機器人創新項目教學法在數控技術課程中的應用

袁慶丹，劉　軍，安　軍

(佛山科學技術學院　機械與電氣工程學院，廣東　佛山　528000)

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機器人創新項目教學法在數控技術課程中的應用

袁慶丹，劉軍，安軍

(佛山科學技術學院機械與電氣工程學院，廣東佛山528000)

摘要：數控技術課程是機電專業一門重要的專業課程，傳統的教學方法無法培養具有工程素養和創新思維的技術人才。將機器人替換數控機床作為教學載體，引入創新項目教學法是一種積極的嘗試。實踐證明機器人創新項目教學法取得了良好的教學效果，也為機電專業卓越工程師人才的培養提供了思路。

關鍵詞：機器人；數控技術；項目教學法

近年來，數字控制技術已經廣泛應用于工業生產的各個領域,尤其是在機械制造業中,普通機械正逐漸被高效率、高精度、高自動化的數控設備所代替。企業對高層次應用型人才的需求明顯增加，統計顯示數控專業人才的缺口在六十萬左右,人才需求每年以30%的速度增長。

高校傳統的數控技術課程教學模式以課堂講授為主，輔以6-8課時的數控原理和加工編程實驗。但由于數控機床設備昂貴，且考慮實驗過程中學生的安全問題，因此實驗多以驗證性實驗為主，缺乏對學生進行工程實踐能力和創新意識的培養及訓練，因此教學效果始終不理想，難以培養一批能夠熟練掌握數控技術的高技能人才，滿足當地制造企業的實際需求。

機器人是一種具有感知、決策、執行能力的綜合智能系統，集成了機械、電子、傳感、控制等多種交叉學科知識[1]，它是數控技術課程進行創新實踐的理想載體。本文介紹以機器人創新項目為核心，對數控技術課程進行教學改革的應用實例，這對機電專業創新應用人才的培養有一定的指導意義，也是對2010年教育部啟動的“卓越工程師教育培養計劃”的一種響應。

一、將機器人作為課程教學載體

數控技術課程的教學內容主要有插補原理及控制算法、位置檢測裝置、伺服驅動裝置、機械本體的結構與傳動、數控加工編程等幾個部分，這些內容均能以機器人作為實踐對象進行理論教學。將機器人作為數控技術課程的教學載體主要有以下優點。

1. 有利于激發學習興趣及培養動手能力

數控機床一般體積龐大不便于攜帶，教師難以將其作為教具帶入課堂進行教學展示，只能通過圖片或視頻的形式進行介紹，或者通過數控機床仿真軟件，簡單模擬數控加工的切削過程，數控機床所應用的數控技術難以涉及。而數控機床又是一種對操作者素質要求較高的數控設備，為避免安全事故的發生，制定了嚴格的操作規程，因此即使是現場教學，學生與數控機床仍然會產生距離感，缺乏對數控技術的感性認識，學生的參與意識不強，教學效果較差。

機器人種類繁多、形態各異，將一些小型的機器人產品帶入課堂，學生通過觸摸、感知、裝配和拆卸，能很快拉近與數控技術的距離，增強求知欲和動手實踐的動力。

2. 教學內容可以做到無縫過渡

如前文所述，數控機床和機器人兩者所應用的數控技術內容上是基本相同的，比如插補原理在數控機床中主要用于工件或刀具的運動軌跡運算，在機器人中則多用于機械手等執行部件的運動軌跡運算，兩者基本沒有什么區別。數控機床上的檢測裝置主要有光電編碼器、光柵、激光測距傳感器等，這些傳感器也廣泛應用于機器人上。數控機床上使用的伺服驅動裝置，如步進電機、直流伺服電機、交流伺服電機等也是機器人主要的動力部件。數控裝置是數控系統的核心，機器人和數控機床的數控裝置在硬件架構上非常類似。日本的發那科(FANUC)公司是世界頂尖的數控機床操作系統、自動化生產線、數控裝置的制造商，20世紀70年代以來它又成為了世界工業機器人制造領域的龍頭。所以說數控技術課程的教學對象完全可由數控機床無縫過渡到機器人。

3. 可借鑒國外先進的教學經驗

美國一些知名大學從20世紀末就開始將機器人作為學習平臺，并逐漸應用于大學的多門課程中。如俄勒岡州立大學，分別在電子設計、數字邏輯設計、信號與系統、機械設計課程中使用 TekBots 機器人作為學習平臺并對課程進行整合，把課堂上學習的理論應用到機器人中，加深學生對理論的理解。美國麻省理工大學、賓夕法尼亞大學等在機械工程、電氣工程、航空航天等專業使用了機器人教學平臺，用以提升專業課程的教學效果[2]。

二、以創新為目的的項目教學

項目教學法是通過實施一個完整的項目而進行的教學活動,目的是在課堂教學中把理論與實踐教學有機地結合起來,充分發掘學生的創新潛能,提高學生解決實際問題的綜合能力。本文此處論述以機器人項目為紐帶，串聯數控技術課程的教學內容，從而培養學生創新能力的具體措施。項目教學法可分為項目確定、項目實施和項目評價三個階段。

1. 項目確定階段

佛山是廣東乃至全國首屈一指的制造業基地，其制造業生產總值接近2萬億，全國排名第五，其中家電、陶瓷、汽車制造、有色金屬等行業擁有眾多全國知名品牌。機器人創新項目的確定充分考慮地方產業特色，將企業與高校的資源進行整合，一方面高校可依托企業的設備和人力資源，另一方面企業也迫切需要高校的創新團隊促進其技術革新[3]。項目的確定在數控技術課程的前期進行，由授課教師帶領學生進入當地知名制造企業進行參觀，與聘請的企業導師進行座談，使學生對企業的機器人應用情況深入了解，充分明晰項目需求。結合課程的理論教學內容和校企協同的資源優勢，我校的機器人創新項目主要集中在以下幾個方面：

表1　機器人創新項目表

授課教師和企業導師在這個階段要幫助和指導學生分析選題，全方面考慮可能出現的技術難點，制訂項目實施的多套方案，細化方案的各個環節。以討論課的形式組織學生對方案的可行性進行論證，由授課教師和企業導師一起對項目的創新性做出評估[4]。對于學生提出較好的創新項目積極引導和重點培育，鼓勵參加全國大學生的課外科技競賽。

2. 項目實施階段

李克強總理在2014年夏季達沃斯論壇提出了“萬眾創新為中國經濟版發力”的理念[5]，但如何實施創新項目是擺在教育工作者和企業管理者面前的難題，本校在機器人創新項目的實施過程中主要把握了以下三點：

(1)實踐是創新的基礎

脫離實踐而空談創新，無異于無水之源、無本之木。以兩軸自動噴涂機器人這個項目為例，該機器人是一種可根據上位機設定的軌跡要求進行自動噴涂的數控設備，可實現對鋁型材、五金件、板式家具等的自動噴漆，通過該項目要求學生掌握數控插補原理。在完成具體創新目標之前，通過實踐來實現這種機器人的基本功能是關鍵一步。

授課教師可在課堂上有針對性地講授幾種經典的插補算法和步進電機驅動的相關知識，要求學生利用設備組件搭建噴涂機器人平臺，編寫上位機和下位機程序，實現對噴嘴的軌跡控制。在這個階段，教師不急于要求學生實現創新點，而是要讓學生在實踐中吃透基本理論，增強動手能力。教師可以引導學生逐漸去發現存在的問題和不足，并記錄下來為下一步的創新工作提供思路，切忌直接給出答案。創新是一種厚積薄發，是需要在實踐中去領悟的。

(2)團隊是創新的保證

為保證機器人創新項目在數控技術的成功應用，需要組建相應的教師團隊和學生團隊。教師團隊由授課教師、實驗教師和企業導師組成。實驗教師負責實驗室開放、實驗設備管理和實驗技能評價等工作。企業導師來自于相關企業的一線資深工程師，將全程參與項目從確定、實施到評價的各個環節，企業導師豐富的工作經驗會給學生帶來全新的學習體驗，引入企業導師參與數控技術教學工作本身也是一種創新。學生團隊由學生根據項目任務自主組建，團隊責任人負責將任務分解、細化，把握項目進度。學生團隊定期召開項目討論會，對前期團隊成員的所學所做以及項目進展做出匯報，制訂下一個周期的目標任務，不同團隊之間互相溝通交流，形成良好的學習氛圍。授課教師和指導教師輪流參與學生團隊的項目討論會，對于學生遇到的問題要給予必要的引導，引導的特點是指明方向而不包辦代替，使學生持有一個自由開放的心態，充分發揮主體作用，自我管理，不斷地發現問題、分析問題、解決問題，善于利用各種資源完成實踐過程[4]。

(3)合理目標是創新的動力

在項目實施過程中，合理目標的制訂尤為關鍵。對于數控技術課程的創新實踐而言，短期目標是最務實的目標，短期目標一般劃分為功利性目標與發展性目標[6]。以搬運碼垛機器人項目為例，該項目采用中科歐鵬公司的教育機器人，學生需運用數控技術實現機器人巡航以及機械手的動作控制，其中使用紅外傳感器和光電編碼器的信號作為反饋，對電機進行伺服控制。在實現基本功能以后，部分學生團隊提出了采用機器視覺伺服的創新目標，該目標的創新性很強，但實現的難度較大，由于涉及了機器學習和非線性控制等數控理論，學生感到無所適從，項目進展緩慢。教師應引導學生將目標細化分類，將全局視覺導航作為功利性目標，實現此目標即可通過考核，并鼓勵學生參加大學生科技競賽或申報專利，而將難度較大的機械手視覺伺服作為發展性目標，鼓勵學生將其作為研究課題在畢業設計或企業研發中進一步研究。實踐證明：學生在獲得階段性成果后，有了強烈的成就感，創新動力明顯增強，項目進展比較順利

4. 項目評價階段

與傳統的教學模式相比，項目教學模式更注重過程。在對學員進行過程性評價時，主要應考查學員在完成整個項目過程獲取知識能力、動手能力、團隊協作能力、交流表達能力、分析問題與解決問題能力、創新能力等[7]。數控技術課程的評價主體由授課教師、實驗教師和企業導師共同承擔，采用的創新項目教學的評價體系如表2所示，一方面學生之間的技術交流可以隨時得到教師的指導，另一方面教師對學生可以實施有效的監督和考核，避免以往僅憑書面報告的工整程度和最終結果進行考核評分。

表2　創新項目教學的評價體系

三、教學效果

機器人創新項目教學法在數控技術課程中的應用從2013年9月開始實施，經過2年多的不斷嘗試和摸索，取得了不錯的教學效果，主要體現在以下三個方面。

1. 學生的學習興趣和自信心明顯增強

通過學生座談會和問卷調查的形式反饋教學效果，結果表明79 %學生對數控技術的理解更為深入，激發了較強烈的學習興趣并愿意從事相關職業。65%的學生理解了創新的含義，并表示通過機器人創新項目的訓練，使自身具備了創新的勇氣和一定的創新思維。

2. 學生的表達能力和團隊意識顯著提高

累計超過9成的學生作為項目討論會的主講人完成了15分鐘的講演，展示了近期資料查詢或學習的核心內容，以及項目的最新進度。多數學生表示逐漸敢于在公眾場合表達自己的想法，并學會了聆聽團隊成員的設計思路，通過溝通達成共識，具備了較強的團隊榮譽感。

3. 學生課外競賽成績突出

將學生在本課程創新項目的作品進行篩選和修改，可直接參加大學生課外科技競賽。近兩年我系學生在全國機械創新設計大賽、中國教育機器人大賽、“北斗杯”全國青少年科技創新大賽等比賽中共獲得全國一等獎7項，二等獎3項，共獲批“廣東省大學生創新創業計劃項目”4項，學生參與申報專利7項，軟件著作權2項。

四、結束語

數控技術課程是機電專業一門重要的專業課程，采用傳統的教學方法教學效果始終不理想，將機器人作為教學對象，采用創新項目教學法是一種積極的嘗試，實踐證明取得了較好的教學效果，也順應了我校近年倡導的“以學生為主體，以教師為主導，以實驗項目教學為主線，以培養卓越工程師為目標”的工程教育體系。機器人創新項目教學法在數控技術課程中的應用經驗也將為機電專業實踐教學改革提供一種思路。

(責任編輯：徐建平)

參考文獻：

[1]許林. 機器人課程在智能專業本科教學中的探索[J]. 計算機教育, 2012(18): 78-81.

[2]王益，張劍平. 美國機器人教育的特點及其啟示[J].現代教育技術，2007，17(11):108-112.

[3]袁慶丹，劉軍，唐東煒. 測試技術實驗教學的特色創新實踐[J]. 實驗室科學,2013,16(1):89-91.

[4]衷克定，劉海歐. 基于“主導—主體”教學模式的機器人教學研究[J]. 中國電化教育，2008(11)：84-88.

[5]中國新聞網. 李克強倡導“萬眾創新”為中國經濟版發力[EB/OL].北京：中新社，2014. http://www.chinanews.com,2014.

[6]王興波，麥偉強.創新行為的特質分析暨工科大學生創新活動引導方式的思考[J]. 科技導刊，2012(6):240-242.

[7]齊曉慧，李永科，甄紅濤. 項目教學模式在科技創新活動中的應用實踐[J]. 實驗科學與技術,2013(6):134-137.

Application of Robot’s Creative Project Teaching Method in Numeric Technology Course

YUAN Qing-Dan, LIU Jun , AN Jun

(School of Mechanical and Electrical Engineering, Foshan University,Foshan 528000, China)

Abstract：Numeric technology course is an important professional course in mechanical and electrical specialty. However, traditional teaching methods can not cultivate technical talents with professional attainment and creative thinking. It is a positive attempt of introducing creative project teaching method , in which robots assist teaching as educational carrier, instead of numerical control machine. Experience proves that good teaching effect has achieved using robot’s creative project teaching method，which provide an idea on how to cultivate outstanding engineering talents of mechanical and electrical specialty.

Key Words：robot;numeric technology;project teaching method

基金項目：廣東省高等教育教學改革工程項目(g411907)；廣東省質量工程建設項目“‘材料力學’精品資源共享課”。

收稿日期：2015-10-13修稿日期：2015-11-09

作者簡介：袁慶丹(1978-)，男，湖北黃梅人，碩士，講師，研究方向為智能傳感器與精密測量技術。

中圖分類號：G642.4

文獻標識碼：A

文章編號：1671-9719(2016)1-0051-03