智能制造背景下應(yīng)用型本科院?！肮I(yè)機器人”教學(xué)改革探討

韋慧玲

（佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院機電工程與自動化學(xué)院，廣東 佛山528000）

1 前言

2013年，德國率先提出了工業(yè)4.0戰(zhàn)略發(fā)展規(guī)劃綱要，推動制造業(yè)轉(zhuǎn)向智能化、信息化以及數(shù)字化發(fā)展，以智能機器人為代表的智能制造和高端裝備成了產(chǎn)業(yè)升級最先進(jìn)的生產(chǎn)工具。緊接著，國家將加快工業(yè)機器人應(yīng)用、促進(jìn)機器人模塊化發(fā)展、突破機器人技術(shù)瓶頸等列入國家重大戰(zhàn)略規(guī)劃《中國制造2025》[1]?！痘浉郯拇鬄硡^(qū)發(fā)展規(guī)劃綱要》指出，要推動制造業(yè)智能化發(fā)展，以機器人及其關(guān)鍵零部件、高速高精加工裝備和智能成套裝備為重點，大力發(fā)展智能制造裝備和產(chǎn)品，培育高端裝備制造、智能機器人等重大產(chǎn)業(yè)項目[2]?！吨榻靼断冗M(jìn)裝備制造產(chǎn)業(yè)帶布局和項目規(guī)劃》明確提出，佛山市要重點發(fā)展關(guān)鍵智能制造基礎(chǔ)共性技術(shù)，推進(jìn)以自動控制系統(tǒng)、工業(yè)機器人、伺服和執(zhí)行部件為代表的智能裝置的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化，大幅提高制造過程信息化水平，提升重大智能成套裝備的集成水平，形成高度靈活、個性化、網(wǎng)絡(luò)化的產(chǎn)業(yè)鏈[3]。這些重大戰(zhàn)略規(guī)劃都明確了智能制造是中國制造業(yè)發(fā)展的方向。因此，自動化、高效率、智能化的工業(yè)機器人將成為中國制造業(yè)最重要的生產(chǎn)資料[4]。隨之增長的是企業(yè)對具有工業(yè)機器人技術(shù)專業(yè)知識理論和實操技能的人才的迫切需求。因此，在智能制造背景下，近年來大部分應(yīng)用型本科院校的機械工程專業(yè)和自動化專業(yè)都開展了雙語課程“工業(yè)機器人”。

“工業(yè)機器人”這門雙語課程作為機械工程專業(yè)和自動化專業(yè)一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，主要由理論知識和實操技能訓(xùn)練兩部分組成。理論知識部分公式繁多，內(nèi)容融合了機器人、高等數(shù)學(xué)、矩陣論等多學(xué)科知識，在授課過程中出現(xiàn)了枯燥乏味、學(xué)習(xí)熱情不高漲等問題。實操技能訓(xùn)練部分是由實驗員代課，主要通過虛擬平臺演示和機械臂展示，出現(xiàn)了理論無法聯(lián)系實踐、學(xué)生動手能力沒得到訓(xùn)練等問題。同時，由于雙語課“工業(yè)機器人”是一門新興交叉學(xué)科的課程，國內(nèi)外可參考的課程設(shè)置體系不多，導(dǎo)致出現(xiàn)了學(xué)時分配不合理、教學(xué)大綱有缺陷、教材選擇不適合等問題。

因此，針對雙語課“工業(yè)機器人”在教學(xué)過程中出現(xiàn)的問題，如何提高雙語課程“工業(yè)機器人”的教學(xué)效果，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)造思維以及實操技能，是當(dāng)下教學(xué)改革必須深入探討的問題。

2 雙語課“工業(yè)機器人”教學(xué)現(xiàn)狀剖析

要想對課程設(shè)置進(jìn)行教學(xué)改革，必須要深入剖析當(dāng)前課程在教學(xué)過程中出現(xiàn)的問題。在總結(jié)目前雙語課程“工業(yè)機器人”的教學(xué)現(xiàn)狀基礎(chǔ)上，歸納了以下幾個突出問題：①教材選擇不適合。智能制造背景下對人才的要求是理論性與實踐性兼?zhèn)洹５壳肮I(yè)機器人相關(guān)的教材很多，每種教材的內(nèi)容側(cè)重點都不同，且有些教材滯后于工業(yè)自動化智能制造的發(fā)展。而有些教材只注重理論知識教學(xué)，未涉及編程等實操能力的訓(xùn)練。這使得教學(xué)質(zhì)量跟不上社會、企業(yè)的需要。因此，當(dāng)前的教材難以適應(yīng)應(yīng)用型本科院校學(xué)生的教學(xué)需求[5]。對于雙語課程的教材要求，就是英文原版的工業(yè)機器人教材，而國外真正命名為“工業(yè)機器人”的英文教材是沒有的。因此，很多院校就選擇了華中科技大學(xué)出版社出版的《工業(yè)機器人》中文教材，這樣就導(dǎo)致了與教學(xué)大綱雙語課程要求的英文教材、英文教學(xué)相矛盾。同時，這本教材屬于普及性教材，很多公式的推導(dǎo)過程都省略了，直接給出結(jié)果，學(xué)生難以理解。更重要的是，這本教材沒有虛擬仿真編程技能訓(xùn)練內(nèi)容。②教學(xué)課時安排不合理。雙語課“工業(yè)機器人”是一門理論+實操的課程，其目的是讓學(xué)生掌握工業(yè)機器人的機構(gòu)設(shè)計、運動學(xué)、動力學(xué)、靜力學(xué)、軌跡生成以及控制系統(tǒng)等相關(guān)基礎(chǔ)理論和技術(shù)要點，同時加強學(xué)生的專業(yè)英語文獻(xiàn)閱讀及寫作能力，更重要的是掌握工業(yè)機器人典型機械臂的操作能力。因此，在課時安排上，總課時要充足，同時理論課時與實操課時要平衡。當(dāng)前的課時安排是34理論課時加6課時實驗課時。而國外哈佛大學(xué)工業(yè)機器人的課時是34理論課時加22實驗課時。斯坦福大學(xué)是43理論課時，加州理工大學(xué)是42理論課時[6]。可見當(dāng)前的課時設(shè)置是相當(dāng)不合理的，實驗課時比哈佛大學(xué)少了整整16個課時，學(xué)生在聽實驗課教師的講解中完成了實驗課，沒有動手操作的機會，如何去掌握工業(yè)機器人的實操技能呢？同時，理論課時比斯坦福大學(xué)和加州理工大學(xué)都少了約10課時。課時的縮減讓教師無法詳細(xì)給學(xué)生講解理論知識，加上這是雙語課程，非母語的學(xué)生在聽課和閱讀教材上就要耗費更多時間。教學(xué)課時安排太少，導(dǎo)致教師無法教好，學(xué)生無法透徹理解，導(dǎo)致教學(xué)效果變差。③教學(xué)內(nèi)容不全面。由于雙語課程“工業(yè)機器人”是建立在學(xué)生學(xué)習(xí)了機械原理、高等數(shù)學(xué)、矩陣論、工程力學(xué)等學(xué)科基礎(chǔ)上的，要求學(xué)生具有扎實的數(shù)學(xué)、力學(xué)計算能力，同時擁有一定的計算機編程能力。因此，以往一般是針對研究生開設(shè)這門課程[7]，而研究生已經(jīng)系統(tǒng)學(xué)習(xí)了基礎(chǔ)課程，同時具備一定的編程能力，所以，參考其制定的教學(xué)內(nèi)容不適合本科學(xué)生。目前，本科院校雙語課程“工業(yè)機器人”的教學(xué)大綱要求掌握的教學(xué)內(nèi)容包括運動學(xué)、動力學(xué)、靜力學(xué)、機械設(shè)計四大內(nèi)容，而對于工業(yè)機器人最核心的傳感系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、編程系統(tǒng)卻不涉及，學(xué)生無法掌握工業(yè)機器人的工作原理，更無法理解工業(yè)機器人的工作指令。這顯然不符合智能制造背景下的工業(yè)機器人人才需求。工業(yè)機器人由于其特定的工作環(huán)境，控制系統(tǒng)設(shè)計與傳統(tǒng)控制技術(shù)還是存在較大區(qū)別，是非常有必要給學(xué)生傳授這部分內(nèi)容的。④實踐脫離理論。針對目前智能制造背景下社會對理工科人才的需求，“工業(yè)機器人”這門課程培養(yǎng)的人才應(yīng)該是掌握過硬的理論專業(yè)知識以及熟練的實際操作技能。然而，目前的課程設(shè)置無法達(dá)到這個效果。理論課程授課和實操課程授課不是同一位教師，這就導(dǎo)致了實操課程教師無法了解學(xué)生理論知識的掌握程度，而理論課程教師也無法了解學(xué)生的實操技能訓(xùn)練效果，直接導(dǎo)致學(xué)生、教師、課程三者無法構(gòu)成閉環(huán)反饋系統(tǒng)，難以發(fā)現(xiàn)教學(xué)過程中存在的問題，無法根據(jù)教學(xué)過程中出現(xiàn)的問題調(diào)整教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式方法；學(xué)校由于缺乏資金、場地有限、實驗室不規(guī)范、機器人教具不足等，進(jìn)而嚴(yán)重壓縮了實踐課時。

3 改革措施的探索

選擇適合的教材是提高教學(xué)質(zhì)量的關(guān)鍵[8]。因此，針對教材不適合的問題，在參考國內(nèi)蔡自興編著的《機器人學(xué)》、韓建海編制的《工業(yè)機器人》、國外的哈佛大學(xué)和斯坦福大學(xué)工業(yè)機器人課程教材《Ⅰntroduction to Robotics：Mechanics and Control》后筆者認(rèn)為機械工業(yè)出版社出版的《機器人學(xué)導(dǎo)論》（英文版，4版）比較適合。首先這本教材內(nèi)容全面，邏輯層次清晰，公式推導(dǎo)詳細(xì)易懂，重要的是每一個章節(jié)后面都附有MATLAB上機實驗作業(yè)，不僅注重學(xué)生對理論知識的培養(yǎng)，更鍛煉了學(xué)生的實際編程能力，使學(xué)生在掌握理論知識基礎(chǔ)上強化了實踐實驗?zāi)芰Α?/p>

針對教學(xué)課時安排不合理的問題，在參考國外大學(xué)的課時安排后，根據(jù)教材內(nèi)容和英語教學(xué)要求，理論課時至少安排40個課時。這樣教師有充足的時間把重點、難點問題解釋清楚，也給學(xué)生一定的時間與教師交流討論。同時，實驗課時至少安排20個課時。這不僅滿足了教師講解時間的要求，同時還保證了每個學(xué)生至少能把一款工業(yè)機器人實際操作一遍，加深學(xué)生對理論知識的理解。

針對教學(xué)內(nèi)容不全面的問題，在對教材進(jìn)行了調(diào)整后，根據(jù)教材安排教學(xué)內(nèi)容。工業(yè)機器人的傳感技術(shù)、編程語言和控制系統(tǒng)作為工業(yè)機器人工作的核心系統(tǒng)，最能體現(xiàn)工業(yè)機器人智能化的部分，要列為教學(xué)內(nèi)容中的重點難點。由于機器人控制是課程較為關(guān)鍵的一個內(nèi)容，要強化學(xué)生對這部分理論知識的掌握，為后期實踐教學(xué)打好基礎(chǔ)。總之，教學(xué)內(nèi)容的設(shè)置要讓學(xué)生對工業(yè)機器人的機械系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和感知系統(tǒng)有一個全面的理解和認(rèn)知。

針對實踐脫離理論的問題，提出增設(shè)“工業(yè)機器人結(jié)構(gòu)拆裝”“上機編程模擬計算”“實操調(diào)試”等課程實踐教學(xué)內(nèi)容和技能訓(xùn)練手段，同時鼓勵學(xué)生理論聯(lián)系實踐開發(fā)產(chǎn)品、開展實操技能比賽等措施，提高學(xué)生的課程參與度，培養(yǎng)學(xué)生對工業(yè)機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計、零部件加工、系統(tǒng)裝配、運動控制、編程與調(diào)試、日常運行與維護等實操能力。利用MATLAB中的工具箱robotics toolbox[9]、ADAMS的仿真模塊、Simulink等虛擬軟件實現(xiàn)對工業(yè)機器人虛擬樣機的控制操作，提高學(xué)生的編程能力和解決實際問題的能力。同時，把班上學(xué)生分組進(jìn)行工業(yè)機器人創(chuàng)意創(chuàng)新產(chǎn)品開發(fā)，組內(nèi)學(xué)生分工合作，實現(xiàn)工業(yè)機器人機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計、驅(qū)動系統(tǒng)搭建、控制平臺建立等，完成軌跡規(guī)劃計算。學(xué)生可以利用慧魚完成，也可以自己搭建實物。另外，開展工業(yè)機器人實操技能比賽，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情。

4 結(jié)論

“工業(yè)機器人”是一門理論性和實踐性都很強的課程，對于學(xué)生的學(xué)和教師的教都有很大挑戰(zhàn)。針對當(dāng)前課程教學(xué)中存在的問題進(jìn)行了改進(jìn)，激發(fā)學(xué)生對工業(yè)機器人學(xué)習(xí)的熱情，提高了教學(xué)效果。