機器人技術(shù)課程教學(xué)改革實踐探析
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摘要：在機器人產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展的背景下，“機器人技術(shù)”課程顯得愈發(fā)重要，市場對機器人相關(guān)人才的需求非常迫切，因此，“機器人技術(shù)”課程不僅要為學(xué)生打下堅實的理論基礎(chǔ)，也需要將實際項目與理論結(jié)合起來。在全面深化高等教育教學(xué)改革過程中，課程教學(xué)改革勢在必行。課題組針對“機器人技術(shù)”課程存在的問題，構(gòu)建了課程的改革方案。教改主要通過采用線上線下混合教學(xué)、教學(xué)內(nèi)容和考核方式的調(diào)整來進行，確保教改效果。
關(guān)鍵詞：工業(yè)機器人；機器人技術(shù)；教學(xué)改革；線上線下
0前言
“機器人技術(shù)”課程是機械工程、機器人工程等專業(yè)的學(xué)生需要學(xué)習(xí)的一門十分重要的專業(yè)課程。近年來，機器人產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展，新興市場迅速開辟，為經(jīng)濟增長貢獻了重要力量。我國已成為全球最大的機器人市場，工業(yè)機器人、特種機器人、服務(wù)機器人等在工業(yè)、軍工、民生領(lǐng)域發(fā)揮顯著作用，成為必不可少的設(shè)備[1]。目前，機器人技術(shù)已經(jīng)在很多領(lǐng)域得到了應(yīng)用，比如在工業(yè)生產(chǎn)線上利用機器人技術(shù)執(zhí)行焊接、噴涂、裝配的工序，再比如餐館和賓館中的送餐機器人、物流行業(yè)中的分揀機器人以及家庭中的掃地機器人，機器人技術(shù)早已與日常工作和生活融為一體[2]。據(jù)統(tǒng)計，我國工業(yè)機器人在2015—2019年的產(chǎn)量逐年增加。2019年為18.7萬臺（套），比2018年同期增長27%，增速比2016年和2017年有所放緩，這兩年增速分別為120%和81%。工業(yè)機器人銷量方面，2018—2019年我國工業(yè)機器人銷量呈下滑趨勢。2017年我國市場共銷售工業(yè)機器人15.9萬臺，2018年約銷售15.6萬臺，同比下降1.89%[3]。從整體上看，市場對機器人相關(guān)人才的需求是非常迫切的。因此，“機器人技術(shù)”課程不僅要為學(xué)生打下堅實的理論基礎(chǔ)，也需要理論聯(lián)系實際，為學(xué)生在有限的課時中設(shè)置合適的實踐內(nèi)容[4-7]。在全面深化高等教育教學(xué)改革中，對該課程教學(xué)改革勢在必行，鑒于此，課題組針對“機器人技術(shù)”課程教改進行探討。
1課程現(xiàn)狀
“機器人技術(shù)”課程是一門綜合性課程，與之相關(guān)的課程有電工電子學(xué)、單片機原理與應(yīng)用、傳感器技術(shù)、PLC原理與應(yīng)用等。在智能制造的背景下，對工業(yè)機器人的技術(shù)人員提出了更高的要求。因此，課程必須實現(xiàn)與相關(guān)實際工作內(nèi)容的呼應(yīng)，讓學(xué)生學(xué)有所成，學(xué)有所用。對“機器人技術(shù)”課程的教學(xué)情況進行總結(jié)，表現(xiàn)出以下幾方面的問題。
1.1教學(xué)方式傳統(tǒng)
在教學(xué)的實施過程中，部分教師沒有脫離傳統(tǒng)的教學(xué)模式，采用傳統(tǒng)的“灌輸式”教學(xué)。在這個教學(xué)模式中，學(xué)生在學(xué)習(xí)中遇到困難時，是請教老師進行解決，而不是自己想辦法去解決問題，這種情況造成了學(xué)生的自主能力較差，責(zé)任感也不強。1.2理論與實踐教學(xué)脫節(jié)由于缺乏必要的實踐條件，教學(xué)過程中只能把時間主要集中在理論教學(xué)上，實踐教學(xué)的時間往往很短，基本上只能算是走過場，難以達到應(yīng)有的實踐教學(xué)效果。而理論教學(xué)失去了實踐教學(xué)的支撐，成了無本之木，造成理論教學(xué)與實踐教學(xué)脫節(jié)現(xiàn)象嚴重。
1.3實踐教學(xué)與實際工程聯(lián)系不緊密
學(xué)生缺乏對企業(yè)情況的認知，對企業(yè)發(fā)生的各種問題缺乏考慮。這種情況就導(dǎo)致學(xué)生在做設(shè)計時，一方面，由于對企業(yè)的實際情況不熟悉，不能很好地設(shè)計作品；另一方面，對本身的設(shè)計作品認識不足，設(shè)計出來的作品不切實際，不能得到很好的應(yīng)用。
2教學(xué)改革措施
通過本教改課題的實施，解決原有的“機器人技術(shù)”課程實踐內(nèi)容不夠豐富、理論與實踐部分脫節(jié)、實踐教學(xué)投入不足的問題，以基于“知識膠囊”式實踐教學(xué)法的教學(xué)理念，設(shè)計實踐教學(xué)要求和教學(xué)方案。在此基礎(chǔ)上，重新修訂理論教學(xué)大綱、課程教學(xué)方案以及考核評價體系來對專業(yè)課程進行深入改革，并最終實現(xiàn)專業(yè)理論課程與實踐教學(xué)的深度對接?！爸R膠囊”這個概念最早來自于豆瓣時間和喜馬拉雅等平臺，這類平臺提供諸如電影解析類、歷史解讀類等的課程，讓人們能夠利用碎片時間來掌握知識。對于大學(xué)課程來說，“知識膠囊”的模式可以加以借鑒，由于課時有限，老師把機器人實操和一些知識點錄制成視頻或音頻，上傳至MOOC或SPOC平臺以方便學(xué)生查看。從實質(zhì)上說，這是對教學(xué)方式和教學(xué)關(guān)系的一種重塑，課程不再局限于教室，這對老師提出了更高要求，不但要把握課堂時間，進行理論知識的傳授，而且要以通俗易懂的語言，把復(fù)雜的實際案例錄制成視頻或音頻，讓學(xué)生能夠輕松理解。“知識膠囊”作為一種重新定義的微課，能夠從多方面、多維度吸引學(xué)生，讓學(xué)生對知識有選擇性，并且知識也更具有針對性和便捷性。教師的教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生的學(xué)習(xí)行為共同決定了課程質(zhì)量，課堂學(xué)習(xí)和線上學(xué)習(xí)都具有一定的特點。其中，課堂學(xué)習(xí)的優(yōu)勢在于面對面的有效互動，缺點在于學(xué)生被動接受知識，不利于培養(yǎng)學(xué)生的自主思考意識；而線上學(xué)習(xí)的優(yōu)勢在于時間的自由、資源的豐富，缺點在于人與人之間的聯(lián)系較弱。兩者相結(jié)合才能夠發(fā)揮出更大的優(yōu)勢。因此，在“機器人技術(shù)”課程的改革中，在原基礎(chǔ)上轉(zhuǎn)型升級，將整塊時間轉(zhuǎn)為碎片化時間，通過雨課堂對學(xué)生進行課前和課后管理。在一個章節(jié)完成時發(fā)送提前錄制好的視頻和音頻，進行線上線下聯(lián)動，學(xué)生需要在線上查看視頻并完成題目，視頻觀看情況和答題情況會折算成平時成績，通過這種方式培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力。在課堂的基礎(chǔ)上，教師對知識再進一步深加工，使知識的傳授不局限于課堂，保證知識的實時更新和有效鏈接，更好地配合學(xué)生進行理論和實踐的結(jié)合。各章節(jié)知識的“知識膠囊”安排如表1所示，與各個章節(jié)結(jié)合，使之具有較強的連續(xù)性。通過以上方案的實施，達成了一些學(xué)習(xí)效果，具體內(nèi)容如下：1）加深對工業(yè)機器人的認知。如工業(yè)機器人分類、工業(yè)機器人的組成，了解工業(yè)機器人技術(shù)發(fā)展過程、典型機器人產(chǎn)品和前沿技術(shù)，激發(fā)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)熱情。經(jīng)過課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握機器人的基本概念，并學(xué)會通過ABB、Fanuc、庫卡和新松等公司網(wǎng)站查看設(shè)備型號和參數(shù)。2）掌握工業(yè)機器人的環(huán)境感知技術(shù)。工業(yè)機器人感知系統(tǒng)通常由多種傳感器組成，用于感知自身狀態(tài)和外部環(huán)境，通過信息來決策和控制工業(yè)機器人完成任務(wù)。通過學(xué)習(xí)，學(xué)生掌握姿態(tài)傳感器、力覺傳感器、觸覺傳感器、壓覺傳感器、接近覺傳感器和視覺傳感器的工作原理和應(yīng)用場合。3）掌握工業(yè)機器人的通信技術(shù)。工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)是計算機網(wǎng)絡(luò)、通信網(wǎng)絡(luò)和自動控制技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物。工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)了企業(yè)信息集成系統(tǒng)和管理控制一體化系統(tǒng)發(fā)展的需要，是IT技術(shù)在自動控制領(lǐng)域的延伸，是自動控制領(lǐng)域的局域網(wǎng)。工業(yè)機器人作為智能設(shè)備在編程、調(diào)試、運行、維護的過程中需要通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，為了和PLC等其他工業(yè)設(shè)備進行系統(tǒng)集成，需要DeviceNet、Profibus、Profinet、Ethernet/IP等工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信接口。通過課程學(xué)習(xí)，學(xué)生掌握這些接口的物理層接口和協(xié)議層的設(shè)置。4）掌握工業(yè)機器人的控制技術(shù)。工業(yè)機器人控制系統(tǒng)用于對設(shè)備的控制，以完成特定的工作任務(wù)，基本功能包括記憶功能、示教功能、與外圍設(shè)備聯(lián)系功能、人機接口、傳感器接口、位置伺服功能、故障診斷安全保護功能。5）掌握工業(yè)機器人的編程。工業(yè)機器人編程方式主要經(jīng)歷三個階段：示教再現(xiàn)編程階段、離線編程階段和自主編程階段。對各種實用性機器人來說，示教再現(xiàn)編程具有諸多優(yōu)點，是功能實現(xiàn)的最佳途徑。錄制使用的機器人為一臺Fanuc六軸并聯(lián)機器人，如圖1所示，以及一臺ABB串聯(lián)機器人。錄制在一定程度上解決了設(shè)備數(shù)量不足、現(xiàn)場實驗教學(xué)中學(xué)生參與度低的問題。通過線上學(xué)習(xí)，每位學(xué)生都能夠身臨其境地參與設(shè)備的使用。并聯(lián)機器人系統(tǒng)由電氣部分與設(shè)備模塊組成。電氣部分包括：PLC模塊單元、觸摸屏模塊單元、變頻器模塊單元、電源模塊單元、操作箱按鈕單元、接線端子排和各種傳感器等。設(shè)備模塊包括：輸送線模塊、物料存儲模塊、視覺支架模塊、整體框架承載臺。ABB機器人型號為IRB120，具有六自由度，平臺除機器人外還包括加工單元、裝配單元、分揀單元、輸送單元和碼垛單元。在這兩套設(shè)備的基礎(chǔ)上制作了部分音頻和視頻材料。課程的考核方式從原來的平時成績40%和期末考試60%，調(diào)整為平時成績50%和期末50%，其中平時成績由線下成績和線上成績組成。
3結(jié)語
通過線上與線下的結(jié)合，讓學(xué)習(xí)不局限在教室中，學(xué)生可以利用課余時間，到線上平臺觀看課后教師上傳的視頻和音頻。在這個過程中，教師要多進行啟發(fā)，激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的熱情，這同時也能提高課堂上學(xué)生的參與度，提高教學(xué)質(zhì)量。課程對2017級、2018級機械工程專業(yè)學(xué)生進行了兩輪的教學(xué)改革實踐，重新設(shè)計了課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式和教學(xué)方法，專業(yè)理論課程與實踐教學(xué)方案深度對接，線上與線下教學(xué)相結(jié)合，不斷完善成績評價體系，使課程的改革建設(shè)取得良好成效。經(jīng)過課程學(xué)習(xí)，學(xué)生申報學(xué)生項目的熱情得到提高，競賽獲獎情況改善，學(xué)生評教分數(shù)提升，對課程滿意度高。
作者:鄭旸初 王文安 單位:溫州理工學(xué)院智能制造與電子工程學(xué)院
