《工業(yè)機(jī)器人技術(shù)》課程教學(xué)改革探索

摘 要：根據(jù)《工業(yè)機(jī)器人技術(shù)》涉獵內(nèi)容廣、綜合性強(qiáng)等特點(diǎn)，對(duì)該門(mén)課的教學(xué)現(xiàn)狀進(jìn)行分析，闡述了重組教材內(nèi)容，優(yōu)化教學(xué)模式，實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐相結(jié)合的改革內(nèi)容，為探索應(yīng)用型人才的培養(yǎng)提供參考。

關(guān)鍵詞：工業(yè)機(jī)器人；教學(xué)改革；應(yīng)用型本科

近年來(lái)，由于現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，勞動(dòng)力市場(chǎng)對(duì)技術(shù)型人才的需求不斷旺盛，《工業(yè)機(jī)器人技術(shù)》是機(jī)械類(lèi)及相關(guān)專(zhuān)業(yè)的專(zhuān)業(yè)方向課程。該課程實(shí)踐性強(qiáng)，與生產(chǎn)實(shí)際聯(lián)系十分緊密，知識(shí)覆蓋面較廣，綜合了機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)、電子電路技術(shù)、自動(dòng)控制原理、傳感器技術(shù)、線性代數(shù)等多方面的知識(shí)，是機(jī)械、電子、自動(dòng)化的結(jié)合。

由于《工業(yè)機(jī)器人技術(shù)》的課程既具有很強(qiáng)的理論性，又有很高的實(shí)踐要求，這使其在大學(xué)教育中的推廣過(guò)程遇到許多困難。對(duì)于應(yīng)用型本科院校而言，如何去拿捏理論與實(shí)踐的比例，如何讓學(xué)生提起興趣的同時(shí)不被抽象難懂的理論所困，這些都成了每一位任課教師需要思考的問(wèn)題。

1 改革的背景及存在的問(wèn)題

目前我院的《工業(yè)機(jī)器人技術(shù)》課程被安排在第7學(xué)期開(kāi)課，理論學(xué)時(shí)32，實(shí)踐學(xué)時(shí)16，選用的教材是劉極峰主編的《機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)》第二版[ 1 ]。

在教學(xué)過(guò)程當(dāng)中，主要存在的問(wèn)題如下：

1.1 涉及內(nèi)容廣而雜

《工業(yè)機(jī)器人技術(shù)》課程包含的章節(jié)涵蓋了：機(jī)器人的機(jī)械本體、關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)；機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程；機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)方程；末端執(zhí)行器的軌跡規(guī)劃方法；各種傳感器的應(yīng)用；以及以上內(nèi)容的綜合控制方法等。這些內(nèi)容本身都屬于不同的課程，學(xué)生要理解首先要有一定的基礎(chǔ)，或者要另外花時(shí)間復(fù)習(xí)。此外，這些零散的知識(shí)點(diǎn)在教學(xué)過(guò)程當(dāng)中容易讓學(xué)生感到混亂，難以對(duì)課程內(nèi)容產(chǎn)生整體的認(rèn)識(shí)。

1.2 概念抽象

機(jī)器人的學(xué)習(xí)離不開(kāi)D-H空間坐標(biāo)系的建立，就算有工業(yè)機(jī)器人的圖片、視頻，只能讓學(xué)生看到實(shí)體的部分，虛擬的坐標(biāo)系難以直觀地展現(xiàn)。

此外，抽象的概念，如工作空間、關(guān)節(jié)空間、雅可比矩陣等，在講授的過(guò)程中，大部分學(xué)生都無(wú)法理解。

1.3 公式復(fù)雜

想要實(shí)際地設(shè)計(jì)和控制一臺(tái)真正的機(jī)器人，學(xué)生要掌握的知識(shí)點(diǎn)非常多，如：齊次坐標(biāo)的變換、D-H坐標(biāo)系的建立、運(yùn)動(dòng)學(xué)方程的推導(dǎo)、雅可比矩陣的分析、甚至是動(dòng)力學(xué)方程的推導(dǎo)和使用等。這些內(nèi)容都是這門(mén)課的重點(diǎn)和精髓，然而枯燥的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，以及復(fù)雜的空間關(guān)系，容易讓學(xué)生失去學(xué)習(xí)的興趣。

1.4 實(shí)踐條件缺乏

由于機(jī)器人現(xiàn)狀主要用于工業(yè)生產(chǎn)，造價(jià)不菲，而教學(xué)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備開(kāi)發(fā)有待完善，使得該門(mén)課程的實(shí)踐環(huán)節(jié)很難展開(kāi)。在沒(méi)有實(shí)際操作機(jī)會(huì)的情況下，僅僅通過(guò)上機(jī)模擬很難達(dá)到預(yù)想的成效，也無(wú)法充分調(diào)檔學(xué)生的積極性。

2 改革的基本舉措

我校機(jī)電學(xué)院開(kāi)設(shè)《工業(yè)機(jī)器人技術(shù)》課程，目的是為了培養(yǎng)機(jī)電一體化的應(yīng)用型人才，更加適應(yīng)企業(yè)的實(shí)際需求。結(jié)合這一目標(biāo)，教師可以從以下幾個(gè)方面，對(duì)課程教學(xué)進(jìn)行改進(jìn)和完善[ 3 ]。

2.1 重組教材內(nèi)容，建立貫穿各部分內(nèi)容的課程主線

針對(duì)課程內(nèi)容零散獨(dú)立的問(wèn)題，為了讓學(xué)生有整體的認(rèn)識(shí)，可以先從機(jī)械專(zhuān)業(yè)學(xué)生比較熟悉的機(jī)械結(jié)構(gòu)入手，通過(guò)講解機(jī)器人三大組成部分（機(jī)械部分、傳感部分、控制部分）的關(guān)系，進(jìn)入控制系統(tǒng)和環(huán)境感知技術(shù)的學(xué)習(xí)，再以典型的機(jī)器人（如PUMA機(jī)器人）為主線，對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、軌跡規(guī)劃進(jìn)行由淺及深的講解，特別在學(xué)習(xí)之前先要有一個(gè)明確的框架，說(shuō)明這些方程各自起的作用，先提出問(wèn)題，再帶著疑問(wèn)進(jìn)行剖析，整個(gè)教學(xué)過(guò)程才能連貫。

2.2 優(yōu)化教學(xué)模式，激發(fā)學(xué)生的自我思考，提高學(xué)習(xí)能力

《工業(yè)機(jī)器人技術(shù)》是一門(mén)實(shí)踐性非常強(qiáng)的課程，在教學(xué)活動(dòng)中，必須注重課堂互動(dòng)。每次涉及新的知識(shí)點(diǎn)，拒絕一味的填鴨式教學(xué)，改而提出問(wèn)題并引起學(xué)生興趣，鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行課后資料文獻(xiàn)的搜集，讓學(xué)生自己去思考并尋找答案，最后通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)演講的方式與其他同學(xué)進(jìn)行交流探討。

此外，還可以采用大作業(yè)的形式，鼓勵(lì)并指導(dǎo)學(xué)生自己設(shè)計(jì)一套完整的機(jī)器人系統(tǒng)，讓學(xué)生帶著問(wèn)題上課，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性。

2.3 權(quán)衡教學(xué)內(nèi)容，因材施教

針對(duì)理論部分太難的問(wèn)題，秉著培養(yǎng)應(yīng)用型人才的宗旨，教師可以因材施教，對(duì)于深澀難懂的公式推導(dǎo)部分，進(jìn)行概括性的介紹，而對(duì)于概念抽象的部分，可以結(jié)合虛擬樣機(jī)仿真等軟件，網(wǎng)上的教學(xué)視頻，以及多媒體課件的方式，進(jìn)行多角度全方位的剖析。在條件允許的情況下，利用實(shí)物進(jìn)行教學(xué)，也可以大大提高效果。

此外，還應(yīng)該在教學(xué)過(guò)程中，適當(dāng)引入相關(guān)知識(shí)的前沿資訊、最新的科技發(fā)展成果，通過(guò)豐富的實(shí)例，在拓展視野的同時(shí)，也助于提高學(xué)生的領(lǐng)悟能力。

2.4 改善實(shí)驗(yàn)教學(xué)

結(jié)合實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的設(shè)備條件，機(jī)器人的演示可以利用柔性制造系統(tǒng)的教學(xué)模型，以及實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的小型工業(yè)機(jī)器人。機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制可以利用MATLAB的robotics toolbox實(shí)現(xiàn)[ 2 ]。此外，還可以利用ADAMS軟件強(qiáng)大的仿真模塊，在Simulink中實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬樣機(jī)的控制操作。

3 結(jié)語(yǔ)

《工業(yè)機(jī)器人技術(shù)》這門(mén)課不僅對(duì)于學(xué)生難，對(duì)于授課教師更難。該課程教學(xué)的內(nèi)容必須緊貼潮流，與時(shí)俱進(jìn)，絕不能受限于教材。這對(duì)于教師來(lái)說(shuō)，意味著必須時(shí)刻關(guān)注機(jī)器人領(lǐng)域的最新動(dòng)態(tài)，在平時(shí)的工作中積累素材，搜集文獻(xiàn)，整理材料。只有發(fā)自?xún)?nèi)心的覺(jué)得有趣，這些事情才會(huì)變得自然而然。教學(xué)改革是一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程，在不斷的實(shí)踐當(dāng)中，相信這些措施還會(huì)有不斷的改進(jìn)和完善。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉極峰.機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)[M].高等教育出版社

[2] 謝斌.基于MATLAB Robotics Toolbox的機(jī)器人學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)[J].計(jì)算機(jī)教育，2010，19：140-143.

[3] 黃用華.理工科高?！豆I(yè)機(jī)器人》課程教學(xué)改革淺析[J].科技信息，2012，21：20.

基金項(xiàng)目：2015年廣東省高等教育“創(chuàng)新強(qiáng)?！惫こ添?xiàng)目《強(qiáng)化工程教育，促進(jìn)實(shí)踐教學(xué)模式改革》（S-CQ201502）

作者簡(jiǎn)介：于楚泓（1989-），女，江蘇人，碩士，助教，研究方向：機(jī)器人，智能控制。