基于“卓越工程師”培養(yǎng)計(jì)劃的“機(jī)器人技術(shù)”課程教學(xué)模式探討

龔智強(qiáng) 楊胡坤 胡 健 路 玲

（巢湖學(xué)院，安徽 巢湖 238000）

1 引言

隨著社會(huì)的進(jìn)步和人們生活質(zhì)量的不斷提高，一些重復(fù)性或?qū)θ松碛袀Φ墓ぷ?，急需采用機(jī)器人替代人力去完成相應(yīng)任務(wù)。目前人力資源成本高，沿海城市勞動(dòng)力短缺，難以滿足各行各業(yè)和廣大人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的新需求，需要研發(fā)不同型式的機(jī)器人產(chǎn)品，以提高產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率[1-3]。近年來(lái)，機(jī)器人產(chǎn)業(yè)呈爆發(fā)式的增長(zhǎng)，無(wú)論在傳統(tǒng)的工業(yè)制造領(lǐng)域，還是在高科技領(lǐng)域，以及服務(wù)領(lǐng)域，機(jī)器人正不斷地提升人們的生活水平。教育部正在實(shí)施“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”重大改革項(xiàng)目[4]，目前巢湖學(xué)院已獲批省級(jí)機(jī)械專業(yè)“卓越工程師培養(yǎng)計(jì)劃”項(xiàng)目，校級(jí)機(jī)械電子工程“卓越工程師培養(yǎng)計(jì)劃”項(xiàng)目也被立項(xiàng)，成立了機(jī)械專業(yè)“卓越工程師”班?！皺C(jī)器人技術(shù)”作為專業(yè)必修課，也是技術(shù)基礎(chǔ)課程，該課程所學(xué)的內(nèi)容乃是有關(guān)機(jī)器人的基礎(chǔ)知識(shí)，理論性難度大，實(shí)踐操作專業(yè)性強(qiáng)。

“機(jī)器人技術(shù)”課程在培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用理論知識(shí)進(jìn)行機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計(jì)中起到重要作用，機(jī)器人技術(shù)作為機(jī)械專業(yè)的一個(gè)專業(yè)方向，其課程教學(xué)改革對(duì)實(shí)現(xiàn)卓越工程師的培養(yǎng)具有重要意義。目前該課程教學(xué)中存在一些問題，如實(shí)物模型少，實(shí)踐教學(xué)占比少，實(shí)驗(yàn)條件欠缺，課程講授過程中典型機(jī)器人設(shè)計(jì)開發(fā)實(shí)例缺乏等。本文在地方應(yīng)用型本科高校轉(zhuǎn)型發(fā)展背景下，根據(jù)“卓越工程師”教育培養(yǎng)計(jì)劃要求和針對(duì)當(dāng)前“機(jī)器人技術(shù)”課程教學(xué)過程存在的問題，提出課程理論教學(xué)改革和多模式的實(shí)踐教學(xué)思路及方法，優(yōu)化課程教學(xué)內(nèi)容，提高實(shí)踐教學(xué)在課程建設(shè)中的比例。使學(xué)生了解機(jī)器人技術(shù)的最新發(fā)展動(dòng)態(tài)，掌握機(jī)器人產(chǎn)品的開發(fā)、設(shè)計(jì)、制造的基本方法，使學(xué)生得到創(chuàng)新實(shí)踐訓(xùn)練，培養(yǎng)熟練掌握機(jī)器人理論和應(yīng)用的高素質(zhì)創(chuàng)新型人才。

2 理論教學(xué)模式改革探討

“機(jī)器人技術(shù)”課程理論性強(qiáng)，內(nèi)容涉及知識(shí)廣，包括機(jī)械、電子、控制等學(xué)科的基本理論知識(shí)，課程學(xué)習(xí)要求先修機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)、互換性與測(cè)量技術(shù)、單片機(jī)原理及應(yīng)用、傳感技術(shù)與應(yīng)用、電氣控制與PLC等課程，課程內(nèi)容有機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)，機(jī)器人控制技術(shù)，與機(jī)器人相關(guān)的傳感器技術(shù)，機(jī)器人視覺等。目前的教學(xué)過程中理論教學(xué)過于單一，按傳統(tǒng)的教學(xué)方法講授，導(dǎo)致學(xué)生感覺知識(shí)抽象難懂，公式推導(dǎo)復(fù)雜。提出將虛擬仿真技術(shù)、實(shí)物搭建模型、創(chuàng)新發(fā)明方法和互動(dòng)式教學(xué)引入課堂教學(xué)，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，以知識(shí)應(yīng)用為重點(diǎn)，概括講授一些冗余復(fù)雜內(nèi)容，重點(diǎn)講授“機(jī)器人技術(shù)”應(yīng)用知識(shí)。

2.1 將虛擬仿真技術(shù)和實(shí)物搭建模型引入課堂教學(xué)

目前，計(jì)算技術(shù)發(fā)展迅速，虛擬仿真技術(shù)得到充分應(yīng)用，設(shè)計(jì)效率高周期短，精度高，應(yīng)用越來(lái)越廣，已被廣大設(shè)計(jì)人員所接受。虛擬仿真技術(shù)在機(jī)器人設(shè)計(jì)過程中起著很大的作用，采用虛擬技術(shù)，機(jī)器人設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果可視化，直觀的獲取關(guān)鍵性參數(shù)[5-6]。在教學(xué)過程中，增設(shè)現(xiàn)代仿真技術(shù)在機(jī)器人設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，如ADAMS虛擬仿真技術(shù)、MATLAB-Simulink系統(tǒng)仿真技術(shù)等；并在課堂教學(xué)中演示采用虛擬仿真軟件進(jìn)行機(jī)器人的設(shè)計(jì)、仿真結(jié)果導(dǎo)出，獲取模型的相關(guān)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特性，使學(xué)生意識(shí)到仿真技術(shù)在機(jī)器人設(shè)計(jì)中的重要性，以便課后主動(dòng)去學(xué)習(xí)相關(guān)虛擬仿真軟件。

課堂教學(xué)過程中，教學(xué)材料中充分加入典型機(jī)器人機(jī)構(gòu)動(dòng)畫仿真演示，同時(shí)在授課過程中攜帶機(jī)構(gòu)零件實(shí)物，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行機(jī)器人機(jī)構(gòu)模型搭建，以便于學(xué)生更好地理解和掌握相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，采用實(shí)物模型搭建和動(dòng)畫輔助教學(xué)，以加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的掌握，并領(lǐng)略理論知識(shí)的深刻內(nèi)涵，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。同時(shí)更新教學(xué)內(nèi)容，將最新機(jī)器人技術(shù)研究成果引入課堂，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

2.2 將創(chuàng)新發(fā)明方法和互動(dòng)式教學(xué)引入課堂教學(xué)

將TRIZ創(chuàng)新發(fā)明理論引入理論教學(xué)過程，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)TRIZ創(chuàng)新發(fā)明理論和方法的認(rèn)識(shí)，讓學(xué)生了解機(jī)器人創(chuàng)新發(fā)明方法和成果。將教師在機(jī)器人創(chuàng)新方面的科研成果等引入課堂教學(xué)，從發(fā)明任務(wù)到最終的發(fā)明成果一一給學(xué)生講解整個(gè)設(shè)計(jì)創(chuàng)造的全過程，以及在這個(gè)過程中需要把握的關(guān)鍵性環(huán)節(jié)，讓學(xué)生學(xué)會(huì)如何利用所學(xué)知識(shí)去創(chuàng)新設(shè)計(jì)，如何去找尋創(chuàng)新點(diǎn)，讓學(xué)生了解發(fā)明創(chuàng)造的過程和方法，以及如何去對(duì)自己的發(fā)明創(chuàng)造成果進(jìn)行專利的申請(qǐng)寫作，提高學(xué)生專利寫作水平，讓學(xué)生意識(shí)到知識(shí)產(chǎn)權(quán)的重要性，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)的意識(shí)。

教師布置典型機(jī)器人設(shè)計(jì)的討論主題，學(xué)生根據(jù)興趣分組進(jìn)行綜合性討論，深刻理解機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程及關(guān)鍵點(diǎn)所在，最終提交的主題報(bào)告作為平時(shí)成績(jī)的一部分，并將小組討論結(jié)果在課堂中進(jìn)行點(diǎn)評(píng)，指出其中設(shè)計(jì)的優(yōu)劣，并要求學(xué)生對(duì)設(shè)計(jì)中的問題進(jìn)一步完善，讓學(xué)生積極主動(dòng)學(xué)習(xí)并應(yīng)用知識(shí)完成主題中的設(shè)計(jì)任務(wù)。

3 多模式的實(shí)踐教學(xué)改革

實(shí)踐教學(xué)在課程教學(xué)中具有非常重要的作用，是培養(yǎng)高素質(zhì)應(yīng)用型人才的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。對(duì)課程實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整并優(yōu)化整合，提高實(shí)踐教學(xué)在課程建設(shè)中的比例，讓學(xué)生重點(diǎn)掌握機(jī)器人在工業(yè)領(lǐng)域和其它領(lǐng)域的應(yīng)用，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有設(shè)備培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手編程、設(shè)計(jì)和操控機(jī)器人的能力。充分利用現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備，鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行開放性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和積極參加各類學(xué)科競(jìng)賽，搭建完善的課程實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)。學(xué)生充分利用實(shí)驗(yàn)室已有的機(jī)器人實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)設(shè)備進(jìn)行實(shí)驗(yàn)開發(fā)及設(shè)計(jì)，課后到開放實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)制作機(jī)器人的研究。同時(shí)，要求實(shí)踐課程教師積極開展產(chǎn)學(xué)研活動(dòng)，到企業(yè)掛職鍛煉，提高教師實(shí)踐指導(dǎo)能力，培養(yǎng)“雙師型”教師隊(duì)伍，為學(xué)生實(shí)踐教學(xué)服務(wù)。在實(shí)踐教學(xué)中，制訂監(jiān)督考核制度，保證良好的實(shí)踐教學(xué)效果。

3.1 充分利用現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備教學(xué)模式

目前，巢湖學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院建立了機(jī)械電子工程與機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室、機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室等實(shí)驗(yàn)室，實(shí)驗(yàn)室有可重構(gòu)并聯(lián)機(jī)器人（圖1）、可拆裝串聯(lián)機(jī)器人（圖2）、SCARA機(jī)器人實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、慧魚機(jī)器人模型、人形機(jī)器人等實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)設(shè)備；在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，開設(shè)可重構(gòu)并聯(lián)機(jī)器人、可拆裝串聯(lián)機(jī)器人、SCARA機(jī)器人、慧魚機(jī)器人模型、人形機(jī)器人等實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生搭建和控制機(jī)器人實(shí)驗(yàn)，加深對(duì)課程理論知識(shí)的理解，能夠應(yīng)用所學(xué)理論知識(shí)去搭建機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并進(jìn)行測(cè)試分析，培養(yǎng)學(xué)生的機(jī)器人設(shè)計(jì)及應(yīng)用的能力。

并聯(lián)可重構(gòu)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由并聯(lián)機(jī)器人本體機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)模塊、電氣控制系統(tǒng)、控制軟件和控制計(jì)算機(jī)等組成。驅(qū)動(dòng)模塊由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過絲杠螺母副機(jī)構(gòu)帶動(dòng)連桿運(yùn)動(dòng)，讓學(xué)生進(jìn)行并聯(lián)可重購(gòu)機(jī)器人三種并聯(lián)機(jī)器人結(jié)構(gòu)類型之間的轉(zhuǎn)變、運(yùn)動(dòng)規(guī)劃和編程系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)并聯(lián)機(jī)器人的認(rèn)識(shí)，掌握并聯(lián)機(jī)器人基礎(chǔ)知識(shí)，為創(chuàng)新設(shè)計(jì)制作并聯(lián)機(jī)器人打下基礎(chǔ)，使學(xué)生能夠模擬工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際運(yùn)行狀況。

可拆裝串聯(lián)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由可拆裝串聯(lián)機(jī)器人本體、實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、一體化控制柜組成?？刹鹧b串聯(lián)機(jī)器人本體包含六個(gè)模塊，安裝機(jī)器人關(guān)節(jié)，可分為模塊1～模塊6，模塊1～模塊6從1到6逐漸組合。讓學(xué)生進(jìn)行機(jī)器人拆裝實(shí)驗(yàn)，任意搭建模塊1～模塊6，實(shí)現(xiàn)1～6自由度機(jī)器人，掌握工業(yè)串聯(lián)機(jī)器人結(jié)構(gòu)組成，認(rèn)識(shí)諧波減速器、行星減速器，進(jìn)行多自由度搭建和控制實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生掌握控制每個(gè)模塊控制編程方法，了解伺服電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)。

仿生人形機(jī)器人組合模型，讓學(xué)生進(jìn)行機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計(jì)訓(xùn)練，拼裝人形機(jī)器人、機(jī)器狗、六足方形爬行機(jī)器人、圓形爬行機(jī)器人、四足方形爬行機(jī)器人、寬足印雙足機(jī)器人、窄足印雙足機(jī)器人、機(jī)械臂等。

圖1 可重構(gòu)并聯(lián)機(jī)器人

圖2 可拆裝串聯(lián)機(jī)器人

3.2 鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行開放性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和學(xué)科競(jìng)賽的教學(xué)模式

目前已建立機(jī)器人開放性實(shí)驗(yàn)室，對(duì)全校師生開放，通過科學(xué)管理和有效運(yùn)行開放性實(shí)驗(yàn)室，提高學(xué)生對(duì)“機(jī)器人技術(shù)”課程的興趣，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，提高學(xué)生研究能力，開展多學(xué)科研發(fā)促進(jìn)人才培養(yǎng)模式轉(zhuǎn)變，使得學(xué)生把設(shè)計(jì)與實(shí)踐結(jié)合起來(lái)，同時(shí)鼓勵(lì)學(xué)生通過開放性實(shí)驗(yàn)室資源去申報(bào)國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目、皖維科技孵化基金項(xiàng)目等，讓學(xué)生逐步具備科學(xué)研究的能力。

鼓勵(lì)學(xué)生積極參加國(guó)家舉辦的全國(guó)大學(xué)生機(jī)器人相關(guān)賽事，根據(jù)賽事主題，學(xué)生在教師指導(dǎo)下進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)和制作，設(shè)計(jì)出創(chuàng)新結(jié)構(gòu)，加工實(shí)物并進(jìn)行測(cè)試試驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生綜合性設(shè)計(jì)能力。對(duì)比賽獲獎(jiǎng)的學(xué)生可取得相應(yīng)創(chuàng)新學(xué)分，并在評(píng)獎(jiǎng)評(píng)優(yōu)同等條件下優(yōu)先考慮，激勵(lì)學(xué)生參加全國(guó)大學(xué)生學(xué)科和技能競(jìng)賽，提高了學(xué)生參加創(chuàng)新活動(dòng)的積極性。通過比賽提高了學(xué)生應(yīng)用能力，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)“機(jī)器人技術(shù)”的興趣。通過參與各類賽事，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)，增強(qiáng)學(xué)生應(yīng)用能力，將理論知識(shí)與實(shí)際設(shè)計(jì)相結(jié)合，解決問題和分析問題的能力進(jìn)一步增強(qiáng)。

通過該實(shí)踐教學(xué)模式的培養(yǎng)，學(xué)生取得較為豐富的成果，獲得包括全國(guó)大學(xué)機(jī)械創(chuàng)新大賽、全國(guó)大學(xué)生工程訓(xùn)練大賽在內(nèi)的各種競(jìng)賽獎(jiǎng)項(xiàng)20余項(xiàng)，獲批全國(guó)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目、皖維科技孵化等各類項(xiàng)目20余項(xiàng)，學(xué)生作為第一發(fā)明人授權(quán)國(guó)家專利10余項(xiàng)，參與授權(quán)國(guó)家專利100余項(xiàng)。指導(dǎo)教師積極指導(dǎo)學(xué)生對(duì)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)方案反復(fù)討論、不斷完善，當(dāng)設(shè)計(jì)方案確定以后，完成完整的設(shè)計(jì)方案圖紙，并進(jìn)一步進(jìn)行完善，然后申報(bào)專利，同時(shí)做出實(shí)物模型，并將成果以論文的形式進(jìn)行發(fā)表，讓學(xué)生切身體會(huì)到創(chuàng)新實(shí)踐的作用。

4 完善課程評(píng)價(jià)體系

課程成績(jī)由平時(shí)成績(jī)和期末考試卷面成績(jī)組成，改革課程考核方式，平時(shí)成績(jī)包括課堂考勤、課堂表現(xiàn)、課后作業(yè)、實(shí)驗(yàn)、創(chuàng)造發(fā)明成果等組成。通過理論教學(xué)改革，鼓勵(lì)學(xué)生課后搞研究發(fā)明，提高平時(shí)成績(jī)?cè)谡n程成績(jī)中所占比重，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到知識(shí)應(yīng)用的重要性，提高學(xué)生機(jī)器人理論知識(shí)應(yīng)用到實(shí)際中的能力。

教學(xué)過程中，對(duì)學(xué)生進(jìn)行問卷調(diào)查，根據(jù)學(xué)生反饋意見，及時(shí)進(jìn)行課程教學(xué)的調(diào)整，以學(xué)生為主體，從而達(dá)到學(xué)生積極去學(xué)習(xí)，形成良好的學(xué)習(xí)氛圍。

5 總結(jié)

在理論教學(xué)中提出將虛擬仿真技術(shù)、實(shí)物搭建模型、創(chuàng)新發(fā)明方法和互動(dòng)式教學(xué)引入課堂教學(xué)，以知識(shí)應(yīng)用為重點(diǎn)，概括講授一些冗余復(fù)雜內(nèi)容，重點(diǎn)講授“機(jī)器人技術(shù)”應(yīng)用知識(shí)。在實(shí)踐教學(xué)中提出充分利用現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備、鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行開放性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和學(xué)科競(jìng)賽的教學(xué)思路和方法。對(duì)課程實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整并進(jìn)行優(yōu)化整合，提高實(shí)踐教學(xué)在課程建設(shè)中的比例。以動(dòng)手實(shí)踐能力培養(yǎng)為目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)課程內(nèi)容，強(qiáng)調(diào)實(shí)際應(yīng)用，把課程理論教學(xué)與應(yīng)用實(shí)踐綜合起來(lái)，讓學(xué)生熟練掌握機(jī)器人理論知識(shí)和應(yīng)用，提高學(xué)生在機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、自動(dòng)控制等方面的能力。改革課程考核方式，完善課程評(píng)價(jià)體系，通過實(shí)施課程教學(xué)模式改革，學(xué)生對(duì)課程學(xué)習(xí)興趣顯著增強(qiáng)并能夠積極主動(dòng)學(xué)習(xí)，同時(shí)也取得了較為豐富的成果，由此進(jìn)一步激發(fā)了學(xué)生對(duì)機(jī)器人設(shè)計(jì)開發(fā)的熱情，提升了學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計(jì)和實(shí)踐制造的能力。