淺析機(jī)械類專業(yè)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)課程創(chuàng)新及教學(xué)改革

杜尊令，王炳丹，林榮庭，陳建輝

（1.肇慶學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院；2.肇慶學(xué)院學(xué)生工作部，廣東 肇慶 526061）

1 前言

智能制造被譽(yù)為第四次工業(yè)革命，已經(jīng)成為各國(guó)發(fā)展搶占的制高點(diǎn)，而機(jī)器人等新興技術(shù)是推動(dòng)現(xiàn)代制造業(yè)智能化升級(jí)的核心驅(qū)動(dòng)力。機(jī)器人被譽(yù)為“制造業(yè)皇冠頂端的明珠”，其研發(fā)、制造、應(yīng)用是衡量一個(gè)國(guó)家科技創(chuàng)新和高端制造業(yè)水平的重要標(biāo)志。目前，機(jī)器人不僅在制造業(yè)廣泛應(yīng)用，還擴(kuò)展至醫(yī)療健康、資源勘探、救災(zāi)搶險(xiǎn)、商貿(mào)物流、教育娛樂(lè)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、軍事工業(yè)和航空航天等領(lǐng)域。機(jī)器人替代和協(xié)助人們從重復(fù)枯燥、臟累危險(xiǎn)、有毒有害等工作中解放出來(lái)，取代了人的職能和拓展了人的能力。近年來(lái)，為了發(fā)展機(jī)器人產(chǎn)業(yè)，我國(guó)投入了大量的資金資源，制定各類重要的國(guó)家級(jí)產(chǎn)業(yè)規(guī)劃和政策，使我國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)得到了蓬勃發(fā)展，產(chǎn)業(yè)規(guī)?？焖僭鲩L(zhǎng)，技術(shù)水平持續(xù)提升，重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)集群優(yōu)勢(shì)逐步顯現(xiàn)。

機(jī)器人產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，市場(chǎng)規(guī)?？焖僭鲩L(zhǎng)的同時(shí)，機(jī)器人領(lǐng)域人才供需矛盾已經(jīng)顯現(xiàn)，尤其是工程技術(shù)人才短缺已成為制約智能制造領(lǐng)域高質(zhì)量發(fā)展的一大難題。工業(yè)機(jī)器人人才培養(yǎng)成為機(jī)器人領(lǐng)域和教育部門(mén)的關(guān)注熱點(diǎn)話題。機(jī)器人是多學(xué)科深度交叉融合的數(shù)字化裝備，對(duì)人才需求門(mén)檻高，綜合能力要求高。培養(yǎng)工業(yè)機(jī)器人高端技術(shù)人才，為智能制造領(lǐng)域注入新鮮活力，高等院校除開(kāi)設(shè)機(jī)器人專業(yè)外，對(duì)機(jī)械類專業(yè)開(kāi)設(shè)工業(yè)機(jī)器人課程也是緩解機(jī)器人人才短缺的有效途徑。機(jī)械類專業(yè)《工業(yè)機(jī)器人技術(shù)》課程確定知識(shí)-能力-素養(yǎng)三位一體培養(yǎng)目標(biāo)成為課程建設(shè)的首要任務(wù)。本文以肇慶學(xué)院機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)為例，探索《工業(yè)機(jī)器人技術(shù)》課程在應(yīng)用型本科教學(xué)中的目標(biāo)定位、存在問(wèn)題及解決方案，為其他應(yīng)用型本科機(jī)械類專業(yè)開(kāi)設(shè)工業(yè)機(jī)器人課程提供借鑒。

2 課程教學(xué)目標(biāo)

通過(guò)企業(yè)調(diào)研和文獻(xiàn)檢索，將工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)鏈分為上游、中游和下游產(chǎn)業(yè)，如圖1所示。工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)鏈上游產(chǎn)業(yè)為核心零部件生產(chǎn)，主要包括高精密減速機(jī)、伺服電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器、控制器和傳感器等，相當(dāng)于機(jī)器人的“大腦”，占據(jù)機(jī)器人總成本的70%～80%，是制約機(jī)器人成本降低的主要因素，目前，這些核心零部件主要依靠進(jìn)口，例如，機(jī)器人用的高精密減速器占到機(jī)器人總成本的30%，而全球75%的市場(chǎng)被日本兩家企業(yè)占據(jù)，包括四大家族等國(guó)際一線品牌均有它們供貨。產(chǎn)業(yè)鏈中游為工業(yè)機(jī)器人本體制造，主要包括焊接機(jī)器人、搬運(yùn)機(jī)器人、碼垛機(jī)器人、涂裝機(jī)器人和裝配機(jī)器人等，機(jī)器人本體制造占據(jù)機(jī)器人成本的20%～30%；產(chǎn)業(yè)鏈下游為應(yīng)用領(lǐng)域系統(tǒng)集成，主要包括汽車制造、3C電子、倉(cāng)儲(chǔ)物流、醫(yī)療服務(wù)、航空航天和軍工等領(lǐng)域，系統(tǒng)集成占據(jù)總成本的5%左右，而國(guó)內(nèi)公司多集中在該領(lǐng)域。

圖1 工業(yè)機(jī)器人行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)工業(yè)機(jī)器人行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)和人才需求分析，結(jié)合機(jī)械類專業(yè)特點(diǎn)，課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)建立了《工業(yè)機(jī)器人技術(shù)》課程知識(shí)、能力、素養(yǎng)三位一體的教學(xué)目標(biāo)，如圖2所示。

圖2 課程培養(yǎng)目標(biāo)

（1）知識(shí)目標(biāo)。課程構(gòu)建全面的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)體系知識(shí)框架，了解工業(yè)機(jī)器人分類、特點(diǎn)、發(fā)展動(dòng)態(tài)及學(xué)科前沿研究進(jìn)展；掌握工業(yè)機(jī)器人基本結(jié)構(gòu)組成和控制系統(tǒng)等基本通用理論及應(yīng)用技術(shù)；理解和掌握工業(yè)機(jī)器人主要參數(shù)、操作編程及運(yùn)行維護(hù)的通用方法及流程；掌握工業(yè)機(jī)器人選型、系統(tǒng)集成等技術(shù)和方法；了解工業(yè)機(jī)器人焊接、搬運(yùn)、碼垛、噴涂與裝配等多種實(shí)際應(yīng)用及周邊設(shè)備。

（2）能力目標(biāo)。培養(yǎng)學(xué)生在工業(yè)機(jī)器人及自動(dòng)化系統(tǒng)集成等領(lǐng)域發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力；培養(yǎng)學(xué)生在工業(yè)機(jī)器人技術(shù)方面理論聯(lián)系實(shí)際、機(jī)器人選型、系統(tǒng)集成、現(xiàn)場(chǎng)軌跡編程、離線編程軟件等實(shí)踐操作能力；培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、擴(kuò)展獲取信息的渠道及創(chuàng)新思維的能力；培養(yǎng)學(xué)生評(píng)價(jià)工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)集成合理性和集成過(guò)程中項(xiàng)目管理的能力；具備設(shè)計(jì)焊接、搬運(yùn)、碼垛、噴涂與裝配等應(yīng)用工作站布局的能力。

（3）素養(yǎng)目標(biāo)。培養(yǎng)學(xué)生樹(shù)立正確的三觀、家國(guó)情懷和民族自豪感；讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到工業(yè)機(jī)器人技術(shù)在智能制造中的重要性，領(lǐng)略科技進(jìn)步給生活和世界帶來(lái)的巨大改變，激發(fā)學(xué)生為國(guó)學(xué)習(xí)、為國(guó)創(chuàng)新、造福國(guó)家、改變世界的使命擔(dān)當(dāng)；通過(guò)工業(yè)機(jī)器人的高新技術(shù)，培養(yǎng)學(xué)生關(guān)心科技、熱愛(ài)科學(xué)、勇于探索的創(chuàng)新責(zé)任意識(shí)；通過(guò)機(jī)器人系統(tǒng)集成和各類應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生具有良好的心理素質(zhì)、職業(yè)道德以及高度責(zé)任心和良好團(tuán)隊(duì)合作能力；搭建理論聯(lián)系實(shí)際的橋梁，培養(yǎng)學(xué)生精益求精的大國(guó)工匠精神，鼓勵(lì)學(xué)生為成為工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的創(chuàng)新型人才而努力。

3 工業(yè)機(jī)器人技術(shù)課程學(xué)情分析

以肇慶學(xué)院機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)為例，《工業(yè)機(jī)器人技術(shù)》課程為第七學(xué)期開(kāi)設(shè)的專業(yè)選修課程，課程共計(jì)32學(xué)時(shí)，其中理論講解24學(xué)時(shí)和實(shí)驗(yàn)操作8學(xué)時(shí)。目前，課程在教學(xué)環(huán)節(jié)中主要存在以下不足。

（1）課程內(nèi)容知識(shí)面廣、更新快、涉及領(lǐng)域眾多。工業(yè)機(jī)器人是機(jī)電一體化先進(jìn)數(shù)字智能裝備，是面向工業(yè)領(lǐng)域多關(guān)節(jié)或多自由度的機(jī)器人，是機(jī)械、電子、控制、計(jì)算機(jī)、傳感器、人工智能等多學(xué)科深度交叉融合的高新技術(shù)。而《工業(yè)機(jī)器人技術(shù)》這門(mén)課程不僅學(xué)習(xí)工業(yè)機(jī)器人的分類、結(jié)構(gòu)組成、運(yùn)動(dòng)控制、性能指標(biāo)、手動(dòng)操作、在線編程、離線編程等共性通用的理論技術(shù)，還涵蓋搬運(yùn)、焊接、碼垛、噴涂和裝配等應(yīng)用，每種具體應(yīng)用均涵蓋了多學(xué)科的知識(shí)架構(gòu)。隨著智能制造技術(shù)在各領(lǐng)域的廣泛推廣，工業(yè)機(jī)器人的需求量迅速增長(zhǎng)，為了搶占市場(chǎng)，工業(yè)機(jī)器人制造企業(yè)在理論、技術(shù)等層面迅速革新。為了滿足工業(yè)機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的需要，避免發(fā)生高校課堂教學(xué)內(nèi)容與企業(yè)實(shí)際新技術(shù)產(chǎn)生脫節(jié)現(xiàn)象，課程教學(xué)內(nèi)容也要隨新技術(shù)進(jìn)行更新，給工業(yè)機(jī)器人課程教學(xué)帶來(lái)了一定的難度。

（2）“雙師雙能型”師資欠缺。課程內(nèi)容既涵蓋了工業(yè)機(jī)器人分類、結(jié)構(gòu)、操作編程等通用理論技術(shù)，還包含搬運(yùn)、焊接、碼垛、噴涂和裝配等多種實(shí)際應(yīng)用操作。教學(xué)內(nèi)容與企業(yè)生產(chǎn)聯(lián)系十分密切，例如，搬運(yùn)、焊接、碼垛、噴涂和裝配等應(yīng)用均來(lái)自企業(yè)實(shí)踐，對(duì)于參與、接觸過(guò)工業(yè)機(jī)器人相關(guān)企業(yè)實(shí)踐項(xiàng)目的技術(shù)人員，能夠更好地引導(dǎo)、啟發(fā)學(xué)生的認(rèn)知。而目前高等學(xué)校缺乏具有工業(yè)機(jī)器人工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的“雙師雙能型”教師，教師在企業(yè)工業(yè)機(jī)器人實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和創(chuàng)新能力有待提升。

（3）學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性和積極性不高。課程開(kāi)設(shè)為第七學(xué)期，學(xué)生面臨著就業(yè)、考研、考公務(wù)員等職業(yè)選擇和準(zhǔn)備工作，分散了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和注意力，致使一部分學(xué)生學(xué)習(xí)專注性不高，學(xué)習(xí)自覺(jué)性、自制性和創(chuàng)新性等意志品質(zhì)差，導(dǎo)致學(xué)習(xí)效率不高，教學(xué)質(zhì)量不佳。

（4）實(shí)踐平臺(tái)嚴(yán)重匱乏。工業(yè)機(jī)器人實(shí)踐設(shè)備平臺(tái)價(jià)值量相對(duì)較高，由于機(jī)械類專業(yè)學(xué)生眾多，采購(gòu)多套多種類的實(shí)踐設(shè)備給學(xué)校帶來(lái)了較大的資金壓力，尤其是機(jī)械類專業(yè)在首次開(kāi)設(shè)工業(yè)機(jī)器人課程時(shí)，實(shí)驗(yàn)設(shè)備匱乏成為制約課程教學(xué)開(kāi)展的一大短板。目前，肇慶學(xué)院機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)僅有ABB焊接工作站1臺(tái)、伯朗特20kg六軸工業(yè)機(jī)器人1臺(tái)和人機(jī)協(xié)作機(jī)器人1臺(tái)，由于實(shí)驗(yàn)平臺(tái)短缺，給工業(yè)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)教學(xué)帶來(lái)了較大的挑戰(zhàn)。

4 工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的課程創(chuàng)新及改革

針對(duì)課程教學(xué)過(guò)程中存在的諸多問(wèn)題，對(duì)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)課程創(chuàng)新及改革采取以下舉措。

（1）案例導(dǎo)入及師資培訓(xùn)。工業(yè)機(jī)器人涉及多個(gè)學(xué)科，課程內(nèi)容涵蓋機(jī)器人技術(shù)及搬運(yùn)、焊接、碼垛、噴涂和裝配等多種應(yīng)用，課程內(nèi)容多、更新快，給學(xué)生學(xué)習(xí)、理解和掌握課程相關(guān)知識(shí)帶來(lái)了一定的難度。為了讓學(xué)生便于接受、梳理課程內(nèi)容，教學(xué)過(guò)程中導(dǎo)入了機(jī)器人及搬運(yùn)、焊接、碼垛、噴涂和裝配等應(yīng)用的視頻案例，便于學(xué)生在學(xué)習(xí)中更加直觀、感性上認(rèn)識(shí)機(jī)器人的理論及應(yīng)用，也提升學(xué)生在課程中的參與程度，同時(shí)，將工程實(shí)際案例引進(jìn)理論課堂，例如，搬運(yùn)應(yīng)用中機(jī)床上下料模塊、輸送模塊、檢測(cè)模塊，料倉(cāng)模塊等部分，為學(xué)生展示了經(jīng)典的工業(yè)機(jī)器人搬運(yùn)應(yīng)用場(chǎng)景。

為了強(qiáng)化任課教師工業(yè)機(jī)器人課程知識(shí)結(jié)構(gòu)體系、應(yīng)對(duì)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的快速革新，課程團(tuán)隊(duì)從優(yōu)秀案例分享、教學(xué)經(jīng)驗(yàn)交流、參加學(xué)術(shù)會(huì)議、企業(yè)技術(shù)交流、慕課、網(wǎng)絡(luò)等多渠道獲取學(xué)科前沿信息，并將學(xué)科前沿與已有經(jīng)驗(yàn)（專業(yè)知識(shí)）相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)課程團(tuán)隊(duì)教師全面創(chuàng)新升級(jí)、不斷加強(qiáng)任課教師團(tuán)隊(duì)的業(yè)務(wù)水平。

（2）任課教師進(jìn)駐企業(yè)。工業(yè)機(jī)器人技術(shù)課程知識(shí)面極其廣泛，任課教師的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)及知識(shí)結(jié)構(gòu)有限，需要廣大教師走進(jìn)企業(yè)，接觸機(jī)器人的實(shí)際應(yīng)用，提高自己的知識(shí)結(jié)構(gòu)及認(rèn)知，并將實(shí)際應(yīng)用帶回課堂，從而將課堂教學(xué)變得更加豐富多彩。上課過(guò)程中，我們充分結(jié)合產(chǎn)學(xué)研合作項(xiàng)目，將實(shí)際項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)成果引入到課程教學(xué)，同時(shí)聘任企業(yè)導(dǎo)師，選聘企業(yè)一線技術(shù)人員承擔(dān)部分教學(xué)任務(wù)。

（3）競(jìng)賽驅(qū)動(dòng)。為了提高廣大師生課程參與度，采用競(jìng)賽驅(qū)動(dòng)的方式調(diào)動(dòng)大家學(xué)習(xí)主動(dòng)性，競(jìng)賽分為課堂內(nèi)競(jìng)賽和課外競(jìng)賽兩類。課內(nèi)競(jìng)賽以翻轉(zhuǎn)課堂的形式呈現(xiàn)，由任課教師對(duì)學(xué)生進(jìn)行分組（3～5人/組），每次課程預(yù)留1～2個(gè)專業(yè)話題（例如，工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展概況、工業(yè)機(jī)器人的分類、RV減速器、諧波減速器、工業(yè)機(jī)器人的性能指標(biāo)、工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制、AGV搬運(yùn)車、搬運(yùn)手爪等知識(shí)點(diǎn)），分配給相應(yīng)組別準(zhǔn)備，下次課程時(shí)由分組成員進(jìn)行講述，講述結(jié)束后，由教師和學(xué)生對(duì)課程狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)，提高了學(xué)生課程參與程度。課外競(jìng)賽以互聯(lián)網(wǎng)+、挑戰(zhàn)杯為主，并成立了“工業(yè)機(jī)器人及自動(dòng)化應(yīng)用創(chuàng)新小組”，依托擬建立的工業(yè)機(jī)器人實(shí)踐與創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室，開(kāi)展實(shí)踐和創(chuàng)新活動(dòng)，為廣大師生參加相關(guān)競(jìng)賽提供場(chǎng)地、設(shè)備。同時(shí)，在競(jìng)賽過(guò)程中獲得的經(jīng)驗(yàn)成果可以反補(bǔ)教學(xué)，使教學(xué)變得更加生動(dòng)，更加貼近實(shí)際應(yīng)用。

（4）“虛實(shí)”結(jié)合一體化實(shí)踐教學(xué)。由于工業(yè)機(jī)器人實(shí)踐設(shè)備的嚴(yán)重短缺，致使學(xué)生對(duì)真實(shí)的機(jī)器人缺乏感性認(rèn)識(shí)，且大型機(jī)器人在操作過(guò)程中存在一定的危險(xiǎn)等狀況，課程引入了虛擬仿真技術(shù)，利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)，可以有效地達(dá)成機(jī)器人的相關(guān)操作，使教學(xué)易懂、易學(xué)，完成教學(xué)的目標(biāo)。

5 結(jié)語(yǔ)

智能制造被譽(yù)為第四次工業(yè)革命，工業(yè)機(jī)器人等新興技術(shù)是推動(dòng)現(xiàn)代制造業(yè)智能化升級(jí)的核心動(dòng)力之一。本文以肇慶學(xué)院機(jī)械類專業(yè)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)為例，探索了課程創(chuàng)新和教學(xué)改革。

（1）建立了機(jī)械類專業(yè)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)課程的知識(shí)、能力和素養(yǎng)三位一體教學(xué)目標(biāo)。

（2）分析了課程教學(xué)過(guò)程中存在的內(nèi)容知識(shí)面廣、更新快、“雙師雙能型”師資缺乏和實(shí)驗(yàn)設(shè)備匱乏等問(wèn)題。

（3）提出了案例導(dǎo)入、教師進(jìn)駐企業(yè)、競(jìng)賽驅(qū)動(dòng)和“虛實(shí)”結(jié)合一體化實(shí)踐教學(xué)等方法，對(duì)課程進(jìn)行教學(xué)改革。