類課程具有離散化、獨立化特點，學(xué)生學(xué)習缺乏系統(tǒng)性和整體性的問題，以機械電子專業(yè)為試點，研究探索機器人鏈接下機電類課程一體化教學(xué)模式改革，開展機器人鏈接下機電類課程一體化教學(xué)改革實踐。機器人課程綜合性極強，與機械設(shè)計基礎(chǔ)、傳感測試技術(shù)、機械工程控制技術(shù)等機電類課程有密切的聯(lián)系。探索機器人課程鏈接機電類課程一體化教學(xué)模式，應(yīng)在教學(xué)中充分體現(xiàn)理論與實踐有機融合的工程教育理念，結(jié)合機器人技術(shù)制定機電類課程大綱和實踐教學(xué)大綱，設(shè)計或引進適用于機電類課程一體化教學(xué)的機器人平臺，更新專業(yè)課教學(xué)內(nèi)容，形成鮮明特色的機電專業(yè)培養(yǎng)方案，使理論結(jié)合實際更緊密，教學(xué)內(nèi)容更具有工程性和實用性，有利于學(xué)生工程素質(zhì)和實踐能力的培養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：機器人;機電類課程;一體化教學(xué)

中圖分類號：G642;TH-39文獻標識碼：A文章編號：2095-6916（2021）17-0098-03

機器人是當今前沿高技術(shù)研究最活躍的領(lǐng)域之一，很多發(fā)達國家把發(fā)展機器人技術(shù)上升為國家戰(zhàn)略[1]。機器人產(chǎn)業(yè)面臨巨大挑戰(zhàn)的根本在于專業(yè)人才，機器人行業(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]。近年來國內(nèi)一些高校相繼開設(shè)機器人本科課程，在研究生一級學(xué)科下自主設(shè)置機器人學(xué)科方向，呈現(xiàn)出機器人研發(fā)和人才培養(yǎng)的熱潮。

機器人是一個融基礎(chǔ)性、綜合性、前沿性、開拓性于一體的先進性創(chuàng)新平臺，涉及機械設(shè)計基礎(chǔ)、機械控制工程、傳感檢測技術(shù)及機電一體化系統(tǒng)設(shè)計等，具有綜合性和實踐性較強的特點，與傳統(tǒng)的機電類學(xué)科有著千絲萬縷的聯(lián)系[3]?？梢哉f機器人技術(shù)涉及整個機電專業(yè)的知識，而機器人本身就是機電專業(yè)應(yīng)用的典型實例。因此，可以由機器人這一主線鏈接機械電子工程核心課程，設(shè)計以“機器人認識+課程學(xué)習+機器人設(shè)計”的三級學(xué)習方式組織教學(xué)，形成機器人鏈接下的機電類課程一體化教學(xué)模式，以解決現(xiàn)行基于學(xué)科體系課程設(shè)置所存在的知識分散、缺乏關(guān)聯(lián)和實踐等問題。雖然國內(nèi)一些高校已開展機器人教學(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，如何以機器人為載體將機電類課程聯(lián)系在一起還需探索和研究。

一、背景分析

機電類專業(yè)課作為工程知識學(xué)習的主要內(nèi)容，在教學(xué)中必須遵循工程知識所具有的綜合性、實踐性、關(guān)聯(lián)性和遞進性特點。在現(xiàn)有的以學(xué)科體系為基礎(chǔ)的課程設(shè)置中，工程知識分散在各個個體課程中，缺乏工程實際情境化的有效的聯(lián)系，學(xué)生所面對的是一門門獨立的課程，知識的學(xué)習停留在點上，沒有延伸到線和面，很難構(gòu)成較為完整的知識體系。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)容之間存在著知識的關(guān)聯(lián)和融合[4-6]。要促進知識點向知識面延伸，建構(gòu)知識體系，就需要將分散的個體課程通過工程實際有機地連接起來，使學(xué)生在一個情景化的主線引導(dǎo)下進行知識的學(xué)習、知識的綜合和與工程實際的關(guān)聯(lián)。

本團隊前期曾探索了機電綜合實驗鏈接下的機電類課程一體化教學(xué)模式，機電綜合實驗是集機、電、液、測、控多門課程知識于一體的綜合性實驗教學(xué)環(huán)節(jié)，實驗平臺為典型的機電一體化系統(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、獨立化，學(xué)習缺乏系統(tǒng)性和整體性的問題，但其實驗的設(shè)置依舊相對獨立和繁雜，無法像機器人技術(shù)一樣完美地將機電類課程知識點融為一體，無疑，機器人是鏈接機電類課程知識的最佳載體。

機器人作為典型的機電一體化系統(tǒng)實例，通過探索和實踐機器人鏈接下的機電類課程一體化教學(xué)模式，可以更新現(xiàn)有教學(xué)理念、知識結(jié)構(gòu)、教學(xué)內(nèi)容，確保機電類課程教學(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)時代發(fā)展要求。

二、機器人與機電類課程間的關(guān)聯(lián)分析

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

（一）機器人與機械設(shè)計基礎(chǔ)

五指靈巧手機器人采用模塊化手指設(shè)計，每個手指涉及外觀件、支撐件、傳動系統(tǒng)等機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計，同時還涉及輕量化、小型化和模塊化的機械設(shè)計思路?？梢姡瑱C器人設(shè)計需要扎實的機械設(shè)計基礎(chǔ)、較強的創(chuàng)新力。目前，機電專業(yè)機電類課程中《機械設(shè)計基礎(chǔ)》這門課程主要在于培養(yǎng)學(xué)生基本的機械設(shè)計能力和現(xiàn)代設(shè)計意識，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突出，使學(xué)生能舉一反三、觸類旁通;“精”指的是重點通透;“博”指的是知識面廣博;“通”指的是在解決實際工程問題時能浮想聯(lián)翩、應(yīng)對自如。以機器人為實例引入《機械設(shè)計基礎(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、能力的培養(yǎng)。

（二）機器人與傳感測試技術(shù)

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

（三）機器人與機械工程控制技術(shù)

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

（四）機器人與機電一體化系統(tǒng)設(shè)計

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

（五）機器人與機器人學(xué)

《機器人學(xué)》作為一個新興工科課程，其實踐性很明顯。然而該門課程沿襲傳統(tǒng)的傳授方法，教學(xué)內(nèi)容偏于理論，側(cè)重于機器人數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建，如機器人運動學(xué)、靜力學(xué)和動力學(xué)的模型，課程內(nèi)容雖然涉及機械、感知和控制，但這些內(nèi)容默認以在前期的先導(dǎo)課程中學(xué)習過，因此不再詳細地講解，這導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習《機器人學(xué)》時感覺知識過于抽象，無法和實踐相聯(lián)系。

三、機器人鏈接下機電類課程一體化教學(xué)模式探索

要實現(xiàn)機器人鏈接機電類課程一體化教學(xué)需要解決如下問題：機器人技術(shù)和機電類課程各知識點和教學(xué)模式的融合問題;滿足機電類課程一體化實踐教學(xué)要求的機器人平臺設(shè)計問題。因此，將采用如下措施解決以上問題。

（一）結(jié)合機器人技術(shù)制定機電類課程大綱和實踐教學(xué)大綱

在進行教學(xué)模式設(shè)計時，要著重研究機械電子專業(yè)課程學(xué)習與機器人之間的關(guān)系，探尋與機電類課程內(nèi)容有效結(jié)合的實施方法，重新制定機器人技術(shù)的機電類課程大綱和相應(yīng)的實踐教學(xué)大綱，保證課程之間知識的銜接性和完整性。在機器人技術(shù)的機電類課程大綱的指導(dǎo)下制訂實踐教學(xué)大綱，選擇和設(shè)計相應(yīng)的機器人平臺用于一體化教學(xué)的實踐環(huán)節(jié)，解決現(xiàn)有機器人無法直接進入課堂的問題，使理論和實踐相結(jié)合。

（二）設(shè)計適用于機器人鏈接下機電類課程一體化教學(xué)的機器人平臺

目前常用的工業(yè)機器人，其重量大、速度快、造價高、培訓(xùn)時間長，既不直觀也存在危險，不利于學(xué)生進行學(xué)習實踐，很難直接引入課堂。為了解決這個問題，提高實踐教學(xué)質(zhì)量，需要注重學(xué)生工程應(yīng)用能力的培養(yǎng)，在新制定的實踐教學(xué)大綱指導(dǎo)下，設(shè)計適用于機器人鏈接下機電類課程一體化教學(xué)的機器人平臺，以滿足教學(xué)的特殊需求（輕量化，高性價比，方便觀察，安全等）。教學(xué)機器人平臺可分為認知實踐和綜合實踐兩類，有助于讓學(xué)生充分了解工業(yè)機器人的基本概念和工作原理，掌握機器人硬件設(shè)計和控制原理的基礎(chǔ)知識，強化機器人技術(shù)應(yīng)用能力的培養(yǎng)。

（三）開展機器人鏈接下機電類課程一體化教學(xué)模式改革和研究

以“機器人認識+課程學(xué)習+機器人設(shè)計”的方式組織教學(xué)過程，形成機器人驅(qū)動，相互促進、理論和實踐相結(jié)合的教學(xué)法，激發(fā)學(xué)生興趣、引導(dǎo)學(xué)生思考，并通過機器人強化和鞏固學(xué)生對機電類知識的掌握。

首先，在主干專業(yè)課教學(xué)中，可以以機器人系統(tǒng)為引導(dǎo)，鏈接機械設(shè)計基礎(chǔ)、機電一體化系統(tǒng)設(shè)計、測試技術(shù)與信息處理、計算控制技術(shù)、機器人技術(shù)與電氣控制等多門專業(yè)課程，構(gòu)成機電類課程鏈。以“機器人認識+課程學(xué)習+機器人設(shè)計”的方式組織教學(xué)過程，構(gòu)成機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展教學(xué)改革。進入課程教學(xué)前，安排2～4學(xué)時的機器人認識實驗，以了解機器人系統(tǒng)組成和基本工作過程，使學(xué)生對機器人典型機電一體化系統(tǒng)有一個初步認識。課程學(xué)習時，將機器人系統(tǒng)中相應(yīng)的環(huán)節(jié)納入課程教學(xué)案例。教學(xué)中多門課程聯(lián)動，通過機器人平臺將知識鏈接起來。在專業(yè)課程學(xué)習完成之后，通過集中兩周機器人綜合設(shè)計，進一步強化學(xué)生對知識的系統(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)性和整體性的問題，學(xué)生既學(xué)習了通用知識又學(xué)習了機器人方面的知識。

五、結(jié)語

針對現(xiàn)有機電類課程離散化、獨立化，學(xué)生學(xué)習缺乏系統(tǒng)性和整體性的問題，以機械電子專業(yè)為試點，研究探索機器人鏈接下機電類課程一體化教學(xué)模式改革符合新時期高等教育理念，緊密結(jié)合高級工程技術(shù)人才培養(yǎng)實際情況，具有較強的科學(xué)性和前瞻性。著眼于新時代對機電類專業(yè)人才的新需求，結(jié)合機器人技術(shù)，探索機電類課程改革，將會對形成具有特色的機械電子專業(yè)教育培養(yǎng)模式，完善現(xiàn)行應(yīng)用型人才培養(yǎng)體系，保障機電綜合性人才培養(yǎng)質(zhì)量起到顯著的促進作用，具有較高的推廣價值。

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作者簡介：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，研究方向為教育管理。

夏晶（1984—），男，漢族，陜西旬陽人，單位為西安科技大學(xué)，研究方向為機器人技術(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，研究方向為機械電子。

李曼（1964—），女，漢族，陜西周至人，西安科技大學(xué)教授，研究方向為機器人技術(shù)。

（責任編輯：朱希良）