“工業(yè)機(jī)器人技術(shù)”雙語信息化教學(xué)研究＊

譚 華，付小全，張玉勛，劉延星

（東莞理工學(xué)院，廣東 東莞 523808）

隨著全球人工智能[1-3]的興起和工業(yè)5.0[4]的提出，簡單重復(fù)或危險作業(yè)由工業(yè)機(jī)器人替代已成為推動先進(jìn)制造業(yè)高端化的源動力，且其趨勢日益明顯，此局面造成工業(yè)機(jī)器人技術(shù)中高端人才嚴(yán)重匱乏，因此工業(yè)機(jī)器人人才培養(yǎng)模式探索逐漸成為現(xiàn)代高校教學(xué)改革研究的熱點之一[5-6]。高校機(jī)械學(xué)院，尤其是產(chǎn)業(yè)學(xué)院，培養(yǎng)符合時代需求的中高端工業(yè)機(jī)器人國際化專業(yè)人才[7-10]勢在必行。由于工業(yè)發(fā)達(dá)國家，尤其是德國、美國、日本等的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)仍處于國際領(lǐng)先水平，加之現(xiàn)代信息化教學(xué)手段普及[11-15]，為緊跟時代步伐，本文以英語為媒介，對中英雙語信息化環(huán)境下的工業(yè)機(jī)器人“三位一體化”教學(xué)模式進(jìn)行了探討和研究。

1 “工業(yè)機(jī)器人技術(shù)”雙語教學(xué)理念推廣

“工業(yè)機(jī)器人技術(shù)”作為機(jī)械工程學(xué)科一門新型交叉課程，其關(guān)鍵核心技術(shù)仍被少數(shù)發(fā)達(dá)國家壟斷。因此，授課過程中利用雙語教學(xué)理念拓寬學(xué)生國際視野、學(xué)習(xí)國外先進(jìn)技術(shù)，不僅培養(yǎng)了學(xué)生的英文文獻(xiàn)查閱能力，同時拓展了學(xué)生的知識面。“工業(yè)機(jī)器人技術(shù)”雙語教學(xué)理念推廣的具體措施如下。

以“機(jī)械工程英語”雙語課程為前期基礎(chǔ)課程，讓學(xué)生適應(yīng)雙語課程的學(xué)習(xí)環(huán)境，并積累大量機(jī)械專業(yè)英語詞匯，特別安排2周時間組織學(xué)生專門學(xué)習(xí)有關(guān)工業(yè)機(jī)器人的英語詞匯。

授課前為學(xué)生分配預(yù)習(xí)任務(wù)，使其大量閱讀工業(yè)機(jī)器人的相關(guān)英文文獻(xiàn)，并安排5人1組建立微信群，進(jìn)行閱讀后文獻(xiàn)討論，要求學(xué)生除了解文獻(xiàn)內(nèi)容外，還需掌握每篇論文的構(gòu)架，消除后期學(xué)習(xí)時的畏難情緒。

功能工業(yè)機(jī)器人包括焊接機(jī)器人、搬運機(jī)器人、裝配機(jī)器人、碼垛機(jī)器人和噴涂機(jī)器人這5種類型。利用英文PPT，進(jìn)行中英文雙語分組施教。將全班學(xué)生分為5組，每組學(xué)生先選擇其中一類功能工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行學(xué)習(xí)，然后交叉學(xué)習(xí)，直至每小組均完成5類功能工業(yè)機(jī)器人學(xué)習(xí)的任務(wù)，最后集中討論，完成總體學(xué)習(xí)任務(wù)。此分組學(xué)習(xí)法，要求每組每位成員在學(xué)習(xí)過程中完成特定任務(wù)，避免集體學(xué)習(xí)過程中部分學(xué)生產(chǎn)生怠惰情緒。后期鍛煉學(xué)生撰寫工業(yè)機(jī)器人英文綜述論文的能力，對論文摘要、前沿、主體部分、結(jié)論、致謝和參考文獻(xiàn)進(jìn)行分塊施教，要求每位學(xué)生獨自完成1篇工業(yè)機(jī)器人英文綜述論文的寫作任務(wù)。

為保證英文閱讀的純正性，“工業(yè)機(jī)器人技術(shù)”雙語教材的選擇以英文原著為主，同時提供多本中英文輔助參考書籍作為課外補(bǔ)充讀物，讓學(xué)生依據(jù)自己的基礎(chǔ)和興趣自由選擇、交叉學(xué)習(xí)，將“工業(yè)機(jī)器人技術(shù)”雙語教學(xué)理念全面滲透到學(xué)生學(xué)習(xí)過程中。

2 “工業(yè)機(jī)器人技術(shù)”信息化教學(xué)新風(fēng)尚植入

隨著信息化時代的來臨，加之智能技術(shù)的推廣和互聯(lián)網(wǎng)的普及，將高新科技融入傳統(tǒng)教育體系，實施信息化教學(xué)逐漸成為高校課程教學(xué)的主要方式。

教學(xué)過程中運用信息化技術(shù)手段使教學(xué)的所有環(huán)節(jié)數(shù)字化，大大提高了“工業(yè)機(jī)器人技術(shù)”理論和實踐結(jié)合教學(xué)過程中低效和資源利用不合理現(xiàn)象，植入信息化教學(xué)新風(fēng)尚的具體細(xì)節(jié)歸納如下：①采用PC端和手機(jī)端APP相結(jié)合的教學(xué)模式，解決了假期和疫情期間學(xué)生學(xué)習(xí)受時空局限問題。②采用基于ABB Robot Studio的圖形離線編程方式，建立計算機(jī)及其工作環(huán)境的幾何模型，給予學(xué)生對仿真環(huán)境的可視化沖擊感。③用工業(yè)機(jī)器人運動學(xué)模擬仿真指令控制機(jī)器人實際運動過程，讓學(xué)生先于實踐操作提前體驗了機(jī)器人實際運動過程，快速實現(xiàn)了人機(jī)交互。④依據(jù)學(xué)生專業(yè)英語基礎(chǔ)和工業(yè)機(jī)器人類型，利用排課軟件分組排課，每月測試學(xué)生學(xué)習(xí)情況，實時反饋優(yōu)化，動態(tài)調(diào)整課表。

3 雙語、信息化和工業(yè)機(jī)器人技術(shù)三位一體化模式的融合

新教學(xué)模式將雙語、信息化和工業(yè)機(jī)器人技術(shù)進(jìn)行三位一體化融合，此模式始終貫穿于教學(xué)的每個環(huán)節(jié)，此過程對教師的專業(yè)素養(yǎng)和學(xué)生的學(xué)習(xí)目標(biāo)提出了如下更高要求。

要求配備機(jī)械工程專業(yè)英文能力較強(qiáng)的教師，尤其對授課教師英文口語水平提出了更高要求。要求授課教師每周準(zhǔn)備2 h進(jìn)行機(jī)械工程英語聽、說、讀、寫、譯能力的強(qiáng)化訓(xùn)練。

熟悉信息化教學(xué)的各類平臺、軟件、APP，結(jié)合線上、線下2種方式，要求教師具備各類信息化教學(xué)技術(shù)現(xiàn)學(xué)現(xiàn)用的能力，并能及時甄別有用信息，去除冗余信息，保障學(xué)生學(xué)習(xí)知識的時效性和前沿性。

要求教師課前大量閱讀工業(yè)機(jī)器人技術(shù)相關(guān)英文文獻(xiàn)，結(jié)合5類功能工業(yè)機(jī)器人的案例教學(xué)，編制出基于Robot Studio軟件的離線編程教案，并對每類案例做出詳細(xì)的授課說明。規(guī)劃出雙語、信息化、工業(yè)機(jī)器人技術(shù)三位一體化融合的教學(xué)目標(biāo)：培養(yǎng)出既符合種國國情，又達(dá)到國際化標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)中高端人才；擴(kuò)展學(xué)生的國際視野，讓學(xué)生能夠以變化的視角看待工業(yè)機(jī)器人技術(shù)全球信息化發(fā)展的趨勢；提升學(xué)生跨文化專業(yè)知識水平的交際能力，讓學(xué)生在未來從事工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的工作中獲得更好的優(yōu)質(zhì)資源。

4 飛秒激光玻璃焊接機(jī)器人案例探討[16-19]

為后續(xù)更好地推動“工業(yè)機(jī)器人技術(shù)”雙語信息化教學(xué)模式發(fā)展，本課題組利用科研項目內(nèi)容，促進(jìn)教研相長，將工業(yè)機(jī)器人執(zhí)行部件機(jī)械臂與飛秒激光技術(shù)結(jié)合，針對高重頻飛秒激光玻璃焊接[16-19]機(jī)器人案例展開研究，對以下6部分進(jìn)行了探討。

深入分析了玻璃和飛秒激光相互作用機(jī)理及現(xiàn)象，包括自由電子的運動規(guī)律、等離子的形成、能量弛豫等。闡明了激光焊接玻璃的原理和特點，超快激光焊接玻璃的發(fā)展歷史、應(yīng)用及高重頻飛秒激光焊接玻璃的核心理論和關(guān)鍵技術(shù)。

研究了高重頻飛秒激光非線性焊接玻璃的機(jī)理。首先介紹了低重頻與高重頻飛秒激光加工機(jī)制的區(qū)別，比較了高、低重頻飛秒激光焊接玻璃的理論基礎(chǔ)，分析了激光參數(shù)對高、低重頻2種焊接機(jī)制的影響，強(qiáng)調(diào)了高重頻的優(yōu)勢及如何合理選擇高重頻范圍。闡明了飛秒激光與玻璃作用的非線性效應(yīng)機(jī)理和石英玻璃與飛秒激光內(nèi)部作用機(jī)理。指出當(dāng)飛秒激光輻照石英玻璃時，依據(jù)輻照能量的不同可以出現(xiàn)3種不同的改性結(jié)構(gòu)類型。

介紹了采用接觸模式和聚焦位置變換及振鏡使用所涉及的高重頻飛秒激光焊接玻璃的工藝及應(yīng)用。對光學(xué)接觸和部分光學(xué)接觸2種不同接觸模式和上、中、下3類聚焦位置的高重頻飛秒激光焊接玻璃技術(shù)進(jìn)行了研究。提出了2種不同接觸模式下飛秒激光焊接玻璃的6種組合焊接方法，發(fā)現(xiàn)通過變換聚焦位置，在成絲焊接與燒蝕效應(yīng)的共同作用下形成了間斷點焊或連續(xù)線焊。分析了2種接觸模式下分離焊面的微觀形貌和焊接區(qū)域橫截面的成絲顏色和寬度及對應(yīng)的內(nèi)部機(jī)理。研究了粘結(jié)力與焊縫高度和重頻的關(guān)系。通常靜載荷對普通玻璃單層封裝的影響不大，然而考慮到?jīng)_擊載荷時往往其焊接強(qiáng)度不高，加之水平焊接過程中重力對焊接強(qiáng)度也會造成影響?；谏鲜龊附訒r存在的問題，提出了一種運用飛秒激光通過振鏡實現(xiàn)雙層玻璃垂直封裝的方法。與傳統(tǒng)采用物鏡或透鏡實現(xiàn)單層水平焊接的普通焊接工藝相比，新工藝不僅大大提高了焊接強(qiáng)度，去除了重力對粘結(jié)力的影響，使得焊接區(qū)域組織結(jié)構(gòu)更加精細(xì)，同時大大節(jié)省了編程時間。首先建立實驗?zāi)Ｐ汀⒓庸ぢ肪€，并闡述了飛秒激光雙層垂直焊接玻璃的機(jī)理，然后分析了焊接層數(shù)和掃描速度對焊縫高度的影響，最后展示了振鏡加工的焊面微觀結(jié)構(gòu)圖。

提出了針對高重頻飛秒激光焊接玻璃仿真和實驗中出現(xiàn)的多絲多孔缺陷的有效抑制方法，同時指出了多孔多絲結(jié)構(gòu)形成結(jié)構(gòu)色的可利用之處。首先介紹了高重頻飛秒激光焊接玻璃的2種存在爭議的成絲模型、空氣成絲與玻璃成絲的區(qū)別及成絲中的多絲多孔現(xiàn)象，然后闡明了多絲中多孔結(jié)構(gòu)對焊接質(zhì)量的不利影響和時空整形抑制方法及優(yōu)勢，最后指出了多絲中多孔結(jié)構(gòu)形成的結(jié)構(gòu)色具有一定的應(yīng)用價值。因此，可根據(jù)實際應(yīng)用需要，一定程度上抑制多絲多孔結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)。

提出了一種玻璃組焊接和內(nèi)部加工并行的新技術(shù)。詳述了3塊玻璃內(nèi)部通道加工和焊接的物理模型和原理及實驗所采用的加工線路，指出了飛秒激光一步實現(xiàn)3塊玻璃的焊接機(jī)理完全不同于普通2塊玻璃焊接原理。前者由于焦點沒有直接輻照在玻璃界面處，在實現(xiàn)玻璃內(nèi)部加工的同時，通過熱傳遞實現(xiàn)對玻璃的焊接；后者則是在交界面處直接實現(xiàn)焊接。

將工業(yè)機(jī)器人執(zhí)行部件機(jī)械臂與超快激光技術(shù)結(jié)合，綜合上述方法，實現(xiàn)玻璃焊接無損傷、非接觸、自動化、綠色加工。

5 結(jié)論

本文對“工業(yè)機(jī)器人技術(shù)”課程進(jìn)行了基于中英文雙語教學(xué)環(huán)境下的信息化教學(xué)改革研究，通過分析國際環(huán)境，融入高新科技教學(xué)方式，進(jìn)行案例探討，為“工業(yè)機(jī)器人技術(shù)”課程教學(xué)賦予了時代特征，為深入教學(xué)改革和進(jìn)一步探索奠定了基礎(chǔ)。