新工科驅(qū)動(dòng)的“機(jī)器人編程與應(yīng)用”課程改革與實(shí)踐

仲訓(xùn)杲,楊貴志,付 榮

(廈門(mén)理工學(xué)院 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院,福建 廈門(mén) 361024)

1 課程改革背景

我國(guó)現(xiàn)有機(jī)器人數(shù)量離全球平均水平還相距甚遠(yuǎn),制造業(yè)每萬(wàn)名生產(chǎn)工人擁有工業(yè)機(jī)器人數(shù)量不及日、韓、德、美等國(guó)家[1]。伴隨工業(yè)機(jī)器人數(shù)量的增長(zhǎng),工業(yè)機(jī)器人在制造業(yè)市場(chǎng)中潛力巨大,在未來(lái)十年,我國(guó)將需要大量的具有一定技術(shù)水平的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)人員。因此,高等院校開(kāi)設(shè)機(jī)器人相關(guān)專業(yè)或課程勢(shì)在必行[1]。

當(dāng)前,本科院校聚焦教育部提出的“四個(gè)回歸”教育理念,持續(xù)深化教育教學(xué)改革,提升本科生培養(yǎng)質(zhì)量,著力打造一流本科教育,其重要舉措是著眼人才培養(yǎng)模式改革,將人才培養(yǎng)建立在實(shí)踐實(shí)驗(yàn)?zāi)芰ε囵B(yǎng)之上,并從課程和專業(yè)建設(shè)促進(jìn)本科教學(xué)質(zhì)量建設(shè)[1]。為此,本文以實(shí)踐教學(xué)為導(dǎo)向,突出課程教學(xué)的實(shí)用性與針對(duì)性,圍繞一流課程建設(shè)探索“機(jī)器人編程與應(yīng)用”課程的教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐改革。

2 課程改革主要舉措

2.1 課程現(xiàn)狀分析

工業(yè)機(jī)器人正向智能化、模塊化和系統(tǒng)化方向發(fā)展,而現(xiàn)有機(jī)器人教學(xué)課程,主要以工業(yè)機(jī)械臂為教學(xué)重點(diǎn),結(jié)合工程力學(xué)和機(jī)械設(shè)計(jì)方法,企圖引導(dǎo)學(xué)生掌握機(jī)械零件設(shè)計(jì)原理[3],并且機(jī)器人相關(guān)課程的設(shè)置側(cè)重于理論知識(shí)教學(xué),實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)相對(duì)薄弱。這種側(cè)重理論的教學(xué)方式、枯燥的理論知識(shí)、煩瑣的數(shù)學(xué)推導(dǎo)嚴(yán)重影響了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性,達(dá)不到提高學(xué)生實(shí)踐能力的目的[4]。考慮到市場(chǎng)對(duì)工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)及維護(hù)人才需求逐年大幅增加,因此有必要加強(qiáng)對(duì)機(jī)器人應(yīng)用人才的培養(yǎng)力度。

另一方面,隨著生產(chǎn)技術(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)步,工業(yè)機(jī)器人已涉足國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各行各業(yè),如港口碼頭搬運(yùn)、汽車(chē)焊接、產(chǎn)品分揀、柔性裝配和打磨拋光等。現(xiàn)有的機(jī)器人相關(guān)課程教學(xué)大多忽略了工業(yè)機(jī)器人典型應(yīng)用背景分析、工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡程序編寫(xiě)及調(diào)試、典型工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用案例教學(xué),影響了學(xué)生工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用能力的提高。因此,本文積極探索課程建設(shè)與教學(xué)改革。

2.2 教學(xué)改革舉措

項(xiàng)目導(dǎo)入,任務(wù)驅(qū)動(dòng)的教學(xué)法的改革探索:為了改變“機(jī)器人編程與應(yīng)用”課程教學(xué)過(guò)程中講授者唱“主角”,學(xué)習(xí)者當(dāng)“配角”的被動(dòng)接受知識(shí)的狀況,在課程教學(xué)過(guò)程中有必要引入任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法,全新編排教學(xué)內(nèi)容、開(kāi)發(fā)工業(yè)機(jī)器人仿真任務(wù)、增加工業(yè)機(jī)器人工程編程教學(xué)。

在“機(jī)器人編程與應(yīng)用”課程教學(xué)改革過(guò)程中,本課程著力打造以任務(wù)為向?qū)?以項(xiàng)目為驅(qū)動(dòng),施教根本的教學(xué)模式。以工業(yè)機(jī)器人任務(wù)編程和典型應(yīng)用場(chǎng)景為輔,以學(xué)生完成給定的任務(wù)為主線,在整個(gè)課程學(xué)習(xí)過(guò)程中強(qiáng)調(diào)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性、創(chuàng)造性和積極性。本課程使學(xué)生在完成機(jī)器人編程任務(wù)過(guò)程中理解工業(yè)機(jī)器人的基礎(chǔ)知識(shí),如機(jī)器人驅(qū)動(dòng)和控制系統(tǒng);掌握工業(yè)機(jī)器人示教編程方法,使學(xué)生對(duì)工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)從軟件、硬件等方面有全面的認(rèn)識(shí)和理解。課程建設(shè)通過(guò)增加工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用案例,結(jié)合大學(xué)生機(jī)器實(shí)踐創(chuàng)新活動(dòng),進(jìn)一步完善“機(jī)器人編程與應(yīng)用”課程教學(xué)改革,以適應(yīng)“雙一流”應(yīng)用型高校建設(shè)與人才培養(yǎng)的需求。

強(qiáng)化教師交流與培訓(xùn),改善教學(xué)效果的改革探索:機(jī)器人工程人才培養(yǎng)是基于工程教育的創(chuàng)新教育新形式,以工程教育為最終目的,借助創(chuàng)新教育的形式,將工程教育的目標(biāo)進(jìn)行科學(xué)整合。機(jī)器人工程人才培養(yǎng)應(yīng)面向行業(yè)、面向企業(yè)市場(chǎng)需求,通過(guò)校企合作,孵化產(chǎn)學(xué)研創(chuàng)新項(xiàng)目,促進(jìn)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力,增強(qiáng)學(xué)生的工程素養(yǎng)和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)意識(shí)。

機(jī)器人系統(tǒng)是科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)等多學(xué)科知識(shí)的綜合應(yīng)用,對(duì)專任教師的素質(zhì)要求高于傳統(tǒng)的信息類專業(yè),為適應(yīng)智能制造發(fā)展,有必要配以教師培訓(xùn)機(jī)制與團(tuán)隊(duì)建設(shè),同時(shí)吸引企業(yè)專家指導(dǎo),促進(jìn)教師交流與再培訓(xùn),從而將知識(shí)技能、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力、團(tuán)隊(duì)核心力量發(fā)揮到最大。

3 課程組織實(shí)施

本課程通過(guò)項(xiàng)目導(dǎo)入,任務(wù)驅(qū)動(dòng)的實(shí)施手段,主要分析工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展、組成、工作原理,介紹搬運(yùn)、涂膠、碼垛、焊接等機(jī)器人典型應(yīng)用,其目的是使學(xué)生學(xué)習(xí)掌握工業(yè)機(jī)器人的基本編程和操作知識(shí),使學(xué)生對(duì)機(jī)器人工作站及周邊設(shè)備運(yùn)動(dòng)等多種配合使用有深刻認(rèn)識(shí)。本課程培養(yǎng)學(xué)生在機(jī)器人編程方面具備分析與解決問(wèn)題的能力,培養(yǎng)學(xué)生在機(jī)器人操作方面的動(dòng)手能力。

本課程通過(guò)理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié),使學(xué)生了解工業(yè)機(jī)器人的工作原理、系統(tǒng)組成及基本功能;掌握工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)基本原理;掌握工業(yè)機(jī)器人RobotStudio 軟件的離線編程方法;掌握工業(yè)機(jī)器人搬運(yùn)、涂膠、碼垛、焊接等運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)及程序編寫(xiě),能使用工業(yè)機(jī)器人基本指令正確編寫(xiě)搬運(yùn)、涂膠、碼垛、焊接等控制程序;了解工業(yè)機(jī)器離線編程的意義以及智能化發(fā)展的必然性。

教學(xué)項(xiàng)目由簡(jiǎn)單到復(fù)雜,由單項(xiàng)能力訓(xùn)練到綜合能力訓(xùn)練。另外,具體實(shí)施過(guò)程中先進(jìn)行仿真教學(xué),在實(shí)際操作之前,學(xué)生能夠?qū)I(yè)機(jī)器人建立直觀印象,明確操作規(guī)程、操作方法等,最終使學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中能力不斷強(qiáng)化。在課程建設(shè)投入方面,學(xué)校需要具備的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)包括焊接機(jī)器人、搬運(yùn)機(jī)器人、碼垛機(jī)器人、包裝裝配機(jī)器人、3D 視覺(jué)分揀機(jī)器人等,同時(shí)還需建設(shè)機(jī)器人虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室,使之滿足本課程的教學(xué)需求。

4 課程特色與持續(xù)建設(shè)思考

“機(jī)器人編程與應(yīng)用”課程特色在于項(xiàng)目導(dǎo)入,任務(wù)驅(qū)動(dòng),實(shí)踐操作驗(yàn)證理論教學(xué)法,以機(jī)器人工程應(yīng)用為背景,引入智能機(jī)器人先進(jìn)技術(shù),并結(jié)合教師的科研經(jīng)歷和項(xiàng)目成果,激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣,并且開(kāi)設(shè)學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目,挖掘?qū)W生學(xué)科競(jìng)賽潛力。本課程在分析“機(jī)器人編程與應(yīng)用”課程特點(diǎn)和教學(xué)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上,通過(guò)構(gòu)建機(jī)器人教學(xué)和實(shí)驗(yàn)平臺(tái),在課程教學(xué)中增加創(chuàng)新實(shí)訓(xùn)實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié),培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和動(dòng)手能力、解決實(shí)際問(wèn)題的能力和創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力。

本課程持續(xù)創(chuàng)新改革與思考:(1)由于機(jī)器人屬于新興課程,學(xué)生對(duì)于這門(mén)課程的背景知識(shí)比較薄弱,對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)集成與應(yīng)用的認(rèn)識(shí)層面比較淺,所以需要持續(xù)完善學(xué)生的機(jī)器人基本知識(shí),與激發(fā)他們的學(xué)習(xí)積極性,這是課程教學(xué)中需要克服的難點(diǎn);(2)明確課程定位,同步完善教材建設(shè)與實(shí)驗(yàn)室建設(shè)很重要,也很困難。另外一方面,理論教育應(yīng)該聯(lián)合企業(yè)力量,提供有針對(duì)性的機(jī)器人師資培訓(xùn),為課程的開(kāi)展提供有效的技術(shù)保障,也是課程建設(shè)的難點(diǎn)之一。

5 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)自動(dòng)化專業(yè)“機(jī)器人編程與應(yīng)用”課程的教學(xué)改革進(jìn)行了探討。在遵循工程教育OBE 模式的基礎(chǔ)上,從課程的改革背景、課程改革主要舉措、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和課程持續(xù)建設(shè)思考幾方面闡述了該課程的教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐教學(xué)措施,為持續(xù)改進(jìn)課程建設(shè),提升教學(xué)質(zhì)量指明了方向,課程注重科研與教學(xué)的轉(zhuǎn)化,旨在打造一流本科教育,培養(yǎng)能創(chuàng)新、能解決復(fù)雜工程問(wèn)題的高新技術(shù)人才。