新工科背景下融入虛擬仿真的機器人實踐類課程的創(chuàng)新教學探索*

韓振華 ，魏 群 ，李文娟 ，單文桃 ，巢 淵 ，丁 力 ，黃 明

（江蘇理工學院機械工程學院，江蘇 常州 213001）

0 引言

為滿足國家實施創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展、“中國制造2025”、“互聯(lián)網(wǎng)+”、網(wǎng)絡(luò)強國、新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃、海洋強國、航天強國等重大戰(zhàn)略和新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求，加快突破核心關(guān)鍵技術(shù)，構(gòu)筑優(yōu)先發(fā)展優(yōu)勢，在未來全球創(chuàng)新中占據(jù)戰(zhàn)略制高點，迫切需要培養(yǎng)大批“新工科”人才，建設(shè)與發(fā)展“新工科”已然成為我國當前社會產(chǎn)業(yè)升級與發(fā)展的必然要求[1-2]。同時，我國機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展勢頭迅猛，產(chǎn)業(yè)規(guī)模與市場空間不斷擴大[3]。2017 年，教育部提出了適應(yīng)于產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求的“新工科”建設(shè)計劃，以應(yīng)對未來新技術(shù)和新產(chǎn)業(yè)國際競爭的挑戰(zhàn)，主動布局機器人工程科技人才培養(yǎng)[1-3]。在新工科背景下，上述重大發(fā)展變革和舉措對傳統(tǒng)機器人方向?qū)I(yè)的人才培養(yǎng)模式產(chǎn)生了重要影響，鑒于現(xiàn)今及未來較長時期機器人行業(yè)的快速發(fā)展與相關(guān)人才的迫切需求，培養(yǎng)新工科背景下具備創(chuàng)新素質(zhì)的機器人技術(shù)人才成為高等教育界關(guān)注的焦點，亟須進一步完善我國機器人相關(guān)專業(yè)培養(yǎng)體系，相應(yīng)地面向新工科的機器人創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式亟待大力開展探索和研究[4-5]。

機器人實踐類課程作為機器人工程相關(guān)專業(yè)教學的重要集中實踐性環(huán)節(jié)，新工科的提出對于高校工業(yè)機器人技術(shù)人才的培養(yǎng)有了更高的要求，對新工科背景下的機器人實踐類課程創(chuàng)新教學也亟待進行[6-7]。在新工科背景下，如何將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用到機器人實踐類課程的教學中，構(gòu)建機器人實踐類課程的教學目標、教學內(nèi)容與考核方式等創(chuàng)新教學體系，是一個重要的創(chuàng)新教學研究方向[8-9]。機器人實踐類課程的創(chuàng)新教學關(guān)鍵在于利用虛擬仿真技術(shù)有機融入機械、控制與電子等多個學科課程理論知識與技術(shù)，拓展學校創(chuàng)新教學資源，增強理論與實踐教學的綜合性、創(chuàng)新性與應(yīng)用性，鍛煉學生應(yīng)用所學知識解決實際工程應(yīng)用問題的能力，結(jié)合大學生創(chuàng)新活動與各類競賽提高學生創(chuàng)新精神、實踐能力與綜合應(yīng)用能力，培養(yǎng)學生主動學習的積極性、創(chuàng)新思維與綜合素質(zhì)，使學生獲得機器人相關(guān)產(chǎn)業(yè)的工作競爭力，達到培養(yǎng)更多創(chuàng)新人才的教學目的。

1 機器人實踐類課程教學現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

1.1 機器人實踐類課程教學現(xiàn)狀

近年來，隨著機器人產(chǎn)業(yè)的日益發(fā)展及其相關(guān)人才培養(yǎng)的迫切需求，在教育部“新工科”發(fā)展的大背景下，國內(nèi)機器人工程本科專業(yè)開設(shè)院校日益增多。同時，越來越多的高等學校機械類（機械工程、機械設(shè)計制造及其自動化、機械電子工程與智能制造工程等）與自動化類（自動化、機器人工程、智能裝備與系統(tǒng)等）學科專業(yè)也面向本科生開設(shè)了“機器人學”“機器人控制”“機器人應(yīng)用”“人工智能”等相關(guān)理論課程。

在實踐方面，機器人實踐類課程也逐步成為一門綜合性的實踐課程，是上述本科專業(yè)集中實踐教學環(huán)節(jié)重要的經(jīng)典項目，其以機器人為主要教學內(nèi)容或教學工具開展實驗實訓，以機器人為載體將學生在本專業(yè)以往的相關(guān)理論與實踐課程相結(jié)合，在具體實踐過程中逐步完成機器人基本知識與基本技能的學習，鍛煉學生綜合工程應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力，使學生獲得機器人相關(guān)產(chǎn)業(yè)的工作競爭力，達到培養(yǎng)機器人產(chǎn)業(yè)相關(guān)創(chuàng)新人才的教學目的。

目前，國內(nèi)大多數(shù)高校機械類與自動化類本科專業(yè)均開設(shè)有機器人實踐相關(guān)課程，例如，“機器人原理與應(yīng)用”“機器人PLC 應(yīng)用綜合實踐”“機器人集成應(yīng)用綜合實踐”與“機器人維保應(yīng)用技能實踐”等。然而，現(xiàn)有高校機器人實踐類課程大多采用隨堂實驗與驗證性實驗的教學模式，雖然對學生理論知識理解與驗證有一定效果，但在學生新工科思維、系統(tǒng)總體設(shè)計與創(chuàng)新能力培養(yǎng)等方面具有較大缺陷，缺乏創(chuàng)新性、應(yīng)用性與綜合性，與新工科“創(chuàng)意—創(chuàng)新—創(chuàng)業(yè)”的人才培養(yǎng)目標體系存在很大的矛盾。具體問題如下：

1）傳統(tǒng)機器人實踐類課程教學的講解多以理論為主，缺少應(yīng)用性與創(chuàng)新性。

傳統(tǒng)機器人實踐類課程教學多以機械臂式機器人為教學對象，教具單一，學生學習具有一定的參觀性，不能深入理解機器人內(nèi)部構(gòu)造與工作原理。其中，課堂講解多針對機械臂講述機器人結(jié)構(gòu)、工作原理、運動學、雅可比矩陣、動力學、傳感與控制等機器人學基礎(chǔ)知識，缺少應(yīng)用性、綜合性、設(shè)計性實驗與實踐學習，學生易因過多的運動學、動力學與軌跡規(guī)劃等理論方面的數(shù)學公式推導(dǎo)產(chǎn)生抗拒心理，影響學習機器人的積極性與創(chuàng)新性。

2）傳統(tǒng)機器人實踐類課程教學實踐部分較少，缺少多學科綜合性，不能有效融入相關(guān)課程知識以適應(yīng)新工科建設(shè)與人才培養(yǎng)需求。

近年來，隨著高校不斷擴招，機器人實踐類課程教學要適應(yīng)以新經(jīng)濟、新產(chǎn)業(yè)為背景的新工科需求，推動現(xiàn)有機器人實踐類課程教學的改革創(chuàng)新。但受限于學校政策、硬件條件、師資力量，機器人實踐類課程的投入與課堂教學明顯不成比例，使得學生對于機器人技術(shù)的掌握與應(yīng)用只能大部分局限于課堂，動手能力和綜合分析解決問題的能力無法得到充分鍛煉，很難在機器人創(chuàng)新實踐、競賽等活動中有優(yōu)異的表現(xiàn)。在應(yīng)試教育理念的影響下，大學生的實踐動手能力普遍較差。同時，機器人實踐類課程不能有效融入“機械設(shè)計基礎(chǔ)”“工程應(yīng)用軟件”“PLC應(yīng)用技能培訓”與“電機拖動基礎(chǔ)”等緊密相關(guān)課程的知識。因此，傳統(tǒng)機器人實踐類課程教學無法很好地滿足新工科建設(shè)與人才培養(yǎng)需求，亟待開展相關(guān)創(chuàng)新教學進行解決。

1.2 虛擬仿真技術(shù)在機器人實踐類課程的發(fā)展趨勢

機器人被譽為“制造業(yè)皇冠頂端的明珠”，是衡量一個國家創(chuàng)新能力和產(chǎn)業(yè)競爭力的重要標志。我國機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展勢頭迅猛，產(chǎn)業(yè)規(guī)模與市場空間不斷擴大。作為未來工業(yè)及制造業(yè)爭奪的下一個革命方向之一，機器人技術(shù)的發(fā)展、產(chǎn)業(yè)的壯大離不開機器人人才的培養(yǎng)。在新工科背景下，鑒于我國機器人行業(yè)的快速發(fā)展與相關(guān)人才的迫切需求，目前國家的重大發(fā)展戰(zhàn)略與舉措對傳統(tǒng)機器人方向?qū)I(yè)的人才培養(yǎng)模式產(chǎn)生了顛覆性的影響。因此，機器人相關(guān)專業(yè)培養(yǎng)體系亟須建立和完善，同時大力探索與研究面向新工科的機器人專業(yè)創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式。

虛擬仿真技術(shù)作為互動性、逼真性、沉浸性、交互性和構(gòu)想性的新技術(shù)，已經(jīng)在機器人設(shè)計與研發(fā)中得以廣泛應(yīng)用[10-12]。在新工科背景下，基于虛擬仿真技術(shù)，將機械（“機械設(shè)計基礎(chǔ)”“機械制圖”與“工程應(yīng)用軟件”）、控制（“控制工程基礎(chǔ)”）、電子（“電機拖動基礎(chǔ)”與“PLC 應(yīng)用技能培訓”）等多個學科課程知識與技術(shù)進行有機融合，深入開展機器人實踐類課程創(chuàng)新教學研究，使學生能夠基于虛擬仿真技術(shù)更好地掌握相關(guān)學科、課程知識。與此同時，還可鍛煉學生應(yīng)用所學知識解決實際工程應(yīng)用問題的能力，結(jié)合大學生創(chuàng)新活動、各類競賽提高學生創(chuàng)新精神、實踐能力與綜合應(yīng)用能力，使學生獲得機器人相關(guān)產(chǎn)業(yè)的工作適應(yīng)能力，達到培養(yǎng)更多創(chuàng)新人才的教學目的。

2 機器人實踐類課程創(chuàng)新教學內(nèi)容的建立與實施

2.1 總體創(chuàng)新導(dǎo)向

上述機器人實踐教學存在的問題與新工科“創(chuàng)意—創(chuàng)新—創(chuàng)業(yè)”的人才培養(yǎng)目標體系存在很大的矛盾，已經(jīng)成為機器人實踐類課程教學以及未來培養(yǎng)方向亟待解決的重要問題，需要在現(xiàn)今新工科背景下對機器人實踐類課程教學進行創(chuàng)新，使得該類課程能得到多學科、多方向、多方面、多角度的綜合與發(fā)展。具體要做到以下幾點：

1）應(yīng)加強實踐性教學環(huán)節(jié)。實踐性教學環(huán)節(jié)是培養(yǎng)學生創(chuàng)新意識和靈活運用所學知識的重要途徑，對提高學生綜合素質(zhì)、培養(yǎng)創(chuàng)新精神和實踐能力具有重要作用。

2）充分利用并拓展學校機器人創(chuàng)新教學資源，改善實踐教學條件，充實實踐教學內(nèi)容，根據(jù)學科方向與培養(yǎng)方案，有機融入虛擬仿真技術(shù)，從多方面、多角度設(shè)計綜合性、設(shè)計性、應(yīng)用性的機器人綜合創(chuàng)新項目。

3）重視和鼓勵大學生開展開放性創(chuàng)新項目及課外科技活動，激發(fā)學生學習的興趣，積極組織學生參加各類競賽等創(chuàng)新活動，提高學生邏輯思維能力、分析能力、設(shè)計能力、創(chuàng)新能力與實踐動手能力。

2.2 教學硬件資源的利用

截至2023 年3 月，江蘇理工學院機械工程學院已購入6 軸機械手平臺3 套、4 軸機械手平臺5 套、“探索者”套件總計23 套，不同類型套件內(nèi)均具有多種大中小型高強度鎂鋁合金結(jié)構(gòu)件、塑料結(jié)構(gòu)件、圓周舵機、直流電機、多種傳感器與通信模塊，寶貝車機器人10 臺，能力風暴機器人7 臺，兩足步行機器人10臺，并配套建立了3 個機器人實驗室。目前，上述硬件已逐步應(yīng)用于機械電子工程專業(yè)與機器人工程專業(yè)的實踐類課程、課程實驗、課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計與學科競賽，可以有效保障機器人實踐類課程創(chuàng)新教學的順利開展。

2.3 創(chuàng)新教學內(nèi)容的建立

基于以上出發(fā)點，采用理論研究與實踐研究相結(jié)合的方式，通過查閱相關(guān)文獻資料、專家交流、項目組成員討論等多種形式，將新工科、課程需求與虛擬仿真技術(shù)所構(gòu)建的教學內(nèi)容、教學方法、教學手段等相結(jié)合，確定創(chuàng)新教學內(nèi)容如下：

1）確立虛擬仿真技術(shù)在課程中的融合點。分析適應(yīng)于新工科培養(yǎng)要求的機器人實踐類課程教學內(nèi)容，明確教學目標與要求，尋求虛擬仿真技術(shù)在課程中的融合點。

以機器人實踐類課程中常見教學對象——機械臂為例，分析機器人的機電結(jié)構(gòu)、控制與運行原理，以機械臂的多連桿機構(gòu)的運動學與動力學理論、伺服電機與精密減速器的動力驅(qū)動原理為切入點，以機械臂多連桿機構(gòu)原理的運動學與動力學虛擬仿真、伺服電機的伺服驅(qū)動仿真、精密減速器的結(jié)構(gòu)建模虛擬仿真與力學仿真以及機器人整機工作軌跡路線規(guī)劃的虛擬仿真為對象，確立虛擬仿真技術(shù)的融合點。機械手臂中虛擬仿真融合點示意圖如圖1 所示。

圖1 機械手臂中虛擬仿真融合點示意圖

2）建立機器人實踐類課程的創(chuàng)新教學體系。將新工科人才培養(yǎng)目標與虛擬仿真技術(shù)有機結(jié)合，以機器人三大本體之一——精密減速器為教學實例，提出相應(yīng)的實踐教學內(nèi)容與教學方法及教學設(shè)計，建立機器人實踐類課程的創(chuàng)新教學體系。

基于本學院已有機器人拆裝實驗平臺，以機器人RV 精密減速器結(jié)構(gòu)建模與裝配虛擬仿真為例，分析適應(yīng)于新工科培養(yǎng)要求的機器人實踐類課程教學內(nèi)容，與新工科“創(chuàng)意—創(chuàng)新—創(chuàng)業(yè)”的人才培養(yǎng)目標體系相結(jié)合，改變傳統(tǒng)機器人實踐教學的固化模式，更新實驗教學內(nèi)容，豐富教學資源。在機器人實踐教學中，有機融入虛擬仿真技術(shù)進行教學創(chuàng)新，利用虛擬仿真技術(shù)在教學中融入學生已學課程“機械設(shè)計基礎(chǔ)”“機械制圖”與“工程應(yīng)用軟件”，設(shè)計出課程教學方案，如圖2 所示，使得學生在機器人實踐學習中能得到綜合性、應(yīng)用性與創(chuàng)新性的全面發(fā)展。

圖2 以機器人RV精密減速器為教學實踐案例的教學方案

3 課程考核與成績評定形式

根據(jù)已建立的融入虛擬仿真的機器人實踐課程教學體系，建立新的課程考核及成績評定形式，有效評價學生的課程學習效果。以機器人不同部分、不同結(jié)構(gòu)的精密減速器為例進行考核，考核方式擬定為項目考核+以賽代考。

1）項目考核是指以3~4 人組成的項目組為單位，分為出勤紀律、實際操作、匯報演示和項目報告四部分，并按1∶3∶3∶3 的比例評定成績。

2）以賽代考是指課程期末考核根據(jù)項目的不同組成若干開放性競賽，讓學生根據(jù)機器人不同部位的精密減速器結(jié)構(gòu)特點自己制定比賽規(guī)則、制定設(shè)計方案，進行機器人精密減速器結(jié)構(gòu)部件的三維建模與裝配的虛擬仿真，并鼓勵學生增加擴展類虛擬仿真項目。成績評定以功能及穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)創(chuàng)新、積分三部分為主，并按3∶3∶4比例評定，參與更高級別機器人競賽，如省賽、國賽并獲得理想成績的學生，課程成績擬直接評優(yōu)，并可考慮進行更深層次的培養(yǎng)，進而培養(yǎng)學生的綜合應(yīng)用能力，從而滿足復(fù)合型人才培養(yǎng)要求。

通過制定以上的課程考核方法與成績評定形式，構(gòu)建完善的機器人實踐類課程教學體系，制定機器人創(chuàng)新教學與實踐的教學目標與方式、教學與實踐內(nèi)容。通過實踐研究方法驗證和實施所定教學實踐內(nèi)容，從教學、實踐、創(chuàng)新項目與活動、競賽等多種途徑不斷修正方案，最終達到課程創(chuàng)新教學目標，以期在今后的機器人創(chuàng)新教學實踐中，強化學生對多學科、多方向的知識技能的理解與應(yīng)用，鍛煉學生動手能力和綜合分析解決問題的能力，培養(yǎng)學生的自主創(chuàng)新能力與團隊協(xié)作能力，提高應(yīng)用型本科院校機器人應(yīng)用技術(shù)水平和競爭力，以適應(yīng)社會與產(chǎn)業(yè)對機器人創(chuàng)新人才的需求。

4 結(jié)語

在新工科背景下，為改變傳統(tǒng)機器人實踐類課程教學模式與應(yīng)用脫節(jié)的現(xiàn)狀，本文將虛擬仿真技術(shù)融入機器人實踐類課程教學中。以項目為主線、教師為引導(dǎo)、學生為主體的教學模式，以機器人三大本體之一——精密減速器為例，有效融入工業(yè)機器人RV 減速器結(jié)構(gòu)建模與裝配的虛擬仿真，綜合學生“機械設(shè)計基礎(chǔ)”“工程應(yīng)用軟件”“PLC應(yīng)用技能培訓”與“電機拖動基礎(chǔ)”等多門課程知識，充分發(fā)揮學生學習的主動性、創(chuàng)新性，滿足自主創(chuàng)新與團隊協(xié)作能力的新工科培養(yǎng)要求。在機器人實踐類課程創(chuàng)新教學模式中，以項目考核與以賽代考的形式，充分利用現(xiàn)有機器人創(chuàng)新資源，讓教師與學生都能融入到機器人實踐課堂中，調(diào)動學生的積極主動性，鍛煉學生綜合分析解決問題的能力，也為學生在更高級別的機器人競賽中獲得優(yōu)異成績打下堅實基礎(chǔ)，提高新工科背景下學生的機器人應(yīng)用能力與就業(yè)競爭力，以適應(yīng)社會與產(chǎn)業(yè)對機器人創(chuàng)新人才的需求。創(chuàng)新教學為新工科背景下機器人相關(guān)專業(yè)的專業(yè)建設(shè)與人才培養(yǎng)提供了新思路。