面向智能制造的“機(jī)器人技術(shù)”課程教學(xué)改革探索與研究

黃建 李平

摘 要：隨著智能制造的蓬勃發(fā)展，機(jī)器人行業(yè)人才的需求量增加，以及質(zhì)量要求也逐步提高。為了培養(yǎng)出合格的本科人才，本研究針對目前機(jī)器人技術(shù)課程在面向智能制造方向本科生教學(xué)中存在課時不足、學(xué)生動力不足等問題，通過從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式、增加實(shí)驗(yàn)課課時以及考核方式等方面進(jìn)行改革，經(jīng)過對學(xué)生的回訪，教學(xué)改革后教學(xué)質(zhì)量得到了明顯提升，這也為智能制造方面人才儲備奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人技術(shù);智能制造;教學(xué)改革

1 概述

智能制造是制造業(yè)深入實(shí)施創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略的重要引擎，是我國由“制造大國”到“制造強(qiáng)國”跨越的必由之路[1]。相對于傳統(tǒng)機(jī)械制造，智能制造將更加注重多學(xué)科的交叉，新學(xué)科的融合，涉及信息流、信號處理、物流管理甚至人工智能，而支撐智能制造技術(shù)發(fā)展的一項(xiàng)有力技術(shù)就是機(jī)器人技術(shù)。在信息科學(xué)技術(shù)的支撐下，機(jī)器人也逐漸智能，不僅能根據(jù)人的指令完成相應(yīng)工作，還自行完成數(shù)據(jù)探測、自動學(xué)習(xí)與判斷、操作行為控制，因此，機(jī)器人技術(shù)也朝著更加信息化、智能化的方向發(fā)展。

目前，機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)覆蓋了汽車、制造、探測、服務(wù)以及醫(yī)療等幾乎生活中各個領(lǐng)域;另一方面，隨著我國老齡化加劇，人工成本的增加，根據(jù)聯(lián)合國歐洲經(jīng)濟(jì)委員會和國際機(jī)器人聯(lián)合會的不完全統(tǒng)計[2]，未來機(jī)器人技術(shù)將有更加廣闊的應(yīng)用空間。而我國是機(jī)器人消費(fèi)大國，人工智能和智能制造將促使我國未來消費(fèi)在機(jī)器人的市場值更大，下圖所示為中商產(chǎn)業(yè)研究院整理的近幾年來關(guān)于中國機(jī)器人市場規(guī)模，可以發(fā)現(xiàn)，從2017年至2020年，中國機(jī)器人市場規(guī)模增大了近3倍。因此，在高校開展與機(jī)器人技術(shù)相關(guān)的課程將會對我國的工業(yè)提供促進(jìn)作用，具有一定現(xiàn)實(shí)意義。

同時，2018年教育部在新時代全國高等學(xué)校本科教育工作會議上提出“打造金課，淘汰水課”的要求以及全國專業(yè)認(rèn)證大浪潮下[3]，探索如何提升“機(jī)器人技術(shù)”這門課教學(xué)質(zhì)量，為目前機(jī)械類教育帶來了新的挑戰(zhàn)。因此，針對“機(jī)器人技術(shù)”這門課程的特點(diǎn)和任務(wù)，強(qiáng)化該領(lǐng)域?qū)I(yè)人才的培養(yǎng)，為我國工業(yè)4.0的發(fā)展儲備人才，奠定良好的基礎(chǔ)。

2 機(jī)器人技術(shù)課程教學(xué)現(xiàn)狀分析

2.1 國內(nèi)高校課程開設(shè)現(xiàn)狀

首先，受限于師資條件、教學(xué)儀器設(shè)備以及學(xué)科性質(zhì)，目前工科學(xué)校中，開設(shè)與機(jī)器人相關(guān)課程的占比僅為1/5左右[4]，因此，有關(guān)機(jī)器人技術(shù)方面的本科人才較少。另一方面，該課程通常開設(shè)在第6學(xué)期，總共32學(xué)時，實(shí)驗(yàn)學(xué)時僅4學(xué)時，甚至有些學(xué)校分配的實(shí)驗(yàn)學(xué)時為0。同時，該門課程的重點(diǎn)是機(jī)器人運(yùn)動學(xué)與動力學(xué)，涉及大量的矩陣變換，都是比較抽象的內(nèi)容，比較難于形象化和理解，需要實(shí)際操作對理論知識進(jìn)行加深理解。

其次，受科研平臺、實(shí)驗(yàn)平臺、資金及其他因素的限制，與發(fā)達(dá)省份高校的開課內(nèi)容相比，本校的機(jī)器人課程開課時間較晚，因此，在教學(xué)方面的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)相對薄弱。另一方面，本校機(jī)器人方面的科研項(xiàng)目不多，關(guān)于機(jī)器人技術(shù)的前沿領(lǐng)域的涉足相對較少。因此，教學(xué)內(nèi)容與發(fā)達(dá)省份相比還存在一定的差別。

2.2 學(xué)生整體現(xiàn)狀

目前教學(xué)的學(xué)生主要是00后，00后學(xué)生主要具有以下特征：

（1）追求獨(dú)立自主的個性化。無論是價值觀還是生活態(tài)度，00后都有自己的方式，這些方式和傳統(tǒng)的方式有較大不同。因此，在教學(xué)方式上需要與他們的生活、學(xué)習(xí)方式接軌。

（2）具有良好的自主學(xué)習(xí)能力。00后從小就接觸計算機(jī)，屬于互聯(lián)網(wǎng)一代，因此，對各種信息的來源將會更迅速，自主學(xué)習(xí)能力將更強(qiáng)。因此，在教學(xué)過程中，可以拋出更多的話題，讓學(xué)生通過自己查資料而解決。

（3）務(wù)實(shí)化的生活方式。00后對學(xué)習(xí)更看重所學(xué)知識是否有用，是否對就業(yè)能有幫助，考慮到更多的是自己未來職業(yè)的發(fā)展前景。

2.3 教學(xué)現(xiàn)狀

對選修了本門課程的絕大多數(shù)學(xué)生而言，對機(jī)器人具有一定的興趣和好奇心，因此學(xué)生對這門課程本身是具有一定的學(xué)習(xí)興趣。但是，在教學(xué)過程的開展中，部分教師教學(xué)方式仍然很老舊，采用填鴨式教學(xué)，教師在黑板上推導(dǎo)公式，學(xué)生在下面記錄，這將導(dǎo)致以下問題：

（1）未給學(xué)生留下充足的思考時間。古語有云：學(xué)而不思則罔，可見在學(xué)習(xí)過程中思考的重要性。

（2）由于缺乏思考，將導(dǎo)致學(xué)生對后續(xù)講解的內(nèi)容理解不到位，對于基礎(chǔ)較差的學(xué)生來說，課程存在完全聽不懂的狀況，從而導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)積極性顯著下降，負(fù)面情緒較大。

3 機(jī)器人技術(shù)課程教學(xué)目標(biāo)

“機(jī)器人技術(shù)”是機(jī)械電子工程、機(jī)械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)的一門專業(yè)拓展課，是智能制造的核心課程。課程主要包括：緒論、機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計基礎(chǔ)、機(jī)器人操作手運(yùn)動學(xué)、機(jī)器人操作手動力學(xué)、操作機(jī)器人關(guān)節(jié)伺服驅(qū)動技術(shù)、機(jī)器人控制、機(jī)器人傳感器。注重將機(jī)器人基礎(chǔ)理論與應(yīng)用技術(shù)相結(jié)合，力求反應(yīng)機(jī)器人研究領(lǐng)域的新進(jìn)展。為后續(xù)工廠實(shí)踐、就業(yè)等奠定基礎(chǔ)，也為從事與機(jī)械相關(guān)的設(shè)計和技術(shù)工作打下基礎(chǔ)。

通過本課程的學(xué)習(xí)應(yīng)使學(xué)生掌握機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計、運(yùn)動分析、控制和使用的技術(shù)要點(diǎn)和基礎(chǔ)理論。首先，了解機(jī)器人的特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)與分類，理解機(jī)器人本體設(shè)計的思路，機(jī)器人的位置控制、柔順控制以及機(jī)器人的分解運(yùn)動控制、機(jī)器人的軌跡規(guī)劃問題。其次，機(jī)器人的功能模塊組成及其在系統(tǒng)中的作用，工業(yè)機(jī)器人及特種機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域，了解機(jī)器人的基本控制原則，機(jī)器人規(guī)劃的作用和任務(wù)。達(dá)到能夠運(yùn)用數(shù)學(xué)、自然科學(xué)、工程基礎(chǔ)和專業(yè)知識解決復(fù)雜機(jī)械電子工程問題的目標(biāo)。最后，針對不同應(yīng)用領(lǐng)域，了解機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展需求，最新技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用需求。達(dá)到能夠綜合運(yùn)用機(jī)械電子工程相關(guān)基礎(chǔ)與專業(yè)理論，根據(jù)各種物理現(xiàn)象、機(jī)械特性、電控特性，通過文獻(xiàn)研究及相關(guān)方法，調(diào)研、分析復(fù)雜工程問題的研究方案的目標(biāo)。

4 教育改革探索

4.1 教師隊(duì)伍建設(shè)

首先，完善本門課程授課教師整體結(jié)構(gòu)，包括年齡、學(xué)歷、職稱等方面，構(gòu)成合理的梯隊(duì)結(jié)構(gòu)。一方面，形成老帶新的模式，可以使青年教師在短時間內(nèi)能發(fā)揮老教師傳授的經(jīng)驗(yàn)，在教學(xué)中少走彎路，同時對本門課程的教學(xué)和計劃形成明確的規(guī)劃。另一方面，不同層次的教師可以發(fā)揮各自擅長的領(lǐng)域，可以形成百家爭鳴的景象。

其次，堅持師德師風(fēng)建設(shè)。隨著高校的發(fā)展，國家及社會對高校老師的師德師風(fēng)提出了更高的要求。良好的師德師風(fēng)，包括明確的政治立場，正確的育人觀念以及正確的學(xué)術(shù)觀，這些品質(zhì)將會在日常生活中深入學(xué)生的人生觀和價值觀，對培養(yǎng)優(yōu)秀的學(xué)生有重要的作用。

最后，加強(qiáng)教師的教學(xué)質(zhì)量建設(shè)。鼓勵青年教師多聽經(jīng)驗(yàn)豐富、教學(xué)口碑佳的老教師的課程，學(xué)習(xí)教學(xué)中的優(yōu)點(diǎn)。針對自己教授的本門課程的特點(diǎn)，進(jìn)行借鑒。同時，可以多參加青年教師說課大賽，提升教學(xué)能力。

4.2 豐富教學(xué)實(shí)例激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣

很多學(xué)生對機(jī)器人的認(rèn)識以及期望停留在科幻電影中，如漫畫里的機(jī)器貓，或者是《I ROBERT》中的機(jī)器人。因此，第一節(jié)課可以以此為切入點(diǎn)，讓學(xué)生圍繞話題：你意識中的機(jī)器人展開討論，進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。隨后，以視頻或者圖片的方式，配以講解，給學(xué)生展示新型的機(jī)器人在軍事、服務(wù)以及機(jī)械等領(lǐng)域的前沿應(yīng)用。

隨后，將實(shí)例的重點(diǎn)引入機(jī)械中，講述機(jī)器人在汽車焊接、汽車噴涂或者電子元器件裝配等領(lǐng)域的應(yīng)用，這樣將本門課和前期學(xué)習(xí)的機(jī)械專業(yè)課程結(jié)合在一起，進(jìn)一步消除了學(xué)生對本門課程的陌生感，讓他們了解本門課程的用途。

授課中，每一節(jié)課可以給學(xué)生介紹一種新型機(jī)器人，并以視頻的方式播放。在視頻播放過程中，將前期講授的一些書本上的理論知識點(diǎn)在這些實(shí)例的應(yīng)用突顯出來，使學(xué)生對抽象的知識能夠形象化理解。

隨后，教師還可以布置一項(xiàng)作業(yè)，讓學(xué)生課后調(diào)研各種新型前沿的機(jī)器人，并講清楚該機(jī)器人的使用背景、用途以及特點(diǎn)，并在課堂上讓學(xué)生互相交流調(diào)研的結(jié)果，以便學(xué)生靈活運(yùn)用書本知識和理解知識點(diǎn)，并培養(yǎng)學(xué)生關(guān)注科技前沿的能力。

4.3 改革教學(xué)方式提升學(xué)期驅(qū)動力

雖然學(xué)生對本門課程有一定興趣，但是時間久了難免疲乏，此時，需要充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)驅(qū)動力。本門課程采用翻轉(zhuǎn)課堂的方式[5]，即每一節(jié)課中，抽取一個很小的知識點(diǎn)，提前讓某學(xué)生通過查閱資料的方式自學(xué)，并對該知識點(diǎn)進(jìn)行提煉、總結(jié)，并準(zhǔn)備課件。在下一次課中，請該名學(xué)生花大約15分鐘來對該知識點(diǎn)進(jìn)行講解，并解答同學(xué)的疑惑提問。這種上課方式改變了傳統(tǒng)教學(xué)老師輸出學(xué)生輸入的模式，反過來，讓學(xué)生像老師一樣講解知識點(diǎn)，這樣將會讓學(xué)生的參與感更強(qiáng)，同時，促使學(xué)生在自學(xué)時要去弄清知識點(diǎn)中的細(xì)節(jié)，從而對知識點(diǎn)理解更加透徹。采用此種模式教學(xué)，不僅能培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力，同時，還能培養(yǎng)學(xué)生語言表達(dá)能力、制作PPT的能力以及演講的能力，對學(xué)生綜合素質(zhì)的提升也將有一定幫助。

其次，要突出課程的重難點(diǎn)。本門課程的第一個難點(diǎn)就是機(jī)器人運(yùn)動學(xué)，涉及大量的數(shù)學(xué)變換，特別容易混淆。第二個難點(diǎn)是機(jī)器人動力學(xué)，涉及受力分析以及矩陣的運(yùn)算，不僅考驗(yàn)建模的能力，還考驗(yàn)計算的能力。因此，在講授這兩章的時候，盡量將細(xì)節(jié)細(xì)化，避免因?yàn)橹v得過快，學(xué)生未理解而形成知識點(diǎn)的遺漏，進(jìn)而產(chǎn)生連鎖效應(yīng)，導(dǎo)致后續(xù)知識點(diǎn)無法理解。同時增加例題，并對應(yīng)理論知識點(diǎn)一步一步講解，從而幫助學(xué)生對理論知識的應(yīng)用。

最后，充分利用網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行課后復(fù)習(xí)。目前，網(wǎng)絡(luò)資源眾多，有教師直播上課的模式，有學(xué)生點(diǎn)播的模式，學(xué)生可以隨時隨地進(jìn)行學(xué)習(xí)。其次，慕課的另一個好處是每一節(jié)課只講一個知識點(diǎn)，時間持續(xù)10～20分鐘，因此方便學(xué)生針對某一個不懂的知識點(diǎn)進(jìn)行學(xué)習(xí)。然后，慕課等網(wǎng)絡(luò)資源具有開放性，不限制年齡、國籍甚至職業(yè)，絕大多數(shù)課程不收取費(fèi)用，適合于學(xué)生使用。最后，慕課是依托很多名校的優(yōu)秀教師而錄制，因此，慕課質(zhì)量優(yōu)秀，制作精良，對學(xué)生學(xué)習(xí)幫助很大。

4.4 實(shí)驗(yàn)課增加動手能力

機(jī)器人技術(shù)是一門動手實(shí)操能力很強(qiáng)的學(xué)科，因此僅僅靠課上的學(xué)時無法讓學(xué)生深入理解。因此，擬將實(shí)驗(yàn)學(xué)時從4學(xué)時提升為6學(xué)時。主要目的就是培養(yǎng)學(xué)生動手能力，課程中讓學(xué)生操控華數(shù)機(jī)器人，編寫一定的代碼，控制機(jī)器人手部，實(shí)現(xiàn)空心字的撰寫。其中，空心字的復(fù)雜程度也影響控制代碼的復(fù)雜程度。因此，第1～2學(xué)時主要利用實(shí)物，同時和課堂上的理論結(jié)合，介紹機(jī)器人的各個部件以及概念，并讓學(xué)生初步編寫代碼，完成機(jī)器人手部的基本控制。第2～4學(xué)時，讓學(xué)生編寫代碼，完成簡單的空心字“工”的撰寫。第5～6學(xué)時，增加空心字難度，完成“商”字的撰寫。通過循序漸進(jìn)的實(shí)踐方式，讓學(xué)生熟悉機(jī)器人的結(jié)構(gòu)、運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)以及控制部分。

4.5 改革評價方式

期末成績的組成由30%的平時成績和70%的期末試卷筆試成績組成。由于機(jī)器人這門課程是一門實(shí)際應(yīng)用的課程，因此要注重課程評價。在30%的平時成績中，課堂出勤占10%，主要考核學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度;平時作業(yè)占10%，主要考核學(xué)生課下的復(fù)習(xí);實(shí)驗(yàn)課成績占10%，主要考核學(xué)生的動手能力。最后，70%的期末筆試成績主要考核學(xué)生的基礎(chǔ)理論、分析計算的能力。

結(jié)語

近幾年來，智能制造的興起帶動機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，對學(xué)校培養(yǎng)機(jī)器人方面人才的需求量以及質(zhì)量也在不斷提高。對機(jī)械電子工程、機(jī)械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)的機(jī)器人課程面臨的課時不夠、學(xué)生積極性較差等一系列問題進(jìn)行了教學(xué)改革。通過課后與學(xué)生交流，以及與畢業(yè)后就業(yè)的學(xué)生進(jìn)行回訪，教學(xué)改革后不僅提升了有限學(xué)時內(nèi)教學(xué)質(zhì)量，而且提高了學(xué)生學(xué)習(xí)驅(qū)動力，具有一定的效果，得到了學(xué)生的一致好評。最重要的是，通過實(shí)驗(yàn)學(xué)時的增加和內(nèi)容的改革，使學(xué)生親自完成了機(jī)器人的操作，不僅讓學(xué)生系統(tǒng)理解了本門課程的內(nèi)容，達(dá)到了教學(xué)目標(biāo)，同時培養(yǎng)了學(xué)生創(chuàng)新能力和團(tuán)隊(duì)合作能力，進(jìn)而獲得了成就感，對以后就業(yè)奠定學(xué)術(shù)自信也打下了基礎(chǔ)。

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基金項(xiàng)目：重慶市教委重大教改項(xiàng)目，以學(xué)科競賽為載體的地方高校學(xué)生國際交流途徑探索與模式研究（項(xiàng)目編號：171017）重慶工商大學(xué)校級重點(diǎn)教改項(xiàng)目，以創(chuàng)新能力提升為導(dǎo)向的機(jī)械基礎(chǔ)類課程教學(xué)范式改革與實(shí)踐（項(xiàng)目編號：2018107）

作者簡介：黃建（1990— ），男，漢族，重慶人，博士，講師，研究方向：機(jī)器人技術(shù)及機(jī)器視覺;李平（1977— ）男，漢族，重慶人，博士，副教授，研究方向：機(jī)器人技術(shù)。