以學生為主體的機器人實踐教學設計

陸 群 輔小榮 徐順清 王前進

（鹽城工學院電氣工程學院，江蘇 鹽城 224051）

0 引言

機器人技術是先進制造技術的代表，其在汽車與機械設備制造、電子器件、集成電路、塑料加工等生產線中均有廣泛的應用。 隨著世界各國相繼頒布以“智能制造”為主題的發展戰略，我國也提出了“智能制造2025”， 旨在應對第四次工業革命下全球產業競爭的新局面與搶占未來產業競爭的制高點。 由此不難斷言，在未來的幾年、十幾年甚至幾十年里，機器人的需求與應用會越來越普及，企業對掌握機器人技術的人才需求也會越來越旺盛。為了適應企業對機器人相關技術能力的要求，許多高等學校都開設了機器人技術相關實踐課程[1-2]。

機器人學科屬于一門交叉性學科，其所涉及領域繁多，主要包括機械設計、信息處理、計算機編程、控制科學、人工智能等。 由于高等學校各二級學院課程體系的限制， 學生所學課程不能覆蓋所有這些領域。這無疑增加了學生學習機器人技術的難度，也給高校教師的教學提出了挑戰。 受這些因素影響，不少高校僅僅運用多媒體或者模擬仿真的方式進行機器人教學，這會導致學生對機器人技術的學習積極性和興趣不高，并且所培養的學生在實際操作、問題分析能力和查錯修改等方面的能力都比較欠缺。 另外，一些高校雖然開設了機器人實踐教學環節，但是教學模式相對死板，教師按照既定的實驗教程，以授課的形式指導學生學習。 但機器人技術所含內容廣泛，授課內容在一定程度上具有局限性。

綜上所述，高校在設置機器人課程時應當以培養學生的機器人工程應用和實踐能力為主要目標，在具體實踐教學時要突出針對性、實用性和實踐性，從而使培養的學生在實驗、動手操作、觀察分析、自主探索和創新能力等各方面都能得到一定的訓練與提高。針對上述有關機器人實踐教學中存在的問題，我們提出了“以學生為主體”[3]的基于機器人實驗平臺的實踐教學改革的新思路。

1 以學生為主體的本質

“以學生為主體” 的課堂教學觀最早由美國的心理學家和教育家羅杰斯提出，其認為教師在教學的過程中，應當強調以學生為教學的主體，教師在課堂中不再扮演控制者的角色，而應當是學習的引導者。 教師不再以灌輸的形式迫使學生去被動地學習和接受知識，而是讓學生積極地構建自身的知識體系，并讓其學會學習，學會合作，成為學習環節中真正的主人。以學生為主體， 能夠體現教學中教師對學生的尊重，凸顯學生的主體地位。

在機器人課程體系安排中，機器人的實踐教學是一個極為重要的環節。 與機器人理論課程不同，機器人實踐教學必須以機器人及應用實驗平臺為基礎，通過實驗驗證的方式讓學生理解并掌握理論課程的內容。考慮到學生的未來就業，一些高校還會采用“項目式教學”[4]的基本教學形式進行實踐課程的教學，即將企業實際項目所包含的整個流程融入實踐教學中，以滿足企業的需求。 對于機器人實踐教學課程，近年來也有一些教育工作者對基于“項目式教學”的機器人實踐教學方法進行了探索與研究。雖然以學生為主體的教學理念也是“項目式教學”的基本理念，但兩者并不完全等價，“項目式教學”只是一種典型的以學生為主體的教學方式。 此外，“項目式教學”強調了學生的動手能力，但同時在一定程度上也弱化了理論知識和基本知識，并且其教學時間也通常比較緊張。因此，對已有的“項目式教學”存在的問題進行研究與改進，使其能進一步提高學生的創新實踐能力，從而讓它能更加有效地適應智能制造領域機器人應用的新型緊缺人才的培養需求具有重要的意義。

2 以學生為主體的本質

針對現有“項目式教學”方法中尚存在的一些問題，本文根據作者所在學校現有工業機器人實驗平臺的實際情況，并結合多年的教學和實踐經驗，提出了“以學生為主體”的機器人實踐教學方法，具體教學實施方案設計如下。

2.1 實驗平臺和相關基礎知識介紹

雖然高校學生在理論課程上對機器人的基礎知識已經有了較為全面的了解，但是當他們第一次接觸實際機器人系統時， 有許多的學生會覺得比較陌生。如果高校教師讓他們直接按照項目式的方法進行強化訓練，可能會讓他們覺得非常緊張，甚至會讓一些學生覺得無從下手。 “磨刀不誤砍柴工”，如果在進行正式的項目式訓練之前，教師能夠對實驗平臺和相關基礎知識進行系統介紹，不僅不會耽誤課程的正常教學進度，而且能在一定程度上消除學生的迷茫，使其真正地做到理論聯系實際。

例如， 我們結合鹽城工學院現有的實驗條件，開設了工業機器人實踐教學課程。為了讓學生對工業機器人有較為深入、系統的理解，我們收集了機器人的基礎知識及實驗平臺的相關資料。在實踐課的第一次課上，采用系統論的方式對Rbt3080 工業機器人工作站的各系統組成部分（包括PLC 系統、工業機器人本體、機器人末端執行器、快速切換工具、輸送線單元、自動上料單元、 視覺檢測系統和旋轉變位機單元等）進行了簡單介紹，讓學生明白這些組成部分的輸入和輸出以及各部分之間的具體關系。對于機器人本體的介紹， 包括各坐標系、DH 參數和運動方式等知識，則由學生進行回憶并負責講述，最后由授課教師逐一進行點評。“學然后知不足，教然后知困”，在課堂中通過交換師生的位置關系，可以讓學生更加了解自己知識儲備和分享展示能力的不足，只有這樣學生才愿意積極主動地去學習與提高自己的能力。 此外，也只有讓學生身臨其境， 才能讓其懂得教師教書育人的不易，才會讓他們更加尊重教師及其工作。 因此，這種方式很好地體現了“以學生為主體”的內涵。

2.2 項目任務式體系編排

企業對工業機器人的實際需求有所不同，其典型的應用需求包括碼垛、分揀、裝配和焊接等。 因此，在進行任務編排時，需要設計不同的工業機器人實踐項目以基本滿足這些需求。對于這些項目的編排應遵循由淺入深的原則，具體原因如下：

（1）對于初次進行機器人實踐課程的學生，其動手能力普遍較弱。 如果剛開始就要求他們完成較難的項目，則很容易使其產生恐懼的心理，甚至可能會讓他們放棄整個項目，這樣會嚴重地影響教學進度與質量。

（2）如果前面的項目安排得比較難，后面的項目比較簡單， 那么對于可以順利完成前面項目的學生（如那些動手能力相對較強的學生），后面的簡單項目會引起他們心理的落差， 對項目提不起濃厚的興趣，同樣也會影響教學質量。

（3）當前的“90 后”和“00 后”大學生普遍比較喜歡玩闖關類的進階游戲，如果將實踐項目也設計成游戲的這種進階形式， 將會有助于激發他們的興趣、求知欲和探索心理。

鹽城工學院的機器人實踐課程為期兩周，為了能夠在這短暫的時間內起到訓練和提高的目的，我們依次編排了三個項目：TCP（工具中心點）練習、搬運碼垛和智能分揀。 其中，TCP 練習項目包含了機器人坐標系的建立和點位示教，搬運碼垛項目還涉及I/O 信號的配置，智能分揀項目則還須增加視覺檢測系統。 通過這種進階式的項目編排， 讓學生邊操作邊學習，會起到事半功倍的教學效果。

2.3 項目的具體制定

雖然項目式訓練的初衷是為了讓學生能夠在未來滿足企業的需求， 但我們不能照搬企業的項目，因為每個學校學生的能力有所差異，學生當前的能力與未來企業的要求也存在著差距，絕大部分的學生在實踐訓練之前是無法完成企業的實際項目的，所以才需要進行課程實踐訓練。我們應該從學生現階段學習能力的實際情況出發，去設計好每個項目，包括項目的描述、項目目的、預備知識、項目實現和項目考核等各個方面。 只有這樣，當學生拿到每個具體的項目任務的時候，才能做到心中有數，并激發他們的興趣和挑戰欲，能夠積極主動地去學習與訓練。 下面對于我們的第一個實踐項目——TCP 練習，做簡要概況。

項目描述：進行適當的TCP 練習，可以使機器人初學者學好機器人的基本操作，從而可以使其輕松地入門。

項目目的：（1） 讓機器人初學者了解如何進行ABB 機器人的工具坐標設定，包括其具體設定的方法與意義；（2）掌握ABB 機器人的常用運動指令，包括其具體的語法及其應用場合；（3）熟練地掌握ABB 機器人的手動操縱方法，并通過示教器能夠對機器人進行正確、快速的操作；（4）本項目包含大量的點位示教環節，其可為后續復雜的程序編寫打下堅實的基礎。

預備知識：（1）MoveJ——機器人關節運動指令；（2）MoveL——機器人線性運動指令；（3）MoveC——機器人圓弧運動指令；（4）MoveAbsJ——機器人絕對位置運動指令。

項目實現：（1）建立TCP 練習工具坐標；（2）對TCP練習點位進行示教；（3）進行TCP 練習程序的編寫。

項目考核：（1）能夠使用ABB 機器人的示教器進行TCP 練習筆的工具坐標設定， 其具體的要求為：能夠清楚地描述如何創建機器人工具坐標，并能使用示教器精確的設定TCP， 其誤差要求控制在0.5 mm 以內；（2）能夠熟練地編寫機器人TCP 練習程序，其具體的要求為： 第一， 熟練掌握ABB 機器人的指令與操作，并能夠編寫一個走三角形或走圓形的程序；第二，在程序的編程與調試的過程中，要求不能夠損壞TCP練習筆與不碰撞其他的部件；第三，能夠使用專業的語言正確且流利地演示基本配置步驟。

2.4 虛實結合

一般高校的機器人資源相對有限，以鹽城工學院工業機器人實驗室為例， 現只擁有5 臺工業機器人。對于一個20 人/班的實踐課程而言，通常是不能讓所有的學生有大量的時間進行項目訓練的。 此外，如果讓學生頻繁地使用實際的機器人平臺，很容易造成機器人的損壞，甚至造成安全事故。 為了減少這些情況的發生，可以把機器人的軟件仿真和機器人實體的應用進行有機結合。 ABB RobotStudio （RS） 是一款由ABB 公司研發的計算機仿真軟件，它能很好地模擬真實的機器人工作環境。在我們開設的機器人實踐課程中，對RS 的使用進行了詳細的介紹，并要求學生能夠正確地使用它，特別是工作環境的搭建與示教器的使用。 為了能夠順利地完成具體的項目，我們要求學生先在RS 上進行點位示教、I/O 配置與程序編程， 當程序調試沒問題時再進行實際的操作。通過這樣的一個過程， 讓學生了解工程中一個項目具體的實施過程，起到了較好的教學效果。

3 實踐意義與推廣價值

“以學生為主體”的機器人實踐教學，其實踐意義和推廣價值可概括如下：

（1）加強師資隊伍的智能控制技術積累。 讓專業教師轉變現有的教學與教育舊觀念，要求每位教師都應當具備積極的學習態度，深入領會“以學生為主體”的教學理念和教育教學方法，并使教學課程適應經濟和社會發展的要求。

（2）充分堅持以項目為主線、教師為引導和學生為主體的路線。要使學生在學習的過程中能夠相對獨立地進行項目相關信息的收集、方案設計、項目實施與最終評價等環節，就得要求教師能夠為學生提供較為完整與合理的技術資源以便學生進行自主學習。通過建立與搜集機器人技術專業教學資源庫，讓學生能夠利用視頻動畫和MOOC 等資源，并運用現近潮流的信息化方式和手段，實現線上與線下協同教育，從而協助學生自主地完成項目任務。

（3）以學生為主的項目式教學是一種有效的專業教育教學模式，其能夠從專業素養、專業綜合實踐能力和專業理論知識這三個方面培養學生。

（4）以學生為主的項目式教學有利于培養學生自主學習、分析問題、解決問題的能力，有助于學生學習各類實踐性和操作性較強的知識和技能，但它與傳統教學法不沖突。如果在實際的教學中能做到兩種教學法的有機結合與優勢互補，那么教學效果更佳。

4 結語

本文在機器人的實踐教學設計中，提出了“以學生為主體”的教學新途徑，給出了其本質內涵，并結合所在學校的現有條件， 設計了課程的具體實施方案，給出了其實踐意義與推廣價值。通過該教學途徑能有效地提升學生的實踐能力，為學生今后的工作提供扎實的專業基礎。