智能制造背景下應用型本科院校“工業機器人”教學改革探討

韋慧玲

（佛山科學技術學院機電工程與自動化學院，廣東 佛山528000）

1 前言

2013年，德國率先提出了工業4.0戰略發展規劃綱要，推動制造業轉向智能化、信息化以及數字化發展，以智能機器人為代表的智能制造和高端裝備成了產業升級最先進的生產工具。緊接著，國家將加快工業機器人應用、促進機器人模塊化發展、突破機器人技術瓶頸等列入國家重大戰略規劃《中國制造2025》[1]。《粵港澳大灣區發展規劃綱要》指出，要推動制造業智能化發展，以機器人及其關鍵零部件、高速高精加工裝備和智能成套裝備為重點，大力發展智能制造裝備和產品，培育高端裝備制造、智能機器人等重大產業項目[2]。《珠江西岸先進裝備制造產業帶布局和項目規劃》明確提出，佛山市要重點發展關鍵智能制造基礎共性技術，推進以自動控制系統、工業機器人、伺服和執行部件為代表的智能裝置的研發和產業化，大幅提高制造過程信息化水平，提升重大智能成套裝備的集成水平，形成高度靈活、個性化、網絡化的產業鏈[3]。這些重大戰略規劃都明確了智能制造是中國制造業發展的方向。因此，自動化、高效率、智能化的工業機器人將成為中國制造業最重要的生產資料[4]。隨之增長的是企業對具有工業機器人技術專業知識理論和實操技能的人才的迫切需求。因此，在智能制造背景下，近年來大部分應用型本科院校的機械工程專業和自動化專業都開展了雙語課程“工業機器人”。

“工業機器人”這門雙語課程作為機械工程專業和自動化專業一門重要的專業基礎課程，主要由理論知識和實操技能訓練兩部分組成。理論知識部分公式繁多，內容融合了機器人、高等數學、矩陣論等多學科知識，在授課過程中出現了枯燥乏味、學習熱情不高漲等問題。實操技能訓練部分是由實驗員代課，主要通過虛擬平臺演示和機械臂展示，出現了理論無法聯系實踐、學生動手能力沒得到訓練等問題。同時，由于雙語課“工業機器人”是一門新興交叉學科的課程，國內外可參考的課程設置體系不多，導致出現了學時分配不合理、教學大綱有缺陷、教材選擇不適合等問題。

因此，針對雙語課“工業機器人”在教學過程中出現的問題，如何提高雙語課程“工業機器人”的教學效果，激發學生的學習興趣，鍛煉學生的創新創造思維以及實操技能，是當下教學改革必須深入探討的問題。

2 雙語課“工業機器人”教學現狀剖析

要想對課程設置進行教學改革，必須要深入剖析當前課程在教學過程中出現的問題。在總結目前雙語課程“工業機器人”的教學現狀基礎上，歸納了以下幾個突出問題：①教材選擇不適合。智能制造背景下對人才的要求是理論性與實踐性兼備。但目前工業機器人相關的教材很多，每種教材的內容側重點都不同，且有些教材滯后于工業自動化智能制造的發展。而有些教材只注重理論知識教學，未涉及編程等實操能力的訓練。這使得教學質量跟不上社會、企業的需要。因此，當前的教材難以適應應用型本科院校學生的教學需求[5]。對于雙語課程的教材要求，就是英文原版的工業機器人教材，而國外真正命名為“工業機器人”的英文教材是沒有的。因此，很多院校就選擇了華中科技大學出版社出版的《工業機器人》中文教材，這樣就導致了與教學大綱雙語課程要求的英文教材、英文教學相矛盾。同時，這本教材屬于普及性教材，很多公式的推導過程都省略了，直接給出結果，學生難以理解。更重要的是，這本教材沒有虛擬仿真編程技能訓練內容。②教學課時安排不合理。雙語課“工業機器人”是一門理論+實操的課程，其目的是讓學生掌握工業機器人的機構設計、運動學、動力學、靜力學、軌跡生成以及控制系統等相關基礎理論和技術要點，同時加強學生的專業英語文獻閱讀及寫作能力，更重要的是掌握工業機器人典型機械臂的操作能力。因此，在課時安排上，總課時要充足，同時理論課時與實操課時要平衡。當前的課時安排是34理論課時加6課時實驗課時。而國外哈佛大學工業機器人的課時是34理論課時加22實驗課時。斯坦福大學是43理論課時，加州理工大學是42理論課時[6]。可見當前的課時設置是相當不合理的，實驗課時比哈佛大學少了整整16個課時，學生在聽實驗課教師的講解中完成了實驗課，沒有動手操作的機會，如何去掌握工業機器人的實操技能呢？同時，理論課時比斯坦福大學和加州理工大學都少了約10課時。課時的縮減讓教師無法詳細給學生講解理論知識，加上這是雙語課程，非母語的學生在聽課和閱讀教材上就要耗費更多時間。教學課時安排太少，導致教師無法教好，學生無法透徹理解，導致教學效果變差。③教學內容不全面。由于雙語課程“工業機器人”是建立在學生學習了機械原理、高等數學、矩陣論、工程力學等學科基礎上的，要求學生具有扎實的數學、力學計算能力，同時擁有一定的計算機編程能力。因此，以往一般是針對研究生開設這門課程[7]，而研究生已經系統學習了基礎課程，同時具備一定的編程能力，所以，參考其制定的教學內容不適合本科學生。目前，本科院校雙語課程“工業機器人”的教學大綱要求掌握的教學內容包括運動學、動力學、靜力學、機械設計四大內容，而對于工業機器人最核心的傳感系統、控制系統、編程系統卻不涉及，學生無法掌握工業機器人的工作原理，更無法理解工業機器人的工作指令。這顯然不符合智能制造背景下的工業機器人人才需求。工業機器人由于其特定的工作環境，控制系統設計與傳統控制技術還是存在較大區別，是非常有必要給學生傳授這部分內容的。④實踐脫離理論。針對目前智能制造背景下社會對理工科人才的需求，“工業機器人”這門課程培養的人才應該是掌握過硬的理論專業知識以及熟練的實際操作技能。然而，目前的課程設置無法達到這個效果。理論課程授課和實操課程授課不是同一位教師，這就導致了實操課程教師無法了解學生理論知識的掌握程度，而理論課程教師也無法了解學生的實操技能訓練效果，直接導致學生、教師、課程三者無法構成閉環反饋系統，難以發現教學過程中存在的問題，無法根據教學過程中出現的問題調整教學內容和教學方式方法；學校由于缺乏資金、場地有限、實驗室不規范、機器人教具不足等，進而嚴重壓縮了實踐課時。

3 改革措施的探索

選擇適合的教材是提高教學質量的關鍵[8]。因此，針對教材不適合的問題，在參考國內蔡自興編著的《機器人學》、韓建海編制的《工業機器人》、國外的哈佛大學和斯坦福大學工業機器人課程教材《Ⅰntroduction to Robotics：Mechanics and Control》后筆者認為機械工業出版社出版的《機器人學導論》（英文版，4版）比較適合。首先這本教材內容全面，邏輯層次清晰，公式推導詳細易懂，重要的是每一個章節后面都附有MATLAB上機實驗作業，不僅注重學生對理論知識的培養，更鍛煉了學生的實際編程能力，使學生在掌握理論知識基礎上強化了實踐實驗能力。

針對教學課時安排不合理的問題，在參考國外大學的課時安排后，根據教材內容和英語教學要求，理論課時至少安排40個課時。這樣教師有充足的時間把重點、難點問題解釋清楚，也給學生一定的時間與教師交流討論。同時，實驗課時至少安排20個課時。這不僅滿足了教師講解時間的要求，同時還保證了每個學生至少能把一款工業機器人實際操作一遍，加深學生對理論知識的理解。

針對教學內容不全面的問題，在對教材進行了調整后，根據教材安排教學內容。工業機器人的傳感技術、編程語言和控制系統作為工業機器人工作的核心系統，最能體現工業機器人智能化的部分，要列為教學內容中的重點難點。由于機器人控制是課程較為關鍵的一個內容，要強化學生對這部分理論知識的掌握，為后期實踐教學打好基礎。總之，教學內容的設置要讓學生對工業機器人的機械系統、驅動系統、控制系統和感知系統有一個全面的理解和認知。

針對實踐脫離理論的問題，提出增設“工業機器人結構拆裝”“上機編程模擬計算”“實操調試”等課程實踐教學內容和技能訓練手段，同時鼓勵學生理論聯系實踐開發產品、開展實操技能比賽等措施，提高學生的課程參與度，培養學生對工業機器人的結構設計、零部件加工、系統裝配、運動控制、編程與調試、日常運行與維護等實操能力。利用MATLAB中的工具箱robotics toolbox[9]、ADAMS的仿真模塊、Simulink等虛擬軟件實現對工業機器人虛擬樣機的控制操作，提高學生的編程能力和解決實際問題的能力。同時，把班上學生分組進行工業機器人創意創新產品開發，組內學生分工合作，實現工業機器人機構優化設計、驅動系統搭建、控制平臺建立等，完成軌跡規劃計算。學生可以利用慧魚完成，也可以自己搭建實物。另外，開展工業機器人實操技能比賽，激發學生學習的熱情。

4 結論

“工業機器人”是一門理論性和實踐性都很強的課程，對于學生的學和教師的教都有很大挑戰。針對當前課程教學中存在的問題進行了改進，激發學生對工業機器人學習的熱情，提高了教學效果。