“三高四新”背景下《工業(yè)機(jī)器人及其應(yīng)用》教學(xué)改革

羅竹輝 邱顯焱 李兵華 湯迎紅

摘要：工業(yè)機(jī)器人是先進(jìn)制造業(yè)的重要技術(shù)裝備，是衡量國家科技創(chuàng)新的重要指標(biāo)。為了適應(yīng)專業(yè)發(fā)展需求，更好地服務(wù)“三高四新”戰(zhàn)略，對《工業(yè)機(jī)器人及其應(yīng)用》課程目前存在的問題進(jìn)行了分析，主要有教材內(nèi)容與課程目標(biāo)貼合度低，課程體系不完善;課程內(nèi)容和實(shí)踐教學(xué)未貼近先進(jìn)制造業(yè)實(shí)際需求;課時分配不合理，考核方式陳舊。對該課程進(jìn)行了改革，課程內(nèi)容更貼近企業(yè)實(shí)際、課程體系更加完善、采用案例教學(xué)方法、改進(jìn)實(shí)踐教和考核方式。使學(xué)生更為熟練的掌握工業(yè)機(jī)器人本體的相關(guān)知識和利用工業(yè)機(jī)器人服務(wù)先進(jìn)制造業(yè)的知識。

Abstract： Industrial robot is an important technical equipment in advanced manufacturing industry， and an important indicator to measure national scientific and technological innovation.In order to meet the needs of professional development and better serve the strategy of " Three highlands and four new stages" strategy this paper analyzes the existing problems of the course "Industrial Robot and Its Application"， including the low degree of matching between the teaching material content and the course objectives， and the imperfect course system;The course content and practice teaching are not close to the actual needs of advanced manufacturing industry;The assignment of class hours is unreasonable and the assessment method is obsolete.The curriculum has been reformed， the content of the curriculum is closer to the reality of enterprises， the curriculum system is more perfect， the case teaching method is adopted， and the practical teaching and assessment methods are improved.To enable students to more skillfully master the relevant knowledge of industrial robot and the use of industrial robot to serve advanced manufacturing knowledge.

關(guān)鍵詞：三高四新;工業(yè)機(jī)器人;教學(xué)改革;案例教學(xué)

Key words： "three highlands and four new stages" strategy;industrial robot;teaching reform;case teaching method

中圖分類號：G642? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2021）17-0251-02

0? 引言

打造國家重要先進(jìn)制造業(yè)高地、打造具有核心競爭力的科技創(chuàng)新高地是湖南的“三高四新”戰(zhàn)略中的“兩高”[1]。工業(yè)機(jī)器人是先進(jìn)制造業(yè)的重要技術(shù)裝備，是衡量國家科技創(chuàng)新的重要指標(biāo)。湖南工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院于2016年設(shè)置了機(jī)械工程專業(yè)機(jī)器人專業(yè)方向，2020年開始進(jìn)行了機(jī)器人專業(yè)招生，作為機(jī)器人專業(yè)的核心專業(yè)課程，作為湖南地方高校，為了適應(yīng)專業(yè)發(fā)展需求，更好地服務(wù)“三高四新”戰(zhàn)略，為湖南地區(qū)、中部地區(qū)、長江經(jīng)濟(jì)帶、全國乃至全世界先進(jìn)制造業(yè)和科技創(chuàng)新企業(yè)培養(yǎng)工業(yè)機(jī)器人研發(fā)和應(yīng)用的優(yōu)秀人才，需要進(jìn)行《工業(yè)機(jī)器人及其應(yīng)用》課程教學(xué)改革。

1? 《工業(yè)機(jī)器人及其應(yīng)用》課程特點(diǎn)及教學(xué)現(xiàn)狀

《工業(yè)機(jī)器人及其應(yīng)用》是機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化、機(jī)器人工程專業(yè)高年級本科生的一門專業(yè)課程[2]。旨在讓學(xué)生掌握工業(yè)機(jī)器人基礎(chǔ)工作站、典型工業(yè)機(jī)器人的原理及應(yīng)用，掌握機(jī)器人參數(shù)的配置、控制系統(tǒng)設(shè)置、工具坐標(biāo)設(shè)定、程序編寫，使學(xué)生具備設(shè)計(jì)與操控工業(yè)機(jī)器人的基本能力，從而更好地適應(yīng)機(jī)器人研發(fā)和應(yīng)用相關(guān)崗位的工作。

本課程教學(xué)由課堂教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)兩部分組成，教學(xué)內(nèi)容較多，既涉及機(jī)器坐標(biāo)變換、運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)等數(shù)學(xué)性較強(qiáng)的知識，又涉及到工業(yè)機(jī)器人的整機(jī)系統(tǒng)、機(jī)械等分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，還涉及到工業(yè)機(jī)器人在機(jī)器人工作站和智能生產(chǎn)線中的應(yīng)用。工業(yè)機(jī)器人涉及的學(xué)科包括機(jī)械工程、自動化、計(jì)算機(jī)、傳感器、人工智能、電子技術(shù)等，目前的教學(xué)還存在一些問題，主要表現(xiàn)在：

①教材內(nèi)容與課程目標(biāo)貼合度低，課程體系不完善。目前選用的教材為《工業(yè)機(jī)器人及零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》，該教材主要側(cè)重于工業(yè)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和分析，并未涉及高端裝備制造所需的工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)，而其它國內(nèi)的工業(yè)機(jī)器人相關(guān)方面的教材要么注重機(jī)器人數(shù)理基礎(chǔ)，理論性較強(qiáng)，要么注重工業(yè)機(jī)器人的編程和操作，不滿足本科教學(xué)需求，單純的一本教材無法完成課程目標(biāo)。正因如此，需要任課教師根據(jù)教學(xué)目標(biāo)，綜合選擇不同教材、論文、實(shí)際案例等作為教學(xué)素材，這樣就導(dǎo)致了教學(xué)素材過于零散，難以形成完整的課程教學(xué)體系。

②課程內(nèi)容和實(shí)踐教學(xué)未貼近先進(jìn)制造業(yè)實(shí)際需求。主要表現(xiàn)在，第一教學(xué)內(nèi)容不夠“先進(jìn)”，如工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)中仍是傳統(tǒng)的控制方法，對先進(jìn)控制方法講授較少，當(dāng)前高速發(fā)展的機(jī)器人圖像識別技術(shù)、5G物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等在機(jī)器人工作站中的應(yīng)用講授較少。第二，實(shí)踐教學(xué)未貼近本地先進(jìn)制造業(yè)，如實(shí)踐教學(xué)中，有一個環(huán)節(jié)是參觀工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用場景，目前采用如圖1所示的參觀工業(yè)機(jī)器人演示設(shè)備，這與實(shí)際生產(chǎn)場景仍有一定的差別，學(xué)生不能身臨其境的感受工業(yè)機(jī)器人的魅力，不能真正了解工業(yè)機(jī)器人的使用環(huán)境，如工業(yè)機(jī)器人的工作空間、軌跡規(guī)劃、防護(hù)等級等等。

③課時分配不合理，考核方式陳舊。目前《工業(yè)機(jī)器人及其應(yīng)用》課程分為理論課時、上機(jī)課時和實(shí)踐課時，理論課時是36課時，上機(jī)和實(shí)踐課時共4課時，課時分配不合理，上機(jī)和實(shí)踐課時比例過低，另外，實(shí)踐課時安排太過靠后，應(yīng)當(dāng)使學(xué)生首先通過實(shí)踐使學(xué)生對機(jī)器人及其在先進(jìn)制造業(yè)中的應(yīng)用有直觀的感受，其它通過講授鞏固相關(guān)知識的學(xué)習(xí)，最后再通過上機(jī)和實(shí)踐強(qiáng)化相關(guān)內(nèi)容的學(xué)習(xí)效果。考核方式陳舊，之前的考核方式分為兩部分，一是期末開卷考試，占比為70%，二是平時成績，包括作業(yè)、上機(jī)和實(shí)踐，占比為30%。這種考核方式過于陳舊，容易變成應(yīng)試教育，甚至有學(xué)生認(rèn)為是開卷考試，疏于學(xué)習(xí)，課程效果較差。

2? 《工業(yè)機(jī)器人及其應(yīng)用》教學(xué)改革

2.1 教學(xué)內(nèi)容與體系

考慮到在《工業(yè)機(jī)器人及其應(yīng)用》課程有一門前置課程《機(jī)器人學(xué)基礎(chǔ)》，因此，削減課程內(nèi)容中的坐標(biāo)變換、運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)、軌跡規(guī)劃和控制算法，重點(diǎn)在工業(yè)機(jī)器人總體設(shè)計(jì)中加人工智能和物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，重點(diǎn)講授工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)及其零部件的設(shè)計(jì)計(jì)算。重點(diǎn)講解工業(yè)機(jī)器人在結(jié)合湖南地區(qū)特別是株洲地區(qū)先進(jìn)制造業(yè)中的應(yīng)用，梳理湖南省先進(jìn)制造業(yè)的主要領(lǐng)域，包括工程機(jī)械、軌道交通裝備、航空動力三大產(chǎn)業(yè)集群，“兩芯一生態(tài)”、第三代半導(dǎo)體、集成電路、新材料、新型顯示等戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域的重點(diǎn)企業(yè)及現(xiàn)狀[3]，深度分析這些產(chǎn)業(yè)對工業(yè)機(jī)器人的需求。在課程內(nèi)容中講授智能制造、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈等技術(shù)的不斷發(fā)展及其與工業(yè)機(jī)器人的深度融合，新一代智能制造是“數(shù)字化+網(wǎng)絡(luò)化+智能化”的深度融合，并貫穿于產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造、服務(wù)全生命周期的各個環(huán)節(jié)[4]，在教學(xué)過程中，讓學(xué)生對工業(yè)機(jī)器人整個生命周期有一個詳細(xì)的了解，如工業(yè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)、制造、銷售、應(yīng)用、售后、回收等，便于學(xué)生對自己未來如果從事工業(yè)機(jī)器人相關(guān)的職業(yè)有初步的思考。梳理教學(xué)內(nèi)容的邏輯關(guān)系，提煉邏輯主線，并將邏輯主線反復(fù)灌輸給學(xué)生，根據(jù)教學(xué)內(nèi)容和邏輯主線，形成圖2所示的一套完整的、面向“三高四新”的課程體系。

2.2 教學(xué)方法

原有的教學(xué)方法主要是對照教材和課件進(jìn)行課程內(nèi)容的講授，然后布置一定的課后作業(yè)，屬填鴨式教學(xué)，教學(xué)效果較差。為了能增強(qiáng)學(xué)習(xí)效果，采用案例教學(xué)法，首先案例的選擇采用第一次企業(yè)實(shí)踐參觀過的工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用場景，如北京汽車株洲基地的汽車發(fā)動機(jī)裝配生產(chǎn)線，在參觀的時候?qū)?yīng)用場景進(jìn)行講解的同時，提出問題，使學(xué)生產(chǎn)生濃厚的學(xué)習(xí)興趣，然后在課堂上教師結(jié)合教學(xué)內(nèi)容對案例進(jìn)行深入的講解，制定研究學(xué)習(xí)的目標(biāo)。然后讓學(xué)生根據(jù)學(xué)習(xí)目標(biāo)，消化課堂內(nèi)容并進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，完成學(xué)習(xí)目標(biāo)，并在課堂上進(jìn)行小組討論和結(jié)果展示，最后每位學(xué)生形成大作業(yè)文檔中的一個章節(jié)。

2.3 實(shí)踐教學(xué)

實(shí)踐教學(xué)方面，首先將實(shí)踐教學(xué)課時由4課時增加為10課時，分為上機(jī)（4學(xué)時）、校內(nèi)實(shí)驗(yàn)室實(shí)踐（2學(xué)時）和企業(yè)實(shí)踐（4學(xué)時）。其次，調(diào)整實(shí)踐教學(xué)在整個課程教學(xué)中的時間順序，在導(dǎo)論課程之后，即安排一次工業(yè)機(jī)器人在先進(jìn)制造業(yè)企業(yè)中的認(rèn)知實(shí)踐課程，使學(xué)生對工業(yè)機(jī)器人及其應(yīng)用有個直觀的了解，在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時，讓學(xué)生進(jìn)行三維模型的建模上機(jī)，然后回歸前置課程內(nèi)容，讓學(xué)生進(jìn)行MATLAB機(jī)器人上機(jī)實(shí)踐，分析設(shè)計(jì)好的工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)方程、軌跡規(guī)劃等。第三，實(shí)踐教學(xué)緊密圍繞湖南省先進(jìn)制造業(yè)，特別是株洲本地制造業(yè)，與中國中車、中國航發(fā)建立合作關(guān)系[5]，成立實(shí)踐基地，使學(xué)生對工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用有更為深入的了解。最后，通過大作業(yè)的方式將上機(jī)、校內(nèi)實(shí)驗(yàn)和企業(yè)實(shí)踐結(jié)合起來，提高大作業(yè)在期末成績中的占比，學(xué)生需要課外花時間才能完成大作業(yè)，增加了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)的壓力，同時也調(diào)動了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性。

2.4 優(yōu)化課時分配，調(diào)整考核方式

在總學(xué)時不變的情況下，減少理論學(xué)時為30學(xué)時，增加上機(jī)、實(shí)踐學(xué)時為10個學(xué)時，并將課程內(nèi)容與上機(jī)、實(shí)踐學(xué)習(xí)內(nèi)容更為精密的結(jié)合起來，形成一份系統(tǒng)的“大作業(yè)”，并將“大作業(yè)”占期末總成績的比例提高至45%，一方面使學(xué)生掌握工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)的知識體系，包括工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展背景、發(fā)展趨勢、設(shè)計(jì)、制造、關(guān)鍵零部件、應(yīng)用等，另一方面鍛煉了學(xué)生將上機(jī)、實(shí)踐成果寫出文件的能力，為畢業(yè)設(shè)計(jì)和以后的工作奠定文檔撰寫基礎(chǔ)。同時期末考試試卷增加開放性題目，考察學(xué)生對工業(yè)機(jī)器人在先進(jìn)制造業(yè)中的應(yīng)用。

3? 結(jié)論

工業(yè)機(jī)器人是先進(jìn)制造業(yè)的重要技術(shù)裝備，是衡量國家科技創(chuàng)新的重要指標(biāo)。為了適應(yīng)專業(yè)發(fā)展需求，更好地服務(wù)“三高四新”戰(zhàn)略，對《工業(yè)機(jī)器人及其應(yīng)用》課程目前存在的問題進(jìn)行了分析，從課程內(nèi)容、課程體系、教學(xué)方法、實(shí)踐教學(xué)和考核方式方面進(jìn)行了改革，使課程更“接地氣”，使學(xué)生更容易掌握課程內(nèi)容，提高了學(xué)生應(yīng)用機(jī)器人服務(wù)先進(jìn)制造業(yè)的能力。

參考文獻(xiàn)：

[1]許達(dá)哲.為實(shí)施“三高四新”戰(zhàn)略 建設(shè)現(xiàn)代化新湖南提供堅(jiān)強(qiáng)法治保障[J].新湘評論，2021，4（11）：9-12.

[2]李肇惠，郝昭.工業(yè)機(jī)器人的技術(shù)發(fā)展及其應(yīng)用分析[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2020（001）：249-250.

[3]劉建江，蔡瑩，袁冬梅.湖南省智能制造快速發(fā)展的推進(jìn)戰(zhàn)略[J].長沙理工大學(xué)學(xué)報（社會科學(xué)版），2019，154（06）：93-101.

[4]廖常浩，吳洪清，萬今明.工業(yè)機(jī)器人風(fēng)險評估研究及應(yīng)用[J].機(jī)電工程技術(shù)，2019，48（01）：27-29，45.

[5]周楓林，余江鴻，廖海洋，等.“新工科”背景下機(jī)械類專業(yè)校企合作培養(yǎng)模式[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2019（17）.