面向智能制造的“機器人技術”課程教學改革探索與研究

黃建 李平

摘 要：隨著智能制造的蓬勃發展，機器人行業人才的需求量增加，以及質量要求也逐步提高。為了培養出合格的本科人才，本研究針對目前機器人技術課程在面向智能制造方向本科生教學中存在課時不足、學生動力不足等問題，通過從教學內容、教學方式、增加實驗課課時以及考核方式等方面進行改革，經過對學生的回訪，教學改革后教學質量得到了明顯提升，這也為智能制造方面人才儲備奠定了基礎。

關鍵詞：機器人技術;智能制造;教學改革

1 概述

智能制造是制造業深入實施創新驅動發展戰略的重要引擎，是我國由“制造大國”到“制造強國”跨越的必由之路[1]。相對于傳統機械制造，智能制造將更加注重多學科的交叉，新學科的融合，涉及信息流、信號處理、物流管理甚至人工智能，而支撐智能制造技術發展的一項有力技術就是機器人技術。在信息科學技術的支撐下，機器人也逐漸智能，不僅能根據人的指令完成相應工作，還自行完成數據探測、自動學習與判斷、操作行為控制，因此，機器人技術也朝著更加信息化、智能化的方向發展。

目前，機器人技術已經覆蓋了汽車、制造、探測、服務以及醫療等幾乎生活中各個領域;另一方面，隨著我國老齡化加劇，人工成本的增加，根據聯合國歐洲經濟委員會和國際機器人聯合會的不完全統計[2]，未來機器人技術將有更加廣闊的應用空間。而我國是機器人消費大國，人工智能和智能制造將促使我國未來消費在機器人的市場值更大，下圖所示為中商產業研究院整理的近幾年來關于中國機器人市場規模，可以發現，從2017年至2020年，中國機器人市場規模增大了近3倍。因此，在高校開展與機器人技術相關的課程將會對我國的工業提供促進作用，具有一定現實意義。

同時，2018年教育部在新時代全國高等學校本科教育工作會議上提出“打造金課，淘汰水課”的要求以及全國專業認證大浪潮下[3]，探索如何提升“機器人技術”這門課教學質量，為目前機械類教育帶來了新的挑戰。因此，針對“機器人技術”這門課程的特點和任務，強化該領域專業人才的培養，為我國工業4.0的發展儲備人才，奠定良好的基礎。

2 機器人技術課程教學現狀分析

2.1 國內高校課程開設現狀

首先，受限于師資條件、教學儀器設備以及學科性質，目前工科學校中，開設與機器人相關課程的占比僅為1/5左右[4]，因此，有關機器人技術方面的本科人才較少。另一方面，該課程通常開設在第6學期，總共32學時，實驗學時僅4學時，甚至有些學校分配的實驗學時為0。同時，該門課程的重點是機器人運動學與動力學，涉及大量的矩陣變換，都是比較抽象的內容，比較難于形象化和理解，需要實際操作對理論知識進行加深理解。

其次，受科研平臺、實驗平臺、資金及其他因素的限制，與發達省份高校的開課內容相比，本校的機器人課程開課時間較晚，因此，在教學方面的教學經驗相對薄弱。另一方面，本校機器人方面的科研項目不多，關于機器人技術的前沿領域的涉足相對較少。因此，教學內容與發達省份相比還存在一定的差別。

2.2 學生整體現狀

目前教學的學生主要是00后，00后學生主要具有以下特征：

（1）追求獨立自主的個性化。無論是價值觀還是生活態度，00后都有自己的方式，這些方式和傳統的方式有較大不同。因此，在教學方式上需要與他們的生活、學習方式接軌。

（2）具有良好的自主學習能力。00后從小就接觸計算機，屬于互聯網一代，因此，對各種信息的來源將會更迅速，自主學習能力將更強。因此，在教學過程中，可以拋出更多的話題，讓學生通過自己查資料而解決。

（3）務實化的生活方式。00后對學習更看重所學知識是否有用，是否對就業能有幫助，考慮到更多的是自己未來職業的發展前景。

2.3 教學現狀

對選修了本門課程的絕大多數學生而言，對機器人具有一定的興趣和好奇心，因此學生對這門課程本身是具有一定的學習興趣。但是，在教學過程的開展中，部分教師教學方式仍然很老舊，采用填鴨式教學，教師在黑板上推導公式，學生在下面記錄，這將導致以下問題：

（1）未給學生留下充足的思考時間。古語有云：學而不思則罔，可見在學習過程中思考的重要性。

（2）由于缺乏思考，將導致學生對后續講解的內容理解不到位，對于基礎較差的學生來說，課程存在完全聽不懂的狀況，從而導致學生學習積極性顯著下降，負面情緒較大。

3 機器人技術課程教學目標

“機器人技術”是機械電子工程、機械設計制造及其自動化專業的一門專業拓展課，是智能制造的核心課程。課程主要包括：緒論、機器人結構設計基礎、機器人操作手運動學、機器人操作手動力學、操作機器人關節伺服驅動技術、機器人控制、機器人傳感器。注重將機器人基礎理論與應用技術相結合，力求反應機器人研究領域的新進展。為后續工廠實踐、就業等奠定基礎，也為從事與機械相關的設計和技術工作打下基礎。

通過本課程的學習應使學生掌握機器人機構設計、運動分析、控制和使用的技術要點和基礎理論。首先，了解機器人的特點、結構與分類，理解機器人本體設計的思路，機器人的位置控制、柔順控制以及機器人的分解運動控制、機器人的軌跡規劃問題。其次，機器人的功能模塊組成及其在系統中的作用，工業機器人及特種機器人的應用領域，了解機器人的基本控制原則，機器人規劃的作用和任務。達到能夠運用數學、自然科學、工程基礎和專業知識解決復雜機械電子工程問題的目標。最后，針對不同應用領域，了解機器人發展現狀及發展需求，最新技術發展和應用需求。達到能夠綜合運用機械電子工程相關基礎與專業理論，根據各種物理現象、機械特性、電控特性，通過文獻研究及相關方法，調研、分析復雜工程問題的研究方案的目標。

4 教育改革探索

4.1 教師隊伍建設

首先，完善本門課程授課教師整體結構，包括年齡、學歷、職稱等方面，構成合理的梯隊結構。一方面，形成老帶新的模式，可以使青年教師在短時間內能發揮老教師傳授的經驗，在教學中少走彎路，同時對本門課程的教學和計劃形成明確的規劃。另一方面，不同層次的教師可以發揮各自擅長的領域，可以形成百家爭鳴的景象。

其次，堅持師德師風建設。隨著高校的發展，國家及社會對高校老師的師德師風提出了更高的要求。良好的師德師風，包括明確的政治立場，正確的育人觀念以及正確的學術觀，這些品質將會在日常生活中深入學生的人生觀和價值觀，對培養優秀的學生有重要的作用。

最后，加強教師的教學質量建設。鼓勵青年教師多聽經驗豐富、教學口碑佳的老教師的課程，學習教學中的優點。針對自己教授的本門課程的特點，進行借鑒。同時，可以多參加青年教師說課大賽，提升教學能力。

4.2 豐富教學實例激發學生學習興趣

很多學生對機器人的認識以及期望停留在科幻電影中，如漫畫里的機器貓，或者是《I ROBERT》中的機器人。因此，第一節課可以以此為切入點，讓學生圍繞話題：你意識中的機器人展開討論，進一步激發學生學習興趣。隨后，以視頻或者圖片的方式，配以講解，給學生展示新型的機器人在軍事、服務以及機械等領域的前沿應用。

隨后，將實例的重點引入機械中，講述機器人在汽車焊接、汽車噴涂或者電子元器件裝配等領域的應用，這樣將本門課和前期學習的機械專業課程結合在一起，進一步消除了學生對本門課程的陌生感，讓他們了解本門課程的用途。

授課中，每一節課可以給學生介紹一種新型機器人，并以視頻的方式播放。在視頻播放過程中，將前期講授的一些書本上的理論知識點在這些實例的應用突顯出來，使學生對抽象的知識能夠形象化理解。

隨后，教師還可以布置一項作業，讓學生課后調研各種新型前沿的機器人，并講清楚該機器人的使用背景、用途以及特點，并在課堂上讓學生互相交流調研的結果，以便學生靈活運用書本知識和理解知識點，并培養學生關注科技前沿的能力。

4.3 改革教學方式提升學期驅動力

雖然學生對本門課程有一定興趣，但是時間久了難免疲乏，此時，需要充分調動學生的學習驅動力。本門課程采用翻轉課堂的方式[5]，即每一節課中，抽取一個很小的知識點，提前讓某學生通過查閱資料的方式自學，并對該知識點進行提煉、總結，并準備課件。在下一次課中，請該名學生花大約15分鐘來對該知識點進行講解，并解答同學的疑惑提問。這種上課方式改變了傳統教學老師輸出學生輸入的模式，反過來，讓學生像老師一樣講解知識點，這樣將會讓學生的參與感更強，同時，促使學生在自學時要去弄清知識點中的細節，從而對知識點理解更加透徹。采用此種模式教學，不僅能培養學生的自學能力，同時，還能培養學生語言表達能力、制作PPT的能力以及演講的能力，對學生綜合素質的提升也將有一定幫助。

其次，要突出課程的重難點。本門課程的第一個難點就是機器人運動學，涉及大量的數學變換，特別容易混淆。第二個難點是機器人動力學，涉及受力分析以及矩陣的運算，不僅考驗建模的能力，還考驗計算的能力。因此，在講授這兩章的時候，盡量將細節細化，避免因為講得過快，學生未理解而形成知識點的遺漏，進而產生連鎖效應，導致后續知識點無法理解。同時增加例題，并對應理論知識點一步一步講解，從而幫助學生對理論知識的應用。

最后，充分利用網絡資源進行課后復習。目前，網絡資源眾多，有教師直播上課的模式，有學生點播的模式，學生可以隨時隨地進行學習。其次，慕課的另一個好處是每一節課只講一個知識點，時間持續10～20分鐘，因此方便學生針對某一個不懂的知識點進行學習。然后，慕課等網絡資源具有開放性，不限制年齡、國籍甚至職業，絕大多數課程不收取費用，適合于學生使用。最后，慕課是依托很多名校的優秀教師而錄制，因此，慕課質量優秀，制作精良，對學生學習幫助很大。

4.4 實驗課增加動手能力

機器人技術是一門動手實操能力很強的學科，因此僅僅靠課上的學時無法讓學生深入理解。因此，擬將實驗學時從4學時提升為6學時。主要目的就是培養學生動手能力，課程中讓學生操控華數機器人，編寫一定的代碼，控制機器人手部，實現空心字的撰寫。其中，空心字的復雜程度也影響控制代碼的復雜程度。因此，第1～2學時主要利用實物，同時和課堂上的理論結合，介紹機器人的各個部件以及概念，并讓學生初步編寫代碼，完成機器人手部的基本控制。第2～4學時，讓學生編寫代碼，完成簡單的空心字“工”的撰寫。第5～6學時，增加空心字難度，完成“商”字的撰寫。通過循序漸進的實踐方式，讓學生熟悉機器人的結構、運動學、動力學以及控制部分。

4.5 改革評價方式

期末成績的組成由30%的平時成績和70%的期末試卷筆試成績組成。由于機器人這門課程是一門實際應用的課程，因此要注重課程評價。在30%的平時成績中，課堂出勤占10%，主要考核學生的學習態度;平時作業占10%，主要考核學生課下的復習;實驗課成績占10%，主要考核學生的動手能力。最后，70%的期末筆試成績主要考核學生的基礎理論、分析計算的能力。

結語

近幾年來，智能制造的興起帶動機器人產業的發展，對學校培養機器人方面人才的需求量以及質量也在不斷提高。對機械電子工程、機械設計制造及其自動化專業的機器人課程面臨的課時不夠、學生積極性較差等一系列問題進行了教學改革。通過課后與學生交流，以及與畢業后就業的學生進行回訪，教學改革后不僅提升了有限學時內教學質量，而且提高了學生學習驅動力，具有一定的效果，得到了學生的一致好評。最重要的是，通過實驗學時的增加和內容的改革，使學生親自完成了機器人的操作，不僅讓學生系統理解了本門課程的內容，達到了教學目標，同時培養了學生創新能力和團隊合作能力，進而獲得了成就感，對以后就業奠定學術自信也打下了基礎。

參考文獻：

[1]丁漢.機器人與智能制造技術[A].中國自動化學會.2015年中國自動化大會摘要集[C].中國自動化學會：中國自動化學會，2015：1.

[2]馮大鵬，李濤，修云，雷才洪.“機器人”課程改革探索與實踐[J].湖北理工學報，2017，33（05）：67-70.

[3]周浩.《機器人技術基礎》線上金課建設研究[J].科技風，2021（14）：56-57.

[4]楊建磊.我國高校機器人教育的現狀分析及對策研究[J].江蘇科技信息，2013（9）：41-42.

[5]郝萬博，趙冰.“翻轉課堂”的優勢及存在的問題探析[J].教育現代化，2018，5（02）：274-276.

基金項目：重慶市教委重大教改項目，以學科競賽為載體的地方高校學生國際交流途徑探索與模式研究（項目編號：171017）重慶工商大學校級重點教改項目，以創新能力提升為導向的機械基礎類課程教學范式改革與實踐（項目編號：2018107）

作者簡介：黃建（1990— ），男，漢族，重慶人，博士，講師，研究方向：機器人技術及機器視覺;李平（1977— ）男，漢族，重慶人，博士，副教授，研究方向：機器人技術。