雙創(chuàng)背景下“工業(yè)機器人系統(tǒng)集成”課程改革與實踐

王丹 陳雷 韋翠華

摘??要：在對“工業(yè)機器人系統(tǒng)集成”課程教學現(xiàn)狀及問題分析的基礎上，提出基于“雙創(chuàng)”背景下的課程改革方案，包括教學內容，競賽機制，教學手段，考核方案四方面內容;其次，根據(jù)課程改革方案，完成課程改革實踐，主要包括綜合性項目設計和創(chuàng)新性項目設計;通過改革和實踐，在師資隊伍建設方面，提升了工業(yè)機器人系統(tǒng)集成領域教師實踐能力;在教學效果方面，提高了學生的興趣，同時幫助其搭建了知識體系，培養(yǎng)了創(chuàng)新能力與團隊協(xié)作能力。

關鍵詞： 雙創(chuàng);工業(yè)機器人;課程改革;

中圖分類號：G642.0 ?? 文獻標識碼：?A

Curriculum?reform?and?practice?of?industrial?robot?system?integration?under?the?background?of?"entrepreneurship?and?innovation"

WangDan?ChenLei?WeiCuihua

Guangdong?University?of?Science?&Technology??GuangDongDongguan?543002

Abstract：?Based?on?the?analysis?of?the?current?teaching?situation?and?problems?of?"industrial?robot?system?integration"，?this?paper?puts?forward?the?curriculum?reform?scheme?under?the?background?of?"mass?entrepreneurship?and?innovation"，?including?teaching?content，?competition?mechanism，?teaching?means?and?assessment?scheme.?Secondly，?according?to?the?curriculum?reform?plan，this?paper?completes?the?curriculum?reform?practice，?mainly?including?comprehensive?project?design?and?innovative?project?design.?Through?reform?and?practice，?the?practical?ability?of?teachers?in?the?field?of?industrial?robot?system?integration?has?been?improved?in?the?construction?of?teaching?staff.In?terms?of?teaching?effect，?it?improves?students'?interest，?helps?them?build?a?knowledge?system?and?cultivates?their?innovation?ability?and?teamwork?ability.

Keywords：?Mass?entrepreneurship?and?innovation;?Industrial?robot;?Curriculum?reform

“工業(yè)機器人系統(tǒng)集成”是機器人工程專業(yè)的一門專業(yè)課，是實踐性、綜合性和創(chuàng)新性均要求較高的課程[1]。它主要解決工業(yè)機器人系統(tǒng)方面相關問題，該課程的教學改革問題是智能制造類相關領域學者廣泛關注的問題[2]-[3]。2015年3月，國家總理提出把“大眾創(chuàng)業(yè)、萬眾創(chuàng)新”打造成推動中國經濟繼續(xù)前行的雙引擎之一[4]，雙創(chuàng)教育在此背景下，應運而生。雙創(chuàng)教育是以學生為主體，以教學模式改革為內容，實現(xiàn)提升學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力為目標的教育理念[5]。本文從課程教學現(xiàn)狀及雙創(chuàng)背景下的課程改革方案與實踐詳細介紹我校機器人專業(yè)“工業(yè)機器人系統(tǒng)集成”課程改革與實施經驗。

1?課程教學現(xiàn)狀

我校機器人工程專業(yè)于2018年開始招收第一屆本科生?！肮I(yè)機器人系統(tǒng)集成”課程首次設置于《2018版機器人工程專業(yè)本科生培養(yǎng)方案》中，為我校機器人工程專業(yè)專干專業(yè)課之一。在培養(yǎng)方案中，本課程總學時48學時，均為理論學時，授課時間安排在大四第一學期。本課程于2021年7月參與校企協(xié)同育人“人職匹配”項目，目前存在的問題有：

（1）課程教學內容有待優(yōu)化。在本課程教學中，根據(jù)教學大綱安排，48學時主要對工作站組成，工作站應用進行認知性學習，缺乏創(chuàng)新性、綜合性的引導實踐內容的教學。

（2）課程教學方法主要為理論教學，雖然在理論教學中融入了案例教學法，啟發(fā)式教學，但總體以理論教學為主，輔助設備為投影儀和視頻動畫，教學手段比較單一，學生學習效率較低。且由于沒有引導性實踐項目，學生對理論知識容易產生畏難情緒。

（3）課程考核方式側重期末考試成績?？偝煽?平時成績*40%+期末成績*60%。平時成績包括考勤，平時作業(yè)，課堂表現(xiàn)等。期末成績主要包括期末閉卷考試。這種模式的課程考核對學生實踐技能和創(chuàng)新性能力要求較低，學生平時學習積極性較弱，會在期末考試前進行突擊，不重視平時學習過程。

（4）師資隊伍實踐能力偏弱。由于本課程屬于實踐性、創(chuàng)新性要求較高的課程，對師資隊伍的實踐能力要求較高，同時工業(yè)機器人系統(tǒng)集成涉及的技能較多，綜合性強。而目前師資隊伍側重于科研和基礎學科方面的教學，與目前“工業(yè)機器人系統(tǒng)集成”課程匹配度偏弱，因此急需要打造一支具有在工業(yè)機器人領域理論和實踐均比較出眾的團隊[6]。

2?課程改革方案設計

2.1?優(yōu)化教學內容

根據(jù)工業(yè)機器人行業(yè)工作崗位需求，構建基于“雙創(chuàng)”的教學內容，結合工業(yè)機器人系統(tǒng)組成與集成設計相關理論和技能[7]，對本課程的教學內容進行優(yōu)化。如下圖1為工業(yè)機器人課程方案總圖，本課程針對的是工業(yè)機器人課程總圖中廣義工業(yè)機器人的系統(tǒng)開發(fā)。以工業(yè)機器人簡易工作站設計全過程為主線，從總體布局，元器件選型，電氣設計，軟件設計，綜合運用等5大專題來全面學習工業(yè)機器人集成相關內容，幫助學生搭建工業(yè)機器人集成方向的知識體系，提升學生的實踐能力，同時在項目中融入開放性模塊，培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力。

2.2?引入競賽機制

以項目為導向的課程內容在開展過程中，引入小組競賽的方式[8]，提升學生的積極性與參與度。在小組競賽過程中，學生通過自由組隊，分工協(xié)作，提升自身團隊協(xié)作意識和自主創(chuàng)新能力。

2.3?改進教學手段

以“工業(yè)機器人系統(tǒng)集成”領域的企業(yè)案例為基礎，課程師資團隊在5大專題框架下提煉出若干子項目，以實際項目引導學生學習，理論與實踐分別為12學時與36學時，將學時向實踐項目傾斜，大力提升學生實踐能力。

2.4?優(yōu)化考核方式

課程改革采用“項目實施+案例研討+理論考試”方式，實現(xiàn)課堂全過程形成性評價的考核。形成性評價主要是記錄學生參與混合式教學每項教學活動，記錄學生學習軌跡，對這些學習活動做出定性或定量評價。本課程形成性評價主要包括學生課堂表現(xiàn)評價，主題討論評價，課程項目評價，課堂考勤評價。其中課堂表現(xiàn)環(huán)節(jié)形式多樣化，有搶答，競賽，開放式問答，頭腦風暴等形式，充分提供多樣化與個性化的互動模式，盡可能讓同學們都能參與積極參與課堂學習中。結果性評價主要包括期末理論考試和期末實操考試。項目實施過程體現(xiàn)了學生自我解決問題的能力;案例研討過程體現(xiàn)了學生創(chuàng)新能力，團隊寫作能力;理論考試體現(xiàn)了學生理論分析能力。通過三方面的考核，提升學生在工業(yè)機器人領域的綜合能力。

2.5?師資培訓

組織相關師資團隊參與企業(yè)培訓，主題為工業(yè)機器人及機器視覺技術、工業(yè)機器人集成系統(tǒng)開發(fā)、工業(yè)機器人綜合應用等。同時選拔綜合實力較強的老師駐派企業(yè)，參與企業(yè)工業(yè)機器人相關的項目研發(fā)，為課程改革積累實踐項目經驗。為了激勵教師團隊參與企業(yè)項目，將師資團隊參加企業(yè)培訓與掛職納入年終績效考核。

3?工業(yè)機器人系統(tǒng)集成課程改革實踐

3.1?綜合性項目設計

針對《工業(yè)機器人系統(tǒng)集成》課程中覆蓋的核心技術，根據(jù)由難到易的原則，設計4個專項課題，包括系統(tǒng)認知專題、電氣專題、控制專題、綜合運用專題，如表1所示。課程采用的設備主要由電氣安裝模塊、電機調試模塊、單軸運動控制模塊、雙軸運動控制模塊、三軸運動控制模塊、流水線模塊和底架等部分組成。在各專題中通過細分，共有13項子項目。其中在工業(yè)機器人系統(tǒng)認知、電氣元器件原型、伺服電機三環(huán)調試子項目中融入課程思政內容，讓學生了解我國工業(yè)機器人產業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，國產核心零部件品牌，國產電機性能優(yōu)勢等。

3.1.1?系統(tǒng)認知專題

該專題共有2個子項目，共4個學時。子項目包括工業(yè)機器人總體架構和電機運動模式。涉及的知識點有：工業(yè)機器人組成、工業(yè)機器人傳感器分類與作用、控制器分類與選型、運動控制環(huán)路組成、電機選型方法、電機運動模式選擇等，學生通過項目學習，掌握工業(yè)機器人系統(tǒng)的總體架構和組成，掌握電機的運動模式，為后續(xù)項目學習做鋪墊。

3.1.2?電氣專題

該專題共有4個子項目，共12學時。通過該專題學習，讓學生掌握工業(yè)機器人集成系統(tǒng)電氣組成，電氣模塊選型，電氣設計，電氣連線，電機三環(huán)調試等內容。在電氣專題，學生需要掌握電子元器件的原理與選型，斷路器與繼電器、控制器和變頻器的接線方式，電氣原理圖繪制方法;運動控制卡的安裝與調試軟件使用方法;在電機三環(huán)調試項目中引入PID控制器對電機參數(shù)性能的影響分析，要求學生利用自動控制原理的理論知識分析實驗參數(shù)，有利于提升學生理論與實踐結合的能力，同時提升學生學習理論課程的興趣。

3.1.3?控制專題

該專題共有4個子項目，共12學時。通過該專題學習，讓學生掌握工業(yè)機器人控制系統(tǒng)開發(fā)過程，開發(fā)技術，運動模塊軟件設計等內容。硬件設備主要包括為單軸控制模塊，雙周控制模塊，三軸控制模塊和流水線模塊。

Jog、PT、電子齒輪等運動模式的原理及控制在單軸運控模塊上可實現(xiàn)，同時可以通過設定位置指令和標尺比對完成對定位精度的測量實驗。最終學生可以具備獨立完成軸運動參數(shù)、控制器參數(shù)調整和優(yōu)化的能力。雙軸運動控制模塊主要用于進行二軸電子齒輪、點的合成運動規(guī)劃、手輪脈沖運動控制、二軸回零控制程序設計、二軸軌跡插補算法研究、電子凸輪，插補運動等運動控制策略類項目。三軸運動模塊主要用于進行多軸插補運動以實現(xiàn)吸盤對樣件的抓取和激光筆的繪圖實驗;三軸回零程序設計;三軸碼垛軌跡插補運動控制系統(tǒng)設計;三軸激光雕刻控制系統(tǒng)設計;前瞻規(guī)劃優(yōu)化插補軌跡實驗。流水線模塊，學生根據(jù)任務書，完成流水線模塊電氣設計，電氣選型，控制卡選型，控制器資源分配，控制器程序設計，可以掌握運動控制中的控制流程，IO模塊的使用方法，具備綜合解決機器人集成控制系統(tǒng)的基礎開發(fā)能力。

3.1.4?綜合運用專題

該專題有1個子項目，共8學時，該專題需要學生自主完成工藝分析，控制系統(tǒng)模塊化實現(xiàn)，通過該項目，學生可以將工業(yè)機器人系統(tǒng)集成的主要技能融會貫通，達到獨立設計簡易集成項目的目的。

3.2?創(chuàng)新性實訓項目設計

工業(yè)機器人系統(tǒng)集成應用平臺由多種模塊組成，包括慣量匹配模塊，傳感器特性模塊，動態(tài)跟蹤模塊，伺服驅動模塊，流水線模塊等。學生根據(jù)實際項目，自由選擇模塊組合，自行確定工藝和控制方案，完成工業(yè)機器人集成系統(tǒng)的單元改造項目。

目前2018級工業(yè)機器人專業(yè)已完成的創(chuàng)新型、開放性項目如下表2，項目為學生自主設計。

4?課程改革效果

4.1?師資隊伍建設

通過該項目，有2位老師申請到參加2020年第一批教育部產學合作協(xié)同育人師資培訓專題項目的機會，項目專題為“智能制造師資隊伍教學能力培養(yǎng)模式探究”。有1位老師成功申報2020年第二批教育部產學合作協(xié)同育人師資培訓專題項目，項目名為“機器人方向師資培訓探索與實踐”。有1位老師駐派企業(yè)，參與企業(yè)項目“藍寶石內平面拋光機控制系統(tǒng)設計”。

4.2?教學效果

在專題訓練中，電氣專題中電氣元器件選型項目難度較大，需要學生具備扎實的理論計算功底和實踐經驗，通過本專題訓練，學生將理論知識在實踐中應用，促進了學生理論和實踐兩方面的提升?？刂茖ｎ}需要學生將工業(yè)機器人系統(tǒng)集成領域的機械、電氣和軟件各方面綜合應用，對學生的發(fā)現(xiàn)問題，解決問題，邏輯思維能力有較好的訓練。通過綜合運用專題訓練，學生可以完整的理解工作站設計工藝和加工工藝，綜合實踐能力得到提升，同時學生對工業(yè)機器人領域的興趣得到提升。2021年7月，6名同學通過面試，成功參與首屆固高創(chuàng)工場訓練營，18名同學參與校企協(xié)同育人“人職匹配”項目。如下表3為學生參與企業(yè)研發(fā)項目名稱。

參考文獻：

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基金資助：2020年廣東科技學院高等教育教學改革項目（CQ2020095）;2021年廣東科技學院校級教學質量與教學改革工程項目專項人才培養(yǎng)計劃（GKZLGC2021023）

作者簡介：?王丹（1987—?），女，湖北宜昌人，講師，碩士，研究方向：智能制造控制系統(tǒng)、信號處理。