“機器人技術”課程的教學改革實踐研究*

鄭旸初 ， 王文安

（溫州理工學院智能制造與電子工程學院，浙江 溫州 325035）

0 前言

“機器人技術”課程是機械工程、機器人工程等專業的學生需要學習的一門十分重要的專業課程。近年來，機器人產業高速發展，新興市場迅速開辟，為經濟增長貢獻了重要力量。我國已成為全球最大的機器人市場，工業機器人、特種機器人、服務機器人等在工業、軍工、民生領域發揮顯著作用，成為必不可少的設備[1]。目前，機器人技術已經在很多領域得到了應用，比如在工業生產線上利用機器人技術執行焊接、噴涂、裝配的工序，再比如餐館和賓館中的送餐機器人、物流行業中的分揀機器人以及家庭中的掃地機器人，機器人技術早已與日常工作和生活融為一體[2]。據統計，我國工業機器人在2015—2019 年的產量逐年增加。2019 年為18.7 萬臺（套），比2018年同期增長27%，增速比2016 年和2017 年有所放緩，這兩年增速分別為120%和81%。工業機器人銷量方面，2018—2019 年我國工業機器人銷量呈下滑趨勢。2017 年我國市場共銷售工業機器人15.9 萬臺，2018年約銷售15.6萬臺，同比下降1.89%[3]。

從整體上看，市場對機器人相關人才的需求是非常迫切的。因此，“機器人技術”課程不僅要為學生打下堅實的理論基礎，也需要理論聯系實際，為學生在有限的課時中設置合適的實踐內容[4-7]。在全面深化高等教育教學改革中，對該課程教學改革勢在必行，鑒于此，課題組針對“機器人技術”課程教改進行探討。

1 課程現狀

“機器人技術”課程是一門綜合性課程，與之相關的課程有電工電子學、單片機原理與應用、傳感器技術、PLC 原理與應用等。在智能制造的背景下，對工業機器人的技術人員提出了更高的要求。因此，課程必須實現與相關實際工作內容的呼應，讓學生學有所成，學有所用。

對“機器人技術”課程的教學情況進行總結，表現出以下幾方面的問題。

1.1 教學方式傳統

在教學的實施過程中，部分教師沒有脫離傳統的教學模式，采用傳統的“灌輸式”教學。在這個教學模式中，學生在學習中遇到困難時，是請教老師進行解決，而不是自己想辦法去解決問題，這種情況造成了學生的自主能力較差，責任感也不強。

1.2 理論與實踐教學脫節

由于缺乏必要的實踐條件，教學過程中只能把時間主要集中在理論教學上，實踐教學的時間往往很短，基本上只能算是走過場，難以達到應有的實踐教學效果。而理論教學失去了實踐教學的支撐，成了無本之木，造成理論教學與實踐教學脫節現象嚴重。

1.3 實踐教學與實際工程聯系不緊密

學生缺乏對企業情況的認知，對企業發生的各種問題缺乏考慮。這種情況就導致學生在做設計時，一方面，由于對企業的實際情況不熟悉，不能很好地設計作品；另一方面，對本身的設計作品認識不足，設計出來的作品不切實際，不能得到很好的應用。

2 教學改革措施

通過本教改課題的實施，解決原有的“機器人技術”課程實踐內容不夠豐富、理論與實踐部分脫節、實踐教學投入不足的問題，以基于“知識膠囊”式實踐教學法的教學理念，設計實踐教學要求和教學方案。在此基礎上，重新修訂理論教學大綱、課程教學方案以及考核評價體系來對專業課程進行深入改革，并最終實現專業理論課程與實踐教學的深度對接。

“知識膠囊”這個概念最早來自于豆瓣時間和喜馬拉雅等平臺，這類平臺提供諸如電影解析類、歷史解讀類等的課程，讓人們能夠利用碎片時間來掌握知識。對于大學課程來說，“知識膠囊”的模式可以加以借鑒，由于課時有限，老師把機器人實操和一些知識點錄制成視頻或音頻，上傳至MOOC 或SPOC平臺以方便學生查看。從實質上說，這是對教學方式和教學關系的一種重塑，課程不再局限于教室，這對老師提出了更高要求，不但要把握課堂時間，進行理論知識的傳授，而且要以通俗易懂的語言，把復雜的實際案例錄制成視頻或音頻，讓學生能夠輕松理解。

“知識膠囊”作為一種重新定義的微課，能夠從多方面、多維度吸引學生，讓學生對知識有選擇性，并且知識也更具有針對性和便捷性。教師的教學質量和學生的學習行為共同決定了課程質量，課堂學習和線上學習都具有一定的特點。其中，課堂學習的優勢在于面對面的有效互動，缺點在于學生被動接受知識，不利于培養學生的自主思考意識；而線上學習的優勢在于時間的自由、資源的豐富，缺點在于人與人之間的聯系較弱。兩者相結合才能夠發揮出更大的優勢。

因此，在“機器人技術”課程的改革中，在原基礎上轉型升級，將整塊時間轉為碎片化時間，通過雨課堂對學生進行課前和課后管理。在一個章節完成時發送提前錄制好的視頻和音頻，進行線上線下聯動，學生需要在線上查看視頻并完成題目，視頻觀看情況和答題情況會折算成平時成績，通過這種方式培養學生的自主學習能力。在課堂的基礎上，教師對知識再進一步深加工，使知識的傳授不局限于課堂，保證知識的實時更新和有效鏈接，更好地配合學生進行理論和實踐的結合。

各章節知識的“知識膠囊”安排如表1 所示，與各個章節結合，使之具有較強的連續性。

表1 教改內容安排表

通過以上方案的實施，達成了一些學習效果，具體內容如下：

1）加深對工業機器人的認知。如工業機器人分類、工業機器人的組成，了解工業機器人技術發展過程、典型機器人產品和前沿技術，激發學生的自主學習熱情。經過課程的學習，使學生掌握機器人的基本概念，并學會通過ABB、Fanuc、庫卡和新松等公司網站查看設備型號和參數。

2）掌握工業機器人的環境感知技術。工業機器人感知系統通常由多種傳感器組成，用于感知自身狀態和外部環境，通過信息來決策和控制工業機器人完成任務。通過學習，學生掌握姿態傳感器、力覺傳感器、觸覺傳感器、壓覺傳感器、接近覺傳感器和視覺傳感器的工作原理和應用場合。

3）掌握工業機器人的通信技術。工業控制網絡是計算機網絡、通信網絡和自動控制技術結合的產物。工業控制網絡適應了企業信息集成系統和管理控制一體化系統發展的需要，是IT 技術在自動控制領域的延伸，是自動控制領域的局域網。工業機器人作為智能設備在編程、調試、運行、維護的過程中需要通信網絡技術，為了和PLC 等其他工業設備進行系統集成，需要DeviceNet、Profibus、Profinet、Ethernet/IP 等工業網絡通信接口。通過課程學習，學生掌握這些接口的物理層接口和協議層的設置。

4）掌握工業機器人的控制技術。工業機器人控制系統用于對設備的控制，以完成特定的工作任務，基本功能包括記憶功能、示教功能、與外圍設備聯系功能、人機接口、傳感器接口、位置伺服功能、故障診斷安全保護功能。

5）掌握工業機器人的編程。工業機器人編程方式主要經歷三個階段：示教再現編程階段、離線編程階段和自主編程階段。對各種實用性機器人來說，示教再現編程具有諸多優點，是功能實現的最佳途徑。

錄制使用的機器人為一臺Fanuc 六軸并聯機器人，如圖1 所示，以及一臺ABB 串聯機器人。錄制在一定程度上解決了設備數量不足、現場實驗教學中學生參與度低的問題。通過線上學習，每位學生都能夠身臨其境地參與設備的使用。

圖1 并聯機器人系統

并聯機器人系統由電氣部分與設備模塊組成。電氣部分包括：PLC 模塊單元、觸摸屏模塊單元、變頻器模塊單元、電源模塊單元、操作箱按鈕單元、接線端子排和各種傳感器等。設備模塊包括：輸送線模塊、物料存儲模塊、視覺支架模塊、整體框架承載臺。ABB 機器人型號為IRB120，具有六自由度，平臺除機器人外還包括加工單元、裝配單元、分揀單元、輸送單元和碼垛單元。在這兩套設備的基礎上制作了部分音頻和視頻材料。

課程的考核方式從原來的平時成績40%和期末考試60%，調整為平時成績50%和期末50%，其中平時成績由線下成績和線上成績組成。

3 結語

通過線上與線下的結合，讓學習不局限在教室中，學生可以利用課余時間，到線上平臺觀看課后教師上傳的視頻和音頻。在這個過程中，教師要多進行啟發，激發學生自主學習的熱情，這同時也能提高課堂上學生的參與度，提高教學質量。課程對2017 級、2018 級機械工程專業學生進行了兩輪的教學改革實踐，重新設計了課程的教學內容、教學模式和教學方法，專業理論課程與實踐教學方案深度對接，線上與線下教學相結合，不斷完善成績評價體系，使課程的改革建設取得良好成效。經過課程學習，學生申報學生項目的熱情得到提高，競賽獲獎情況改善，學生評教分數提升，對課程滿意度高。