《工業機器人技術》課程教學改革探索

摘 要：根據《工業機器人技術》涉獵內容廣、綜合性強等特點，對該門課的教學現狀進行分析，闡述了重組教材內容，優化教學模式，實現理論與實踐相結合的改革內容，為探索應用型人才的培養提供參考。

關鍵詞：工業機器人；教學改革；應用型本科

近年來，由于現代技術的發展和產業結構的調整，勞動力市場對技術型人才的需求不斷旺盛，《工業機器人技術》是機械類及相關專業的專業方向課程。該課程實踐性強，與生產實際聯系十分緊密，知識覆蓋面較廣，綜合了機械原理、機械設計、電子電路技術、自動控制原理、傳感器技術、線性代數等多方面的知識，是機械、電子、自動化的結合。

由于《工業機器人技術》的課程既具有很強的理論性，又有很高的實踐要求，這使其在大學教育中的推廣過程遇到許多困難。對于應用型本科院校而言，如何去拿捏理論與實踐的比例，如何讓學生提起興趣的同時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題。

1 改革的背景及存在的問題

目前我院的《工業機器人技術》課程被安排在第7學期開課，理論學時32，實踐學時16，選用的教材是劉極峰主編的《機器人技術基礎》第二版[ 1 ]。

在教學過程當中，主要存在的問題如下：

1.1 涉及內容廣而雜

《工業機器人技術》課程包含的章節涵蓋了：機器人的機械本體、關節機構的設計；機器人的運動學方程；機器人的動力學方程；末端執行器的軌跡規劃方法；各種傳感器的應用；以及以上內容的綜合控制方法等。這些內容本身都屬于不同的課程，學生要理解首先要有一定的基礎，或者要另外花時間復習。此外，這些零散的知識點在教學過程當中容易讓學生感到混亂，難以對課程內容產生整體的認識。

1.2 概念抽象

機器人的學習離不開D-H空間坐標系的建立，就算有工業機器人的圖片、視頻，只能讓學生看到實體的部分，虛擬的坐標系難以直觀地展現。

此外，抽象的概念，如工作空間、關節空間、雅可比矩陣等，在講授的過程中，大部分學生都無法理解。

1.3 公式復雜

想要實際地設計和控制一臺真正的機器人，學生要掌握的知識點非常多，如：齊次坐標的變換、D-H坐標系的建立、運動學方程的推導、雅可比矩陣的分析、甚至是動力學方程的推導和使用等。這些內容都是這門課的重點和精髓，然而枯燥的數學推導，以及復雜的空間關系，容易讓學生失去學習的興趣。

1.4 實踐條件缺乏

由于機器人現狀主要用于工業生產，造價不菲，而教學相關的實驗設備開發有待完善，使得該門課程的實踐環節很難展開。在沒有實際操作機會的情況下，僅僅通過上機模擬很難達到預想的成效，也無法充分調檔學生的積極性。

2 改革的基本舉措

我校機電學院開設《工業機器人技術》課程，目的是為了培養機電一體化的應用型人才，更加適應企業的實際需求。結合這一目標，教師可以從以下幾個方面，對課程教學進行改進和完善[ 3 ]。

2.1 重組教材內容，建立貫穿各部分內容的課程主線

針對課程內容零散獨立的問題，為了讓學生有整體的認識，可以先從機械專業學生比較熟悉的機械結構入手，通過講解機器人三大組成部分（機械部分、傳感部分、控制部分）的關系，進入控制系統和環境感知技術的學習，再以典型的機器人（如PUMA機器人）為主線，對運動學、動力學、軌跡規劃進行由淺及深的講解，特別在學習之前先要有一個明確的框架，說明這些方程各自起的作用，先提出問題，再帶著疑問進行剖析，整個教學過程才能連貫。

2.2 優化教學模式，激發學生的自我思考，提高學習能力

《工業機器人技術》是一門實踐性非常強的課程，在教學活動中，必須注重課堂互動。每次涉及新的知識點，拒絕一味的填鴨式教學，改而提出問題并引起學生興趣，鼓勵學生進行課后資料文獻的搜集，讓學生自己去思考并尋找答案，最后通過現場演講的方式與其他同學進行交流探討。

此外，還可以采用大作業的形式，鼓勵并指導學生自己設計一套完整的機器人系統，讓學生帶著問題上課，充分調動學生的積極性。

2.3 權衡教學內容，因材施教

針對理論部分太難的問題，秉著培養應用型人才的宗旨，教師可以因材施教，對于深澀難懂的公式推導部分，進行概括性的介紹，而對于概念抽象的部分，可以結合虛擬樣機仿真等軟件，網上的教學視頻，以及多媒體課件的方式，進行多角度全方位的剖析。在條件允許的情況下，利用實物進行教學，也可以大大提高效果。

此外，還應該在教學過程中，適當引入相關知識的前沿資訊、最新的科技發展成果，通過豐富的實例，在拓展視野的同時，也助于提高學生的領悟能力。

2.4 改善實驗教學

結合實驗室現有的設備條件，機器人的演示可以利用柔性制造系統的教學模型，以及實驗室現有的小型工業機器人。機器人的運動控制可以利用MATLAB的robotics toolbox實現[ 2 ]。此外，還可以利用ADAMS軟件強大的仿真模塊，在Simulink中實現對虛擬樣機的控制操作。

3 結語

《工業機器人技術》這門課不僅對于學生難，對于授課教師更難。該課程教學的內容必須緊貼潮流，與時俱進，絕不能受限于教材。這對于教師來說，意味著必須時刻關注機器人領域的最新動態，在平時的工作中積累素材，搜集文獻，整理材料。只有發自內心的覺得有趣，這些事情才會變得自然而然。教學改革是一個長期的過程，在不斷的實踐當中，相信這些措施還會有不斷的改進和完善。

參考文獻：

[1] 劉極峰.機器人技術基礎[M].高等教育出版社

[2] 謝斌.基于MATLAB Robotics Toolbox的機器人學仿真實驗教學[J].計算機教育，2010，19：140-143.

[3] 黃用華.理工科高校《工業機器人》課程教學改革淺析[J].科技信息，2012，21：20.

基金項目：2015年廣東省高等教育“創新強校”工程項目《強化工程教育，促進實踐教學模式改革》（S-CQ201502）

作者簡介：于楚泓（1989-），女，江蘇人，碩士，助教，研究方向：機器人，智能控制。