機械電子工程專業(yè)本科教學改革的創(chuàng)新與實踐

王琨 陳海衛(wèi) 蔣毅 寧萌 周德強 左文娟 張秋菊

[摘 要]機器人是集機械、電子、控制、傳感、人工智能等多學科先進技術于一體的現(xiàn)代化機械電子裝備，是多學科交叉的產(chǎn)物，對機械電子工程專業(yè)人員具有良好的學習價值。該文主旨在于為了進一步提升機械電子工程學生的核心競爭力，對機器人學科提出了新的教學改革方法，目標是培養(yǎng)出具有交叉復合型研究能力和創(chuàng)新能力的智能制造與機器人領域的拔尖創(chuàng)新人才。

[關鍵詞]機械電子;研究能力;創(chuàng)新能力

[基金項目]2017年度江南大學本科教育教學改革研究項目“強化機電產(chǎn)品創(chuàng)新設計能力的核心課程群建設”（JG2017093）;2017年度江南大學本科教育教學改革研究項目教師卓越工程項目“基于虛擬仿真平臺的單片機課程教學改革與實踐”（JG2017143）

[作者簡介]王 琨（1986—），女，湖北黃岡人，博士，江南大學機械工程學院副教授，主要從事仿生機器人研究（通信作者）;寧 萌（1985—），男，山東濟南人，博士，江南大學機械工程學院副教授，主要從事康復機器人研究。

[中圖分類號] G642.0[文獻標識碼] A[文章編號] 1674-9324（2020）28-0179-02[收稿日期] 2019-11-05

機械電子工程專業(yè)是在機械制造、電子工程和計算機科學等學科的基礎上發(fā)展起來的，是科技高速發(fā)展以及學科相互鏈接的產(chǎn)物，在工程科學中屬于典型的跨學科專業(yè)[1-2]。機器人作為典型的機械電子工程產(chǎn)品，正是多學科交叉的產(chǎn)物，其機構設計、電氣控制、計算機算法和控制等方面的技術對每一位機械電子工程專業(yè)人員都具有示范性的學習價值[3]。因此，越來越多的高等學校機械電子工程學科，面向本科生開設機器人學、機器人控制相關課程，旨在通過機器人創(chuàng)新教育模式以及理論與實踐結合的課程體系培養(yǎng)出具有交叉復合型研究能力和創(chuàng)新能力的智能制造與機器人領域的拔尖創(chuàng)新人才。

一、課程定位

機械電子工程專業(yè)學生在以往學習機械、電子和計算機專業(yè)方面的課程時，由于這些課程具有明顯的學科化傾向，不利于對它們進行系統(tǒng)化融合的思考[4]。在機器人技術基礎課程中，學生將學習工業(yè)機器人的機理和組成，掌握“機械電子”中“機械、電控、算法”等知識內(nèi)容，以及將其加以有機融合的方法。該課程綜合了機械電子專業(yè)多門課程的相關知識，是理論、技能培養(yǎng)兩者并重并有效結合的一門技術性課程。

課程要求學生掌握機器人的機構、位姿描述和齊次變換、操作臂運動學、操作臂動力學、軌跡規(guī)劃、操作臂控制、機器人語言和離線編程等內(nèi)容。使學生在學完課程后，能靈活運用機器人的基礎理論并能對相應的機器人機構進行分析和計算，要求學生會用高級語言實現(xiàn)這些課程中的理論算法。學生通過該門課程的學習可以在畢業(yè)設計階段、業(yè)余時間或工作后，利用課堂知識結合自己以前所學的各科知識，對多軸（四軸及以上）機器人進行幾何學、運動學、動力學建模以及軌跡規(guī)劃編程，結合機械設計知識完成一般復雜程度的工業(yè)機器人設計。

二、注重實踐的教學改革方法

為了打造江南大學君遠學院卓越工程師，學校在開展理論授課之后，又開設了為期兩周的工業(yè)機器人實踐課程，以鞏固學生所學的理論知識和基本概念。讓學生通過工業(yè)機器人實訓平臺，掌握國內(nèi)外典型工業(yè)機器人的操作方法，進而熟練掌握機器人應用技術，為后續(xù)開展機器人研發(fā)及相關工作奠定基礎，為“中國智能制造2025”積累技術人才。

工業(yè)機器人實訓平臺由六套主流品牌的機器人系統(tǒng)（包含歐系ABB和KUKA，日系FANUC和YASKAWA，國產(chǎn)STEP和EFORT，如圖1所示）和輸送系統(tǒng)組成，既可以將六套主流品牌的機器人系統(tǒng)作為獨立單元進行教學實訓，也可以將六套機器人與輸送系統(tǒng)配合起來進行輸送線教學實訓，從而將各臺機器人系統(tǒng)充分應用于實踐教學。

在實訓過程中，首先針對工業(yè)機器人的特點，結合學生已經(jīng)學習過的機器人理論知識，介紹工業(yè)機器人實訓平臺的組成（包括機械結構、電氣結構、傳感器、氣動等部分，如圖2所示），以及各工業(yè)機器人的特點和使用方法。告知學生實訓的評分標準和驗收準則，著重強調(diào)實訓過程中的安全操作、安全規(guī)程。其次，向學生介紹機器人的簡單操作流程和機器人的注意事項，讓學生通過閱讀教學PPT以及觀看教學視頻完成操作任務。在學生學會了每臺機器人的應用后，結合六臺機器人和輸送帶互相配合完成系統(tǒng)串聯(lián)應用。最后，讓學生根據(jù)自己的實訓經(jīng)歷提出改進措施（包括機器人結構組成、自動運行程序和手動運行程序的編制、基本操作、控制系統(tǒng)、應用及維護等內(nèi)容），并提交完整的報告。

三、結語

機器人是集機械、電子、控制、傳感、人工智能等多學科先進技術于一體的現(xiàn)代化機械電子裝備，經(jīng)過六十多年發(fā)展，已經(jīng)廣泛應用于工業(yè)、軍事等領域[5]。近年來，中國已成為世界上工業(yè)機器人裝機數(shù)量最多的國家。因此，結合當前科學技術的發(fā)展現(xiàn)狀和行業(yè)發(fā)展的趨勢，開發(fā)先進的教學系統(tǒng)，為教育事業(yè)提供最優(yōu)的教學環(huán)境是高校教學改革的目標;提供最新的知識體系和最先進的教學方法，實現(xiàn)教學系統(tǒng)的科學性、先進性、實用性，是機械電子專業(yè)教師的首要任務。

參考文獻

[1]寧萌，薛必倫，張秋菊，等.機電產(chǎn)品設計課程教學改革的探討[J].教育教學論壇，2019，（04）：116-117.

[2]徐丹麗.工科專業(yè)中線上線下一體化在線課程設計的思考—以機械電子工程專業(yè)在線改造為例[J].科技創(chuàng)新導報，2017，14（33）：211+213.

[3]工信部裝備工業(yè)司.《中國制造2025》推動機器人發(fā)展[J].機器人技術與應用，2015，（03）：31-33.

[4]劉娣，許有熊，朱松青.應用型本科院校機器人課程教學探索[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2015，（21）：84-86.

[5]賀利樂，鄭建校.以機器人教學和實驗平臺為載體培養(yǎng)大學生實踐創(chuàng)新能力[J].裝備制造技術，2014，（09）：286-288.

Innovation and Practice of Undergraduate Teaching Reform of Mechanical

and Electronic Engineering Major

WANG Kuna，b， CHEN Hai-weia，b， JIANG Yia，b， NING Menga，b，

ZHOU De-qianga，b， ZUO Wen-juana，b， ZHANG Qiu-jua，b

（a. School of Mechanical Engineering， Jiangnan University， Wuxi， Jiangsu 214122， China; b. Jiangsu Key Laboratory of Advanced Food Manufacturing Equipment & Technology， Jiangnan University， Wuxi， Jiangsu 214122， China）

Abstract： The robot is a modern mechanical and electronic equipment integrating mechanical， electronic， control， sensing， artificial intelligence and other multidisciplinary advanced technologies. It is a product of multidisciplinary intersection and has good learning value for mechanical and electronic engineering professionals. The main purpose of this article is to further promote the core competitiveness of mechanical and electronic engineering students， and propose a new teaching reform method for the discipline of robotics. The goal is to cultivate top-notch innovative talents in the field of intelligent manufacturing and robots with cross-compound research and innovation capabilities.

Key words： mechatronics; research ability; innovation ability