機器人工程專業機械原理課程教學思考

摘? 要 隨著機器人技術的發展，機器人已被廣泛應用到生產生活中。為了迎合社會發展對機器人技術人才的急迫需要，近年來許多高校相繼開展機器人工程專業的建設和招生培養工作。因此，針對機器人工程專業的特點和人才技能要求，分析機器人工程專業機械原理課程的教學內容、教學方法等問題，具有非常重要的現實意義。

關鍵詞 機器人工程專業;機械原理;教學內容;教學方法

中圖分類號：G642.3? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2019）22-0105-03

Discussion on Teaching Methods of Robot Technology Course//LIU Shanzeng

Abstract With the development and application of robot technology，various kinds of robots are widely used in the national economy and social life. In order to meet the urgent needs of robot technicians forsocial development， many colleges and universities have carried out the construction of robot engineering major and student training in recent years. Therefore， it is of great practical significance to analyze the teaching contents and teaching methods of the mechanical prin-ciple course of the robot engineering major based on the characteris-tics of the robot engineering major and the technical requirements of the robot technicians.

Key words robot engineering major; mechanical principles; teaching content; teaching method

1 前言

機器人技術是一個正在蓬勃發展的重要學術研究領域，也是一項被世界廣泛關注的應用科學技術。機器人技術的研究和應用涉及機構學、機械動力學、傳感信息技術、控制理論、計算機、人工智能、仿生學等廣泛的學科領域[1]。隨著各種類型或功能的機器人在世界范圍內的廣泛應用，社會各行業對機器人技術人才急迫需求的問題亟待解決[2]。基于前述原因，國內外許多高校相繼開展了新工科機器人工程專業的建設和招生培養工作，以及機器人工程專業相關課程的設計和規劃工作。其中，機械原理課程是機械工程機器人工程專業的一門專業主干課程，是機器人技術專業后續專業課程學習的必修課程和極其重要的學科基礎課。因此，針對機器人工程專業的特點，開展機械原理課程的教學內容和教學方法的研究，具有重要的現實意義[3-4]。

2 教學內容分析

機械原理課程作為國家一級學科機械工程中機械設計及理論專業、機械設計制造及其自動化專業、機械電子工程專業等專業的一門專業主干課程，目前一般為60課時左右（包括課堂授課課時和實驗課課時），主要教學內容為機械系統中機構的構成、機構的可動性分析、機構的運動分析、機構的力分析、機構的機械效率、平面連桿機構的設計方法、凸輪機構的設計方法、齒輪機構的設計方法、齒輪系的設計方法、其他常用機構簡介，以及機械的平衡、機械的運轉及其速度波動調節、機械系統的方案設計等。

機器人作為一種新型的機械裝置或設備，其機械結構、單元組成以及運動分析、力分析等的基本原理和方法與其他機械系統沒有本質區別。同時，機器人作為一種特殊的自動化或智能化機械設備，其機械結構形式、零部件組成、運動分析手段、力分析方法等又顯著區別于一般機械系統。如在機器人工程專業課或機器人系統設計以及畢業設計中會廣泛地用到矩陣運算、微分方程分析、三角函數求解、達朗貝爾原理、拉格朗日方程、牛頓—歐拉動力學等理論知識，或解析法分析空間運動機器人機構的位移、速度、加速度和力分析等問題[5]，而一般在其他機械工程專業的機械原理課程中的前述教學內容往往較少。因此，為了達到更好的教學效果，也更好地服務于如機器人動力學與控制課程、機器人系統設計課程等后續機器人專業課程的學習，有必要對機器人工程專業機械原理課程的教學內容和教學方法進行適當調整。

3 教學措施

從目前高校機器人工程專業機械原理課程的課時設計來看，其總課時（一般為50課時以內，包括課堂授課課時和實驗課課時）較機械設計及理論、機械電子工程等專業機械原理課程的課時少。因此，根據《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010—2020年）》《國家中長期人才發展規劃綱要（2010—2020）年》、“卓越工程師教育培養計劃”和《中國制造2025》實現制造強國戰略目標的主旨精神，契合國家培養創新能力強、適應未來智能技術發展的工程技術人才的現實需要，提出機器人工程專業機械原理課程的教學措施。

刪減陳舊知識? 機械原理課程是國家一級學科機械工程專業的主干課程，有著悠久的歷史沿襲，也是一門偏理論性的課程。所以，在諸多《機械原理》教材或授課內容安排上往往會存在一些較為陳舊的內容，或現實機械分析與設計中早已舍棄的方法，如凸輪機構圖解法設計、機構運動或動力分析的圖解法求解等。還有平面連桿機構運動分析的瞬心法、平面機構的高副低代等內容，這些內容對于機器人工程專業的學習來講用處不大，所以沒有必要占用太多寶貴的課時時間，在課程教學時可以舍棄或簡要介紹或安排學生自學即可。

壓縮煩冗章節? 機器人工程專業學生的學習目標或工作的主要對象是機器人，顯然，在進機械原理課程教學內容設計時要充分把握這條主線。由于機器人工程專業是近年剛開設的新工科專業，存在《機械原理》教材或教學內容沿用其他相近專業的情況，且機器人工程專業機械原理課程的課時又有所壓縮，因此，在機器人系統分析、設計等學習、工作中用得到的重要機械原理知識或方法要多講，反之就應少講或略講。如凸輪機構、平面四桿機構的作圖設計、蝸輪蝸桿傳動、機械的運轉及其速度波動的調節等章節內容，都應該進行適當壓縮或簡化授課。

增添機器人基礎知識? 機器人是人類進入20世紀以來具有代表性的多學科交叉的邊緣科學，它包括了機械、電、氣、液、光學科，以及控制理論、圖像識別、人工智能等廣泛的領域。就機器人系統機械本體的分析和設計來講，機器人專業的一些后續課程如機器人技術、機器人機械設計、機器人動力學分析與控制等，都需要用到高等數學、微分方程、數值分析及現代數學知識、理論力學、分析力學、矩陣理論等知識，進行機器人機構的工作空間、位移、速度、加速度、運動精度、機構剛度、運動性能、動態特性、驅動力/力矩、運動副反力等的分析研究[6]。為了便于后續課程的銜接和學生由淺入深地學習，在機械原理課程中適當增添相關前述知識的應用分析不失為一種良好途徑。如空間機構自由度的計算、并聯機構、柔順機構、可重構/變胞機構、柔性機構、欠驅動/冗余機構等，都可以在機械原理課程中引入;平面機構運動分析的解析法、凸輪輪廓的解析設計法、機械系統的動力學方程的建立及求解等內容，都可做適當增加講授，以初步引導學生運用數學手段解決機構學問題。也可以直接在機械原理課程中引入一些機器人基礎知識，為學生后續課程的學習奠定良好基礎。

引入機器人實例? 隨著科學技術的進步，機器人技術也日臻成熟，機器人在工業制造、資源開發、環境監測、救災排險、醫療服務、家庭娛樂、軍事國防和航天航空等領域都得到廣泛應用，這些實例機器人為機械原理課程的教學提供了廣闊的新素材。授課教師可以根據課堂授課的具體內容，選擇能激發學生學習主動性和興趣的機器人實例（包括機器人錄像、三維模型和圖片等）進行課堂內容的實例分析，通過理論知識與機器人實例相結合的方式激發學生學習積極性，提高教學質量。例如：在講授機構自由度計算時，可以引入焊接機器人以及人體手、臂、腿、腰等自由度的計算;在講授機械系統動力學方程的建立及求解時，可以通過分析平面二自由度繪畫/寫字機器人進行教學內容的闡述分析。

強化實驗與現場教學? 機械原理的主要內容皆是機構學的研究范疇，具有很強的實際工程應用背景。機械原理課程則是一門實踐性很強的學科，課程中的很多內容也均來自工程實際或工程經驗的總結，如平面連桿中的曲柄搖桿機構、雙搖桿機構、曲柄滑塊機構、導桿機構等，在雷達俯仰的調整裝置、縫紉機的驅動裝置、汽車前輪的轉向機構、汽車發動機或內燃機、牛頭刨機床等機械設備中存在大量應用。因此，在進行機械原理相關章節授課時，可以充分利用實驗模型、實驗道具或實際工程機械操作等，通過邊演示邊分析邊操作的方式開展教學，以激發學生的求知欲以及實操能力，提升教學效率。而且，有條件的高等院校也可與相關企業開展教學聯合基地建設，在教學過程中或假期期間進行實際機械設備的現場教學或機械操作能力的培養，以達到理論知識與實踐經驗的雙提升。

采用啟發式教學? 啟發式教學是一種創設問題情境、啟發學生思維，培養學生學習能力的教學方法。從大量教學經驗來看，啟發式教學是一種比較適合于機械原理課程的授課方法。如通過給出腳踏縫紉機為什么會卡死、搖頭風扇如何實現的搖頭、雨傘如何實現的收放等問題，講授平面四桿機構及其特性，啟發學生思考談論，再通過引導、分析、解答等較好地促使學生主動思考，并獲取新知識。如前述結合日常生活中的機械小問題，進行相關機械原理知識的教學，對學生來說也容易理解和接受，可以極大地提升學生學習的主觀能動性，從而達到良好的教學效果。

而且，機械原理課程中的很多知識點看似孤立，其實其中很多基本原理是相通的、一致的，存在必然聯系。比如壓力角的內容，在連桿機構、凸輪機構、齒輪機構等的教學內容中都有涉及，盡管機構迥異，但判別各機構傳力性能好壞的標準是一樣的，分析或求解各機構壓力角的原理方法也是一樣的。在進行凸輪機構教學時，教師根據學生已有知識或實踐經驗（如已學連桿機構壓力角的知識），提出問題（如：平底凸輪機構和滾子凸輪機構哪種機構的傳動平穩性好），通過學生回答或討論的方式，促使學生積極思考、獲取新知識。總之，啟發式教學能夠使機械原理課堂呈現出濃厚的探討氛圍，易于建立師生之間的互動聯系，可以達到良好的教學效果。

4 結語

針對機器人工程專業的特點，進行機器人工程專業機械原理課程教學內容和教學方法等問題的分析，提出一些具體教學措施，以促進國內機器人工程專業機械原理課程教學效果的改善和課程教改的深入研究。

參考文獻

[1]劉善增.少自由度并聯機器人機構動力學[M].北京：科學出版社，2015.

[2]王玉玨.我國高校工科機器人教育發展現狀及對策研究[D].蘭州：蘭州大學，2013.

[3]劉善增，李艾民，馮世哲，等.增強機械類基礎課程教學效果方法探討[J].中國教育技術裝備，2017（4）：83-85.

[4]劉善增，馮世哲，付順玲，等.機械類基礎課程師生共進式有效教學策略分析[J].中國教育技術裝備，2017（20）：100-102.

[5]克拉格.機器人學導輪[M].北京：機械工業出版社，2005.

[6]馬克，哈欽森，維德雅瑟格，等.機器人建模和控制[M].賈振中，徐靜，付成龍，等，譯，北京：機械工業出版社，2016.