“機(jī)器人技術(shù)”課程的教學(xué)改革實(shí)踐研究*

鄭旸初 ， 王文安

（溫州理工學(xué)院智能制造與電子工程學(xué)院，浙江 溫州 325035）

0 前言

“機(jī)器人技術(shù)”課程是機(jī)械工程、機(jī)器人工程等專業(yè)的學(xué)生需要學(xué)習(xí)的一門十分重要的專業(yè)課程。近年來，機(jī)器人產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展，新興市場(chǎng)迅速開辟，為經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)貢獻(xiàn)了重要力量。我國(guó)已成為全球最大的機(jī)器人市場(chǎng)，工業(yè)機(jī)器人、特種機(jī)器人、服務(wù)機(jī)器人等在工業(yè)、軍工、民生領(lǐng)域發(fā)揮顯著作用，成為必不可少的設(shè)備[1]。目前，機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)在很多領(lǐng)域得到了應(yīng)用，比如在工業(yè)生產(chǎn)線上利用機(jī)器人技術(shù)執(zhí)行焊接、噴涂、裝配的工序，再比如餐館和賓館中的送餐機(jī)器人、物流行業(yè)中的分揀機(jī)器人以及家庭中的掃地機(jī)器人，機(jī)器人技術(shù)早已與日常工作和生活融為一體[2]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)工業(yè)機(jī)器人在2015—2019 年的產(chǎn)量逐年增加。2019 年為18.7 萬(wàn)臺(tái)（套），比2018年同期增長(zhǎng)27%，增速比2016 年和2017 年有所放緩，這兩年增速分別為120%和81%。工業(yè)機(jī)器人銷量方面，2018—2019 年我國(guó)工業(yè)機(jī)器人銷量呈下滑趨勢(shì)。2017 年我國(guó)市場(chǎng)共銷售工業(yè)機(jī)器人15.9 萬(wàn)臺(tái)，2018年約銷售15.6萬(wàn)臺(tái)，同比下降1.89%[3]。

從整體上看，市場(chǎng)對(duì)機(jī)器人相關(guān)人才的需求是非常迫切的。因此，“機(jī)器人技術(shù)”課程不僅要為學(xué)生打下堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，也需要理論聯(lián)系實(shí)際，為學(xué)生在有限的課時(shí)中設(shè)置合適的實(shí)踐內(nèi)容[4-7]。在全面深化高等教育教學(xué)改革中，對(duì)該課程教學(xué)改革勢(shì)在必行，鑒于此，課題組針對(duì)“機(jī)器人技術(shù)”課程教改進(jìn)行探討。

1 課程現(xiàn)狀

“機(jī)器人技術(shù)”課程是一門綜合性課程，與之相關(guān)的課程有電工電子學(xué)、單片機(jī)原理與應(yīng)用、傳感器技術(shù)、PLC 原理與應(yīng)用等。在智能制造的背景下，對(duì)工業(yè)機(jī)器人的技術(shù)人員提出了更高的要求。因此，課程必須實(shí)現(xiàn)與相關(guān)實(shí)際工作內(nèi)容的呼應(yīng)，讓學(xué)生學(xué)有所成，學(xué)有所用。

對(duì)“機(jī)器人技術(shù)”課程的教學(xué)情況進(jìn)行總結(jié)，表現(xiàn)出以下幾方面的問題。

1.1 教學(xué)方式傳統(tǒng)

在教學(xué)的實(shí)施過程中，部分教師沒有脫離傳統(tǒng)的教學(xué)模式，采用傳統(tǒng)的“灌輸式”教學(xué)。在這個(gè)教學(xué)模式中，學(xué)生在學(xué)習(xí)中遇到困難時(shí)，是請(qǐng)教老師進(jìn)行解決，而不是自己想辦法去解決問題，這種情況造成了學(xué)生的自主能力較差，責(zé)任感也不強(qiáng)。

1.2 理論與實(shí)踐教學(xué)脫節(jié)

由于缺乏必要的實(shí)踐條件，教學(xué)過程中只能把時(shí)間主要集中在理論教學(xué)上，實(shí)踐教學(xué)的時(shí)間往往很短，基本上只能算是走過場(chǎng)，難以達(dá)到應(yīng)有的實(shí)踐教學(xué)效果。而理論教學(xué)失去了實(shí)踐教學(xué)的支撐，成了無(wú)本之木，造成理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)脫節(jié)現(xiàn)象嚴(yán)重。

1.3 實(shí)踐教學(xué)與實(shí)際工程聯(lián)系不緊密

學(xué)生缺乏對(duì)企業(yè)情況的認(rèn)知，對(duì)企業(yè)發(fā)生的各種問題缺乏考慮。這種情況就導(dǎo)致學(xué)生在做設(shè)計(jì)時(shí)，一方面，由于對(duì)企業(yè)的實(shí)際情況不熟悉，不能很好地設(shè)計(jì)作品；另一方面，對(duì)本身的設(shè)計(jì)作品認(rèn)識(shí)不足，設(shè)計(jì)出來的作品不切實(shí)際，不能得到很好的應(yīng)用。

2 教學(xué)改革措施

通過本教改課題的實(shí)施，解決原有的“機(jī)器人技術(shù)”課程實(shí)踐內(nèi)容不夠豐富、理論與實(shí)踐部分脫節(jié)、實(shí)踐教學(xué)投入不足的問題，以基于“知識(shí)膠囊”式實(shí)踐教學(xué)法的教學(xué)理念，設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)要求和教學(xué)方案。在此基礎(chǔ)上，重新修訂理論教學(xué)大綱、課程教學(xué)方案以及考核評(píng)價(jià)體系來對(duì)專業(yè)課程進(jìn)行深入改革，并最終實(shí)現(xiàn)專業(yè)理論課程與實(shí)踐教學(xué)的深度對(duì)接。

“知識(shí)膠囊”這個(gè)概念最早來自于豆瓣時(shí)間和喜馬拉雅等平臺(tái)，這類平臺(tái)提供諸如電影解析類、歷史解讀類等的課程，讓人們能夠利用碎片時(shí)間來掌握知識(shí)。對(duì)于大學(xué)課程來說，“知識(shí)膠囊”的模式可以加以借鑒，由于課時(shí)有限，老師把機(jī)器人實(shí)操和一些知識(shí)點(diǎn)錄制成視頻或音頻，上傳至MOOC 或SPOC平臺(tái)以方便學(xué)生查看。從實(shí)質(zhì)上說，這是對(duì)教學(xué)方式和教學(xué)關(guān)系的一種重塑，課程不再局限于教室，這對(duì)老師提出了更高要求，不但要把握課堂時(shí)間，進(jìn)行理論知識(shí)的傳授，而且要以通俗易懂的語(yǔ)言，把復(fù)雜的實(shí)際案例錄制成視頻或音頻，讓學(xué)生能夠輕松理解。

“知識(shí)膠囊”作為一種重新定義的微課，能夠從多方面、多維度吸引學(xué)生，讓學(xué)生對(duì)知識(shí)有選擇性，并且知識(shí)也更具有針對(duì)性和便捷性。教師的教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生的學(xué)習(xí)行為共同決定了課程質(zhì)量，課堂學(xué)習(xí)和線上學(xué)習(xí)都具有一定的特點(diǎn)。其中，課堂學(xué)習(xí)的優(yōu)勢(shì)在于面對(duì)面的有效互動(dòng)，缺點(diǎn)在于學(xué)生被動(dòng)接受知識(shí)，不利于培養(yǎng)學(xué)生的自主思考意識(shí)；而線上學(xué)習(xí)的優(yōu)勢(shì)在于時(shí)間的自由、資源的豐富，缺點(diǎn)在于人與人之間的聯(lián)系較弱。兩者相結(jié)合才能夠發(fā)揮出更大的優(yōu)勢(shì)。

因此，在“機(jī)器人技術(shù)”課程的改革中，在原基礎(chǔ)上轉(zhuǎn)型升級(jí)，將整塊時(shí)間轉(zhuǎn)為碎片化時(shí)間，通過雨課堂對(duì)學(xué)生進(jìn)行課前和課后管理。在一個(gè)章節(jié)完成時(shí)發(fā)送提前錄制好的視頻和音頻，進(jìn)行線上線下聯(lián)動(dòng)，學(xué)生需要在線上查看視頻并完成題目，視頻觀看情況和答題情況會(huì)折算成平時(shí)成績(jī)，通過這種方式培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力。在課堂的基礎(chǔ)上，教師對(duì)知識(shí)再進(jìn)一步深加工，使知識(shí)的傳授不局限于課堂，保證知識(shí)的實(shí)時(shí)更新和有效鏈接，更好地配合學(xué)生進(jìn)行理論和實(shí)踐的結(jié)合。

各章節(jié)知識(shí)的“知識(shí)膠囊”安排如表1 所示，與各個(gè)章節(jié)結(jié)合，使之具有較強(qiáng)的連續(xù)性。

表1 教改內(nèi)容安排表

通過以上方案的實(shí)施，達(dá)成了一些學(xué)習(xí)效果，具體內(nèi)容如下：

1）加深對(duì)工業(yè)機(jī)器人的認(rèn)知。如工業(yè)機(jī)器人分類、工業(yè)機(jī)器人的組成，了解工業(yè)機(jī)器人技術(shù)發(fā)展過程、典型機(jī)器人產(chǎn)品和前沿技術(shù)，激發(fā)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)熱情。經(jīng)過課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握機(jī)器人的基本概念，并學(xué)會(huì)通過ABB、Fanuc、庫(kù)卡和新松等公司網(wǎng)站查看設(shè)備型號(hào)和參數(shù)。

2）掌握工業(yè)機(jī)器人的環(huán)境感知技術(shù)。工業(yè)機(jī)器人感知系統(tǒng)通常由多種傳感器組成，用于感知自身狀態(tài)和外部環(huán)境，通過信息來決策和控制工業(yè)機(jī)器人完成任務(wù)。通過學(xué)習(xí)，學(xué)生掌握姿態(tài)傳感器、力覺傳感器、觸覺傳感器、壓覺傳感器、接近覺傳感器和視覺傳感器的工作原理和應(yīng)用場(chǎng)合。

3）掌握工業(yè)機(jī)器人的通信技術(shù)。工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、通信網(wǎng)絡(luò)和自動(dòng)控制技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物。工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)了企業(yè)信息集成系統(tǒng)和管理控制一體化系統(tǒng)發(fā)展的需要，是IT 技術(shù)在自動(dòng)控制領(lǐng)域的延伸，是自動(dòng)控制領(lǐng)域的局域網(wǎng)。工業(yè)機(jī)器人作為智能設(shè)備在編程、調(diào)試、運(yùn)行、維護(hù)的過程中需要通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，為了和PLC 等其他工業(yè)設(shè)備進(jìn)行系統(tǒng)集成，需要DeviceNet、Profibus、Profinet、Ethernet/IP 等工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信接口。通過課程學(xué)習(xí)，學(xué)生掌握這些接口的物理層接口和協(xié)議層的設(shè)置。

4）掌握工業(yè)機(jī)器人的控制技術(shù)。工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)用于對(duì)設(shè)備的控制，以完成特定的工作任務(wù)，基本功能包括記憶功能、示教功能、與外圍設(shè)備聯(lián)系功能、人機(jī)接口、傳感器接口、位置伺服功能、故障診斷安全保護(hù)功能。

5）掌握工業(yè)機(jī)器人的編程。工業(yè)機(jī)器人編程方式主要經(jīng)歷三個(gè)階段：示教再現(xiàn)編程階段、離線編程階段和自主編程階段。對(duì)各種實(shí)用性機(jī)器人來說，示教再現(xiàn)編程具有諸多優(yōu)點(diǎn)，是功能實(shí)現(xiàn)的最佳途徑。

錄制使用的機(jī)器人為一臺(tái)Fanuc 六軸并聯(lián)機(jī)器人，如圖1 所示，以及一臺(tái)ABB 串聯(lián)機(jī)器人。錄制在一定程度上解決了設(shè)備數(shù)量不足、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中學(xué)生參與度低的問題。通過線上學(xué)習(xí)，每位學(xué)生都能夠身臨其境地參與設(shè)備的使用。

圖1 并聯(lián)機(jī)器人系統(tǒng)

并聯(lián)機(jī)器人系統(tǒng)由電氣部分與設(shè)備模塊組成。電氣部分包括：PLC 模塊單元、觸摸屏模塊單元、變頻器模塊單元、電源模塊單元、操作箱按鈕單元、接線端子排和各種傳感器等。設(shè)備模塊包括：輸送線模塊、物料存儲(chǔ)模塊、視覺支架模塊、整體框架承載臺(tái)。ABB 機(jī)器人型號(hào)為IRB120，具有六自由度，平臺(tái)除機(jī)器人外還包括加工單元、裝配單元、分揀單元、輸送單元和碼垛單元。在這兩套設(shè)備的基礎(chǔ)上制作了部分音頻和視頻材料。

課程的考核方式從原來的平時(shí)成績(jī)40%和期末考試60%，調(diào)整為平時(shí)成績(jī)50%和期末50%，其中平時(shí)成績(jī)由線下成績(jī)和線上成績(jī)組成。

3 結(jié)語(yǔ)

通過線上與線下的結(jié)合，讓學(xué)習(xí)不局限在教室中，學(xué)生可以利用課余時(shí)間，到線上平臺(tái)觀看課后教師上傳的視頻和音頻。在這個(gè)過程中，教師要多進(jìn)行啟發(fā)，激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的熱情，這同時(shí)也能提高課堂上學(xué)生的參與度，提高教學(xué)質(zhì)量。課程對(duì)2017 級(jí)、2018 級(jí)機(jī)械工程專業(yè)學(xué)生進(jìn)行了兩輪的教學(xué)改革實(shí)踐，重新設(shè)計(jì)了課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式和教學(xué)方法，專業(yè)理論課程與實(shí)踐教學(xué)方案深度對(duì)接，線上與線下教學(xué)相結(jié)合，不斷完善成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)體系，使課程的改革建設(shè)取得良好成效。經(jīng)過課程學(xué)習(xí)，學(xué)生申報(bào)學(xué)生項(xiàng)目的熱情得到提高，競(jìng)賽獲獎(jiǎng)情況改善，學(xué)生評(píng)教分?jǐn)?shù)提升，對(duì)課程滿意度高。