新工科背景下融入虛擬仿真的機器人實踐類課程的創(chuàng)新教學(xué)探索*

韓振華 ，魏 群 ，李文娟 ，單文桃 ，巢 淵 ，丁 力 ，黃 明

（江蘇理工學(xué)院機械工程學(xué)院，江蘇 常州 213001）

0 引言

為滿足國家實施創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展、“中國制造2025”、“互聯(lián)網(wǎng)+”、網(wǎng)絡(luò)強國、新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃、海洋強國、航天強國等重大戰(zhàn)略和新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求，加快突破核心關(guān)鍵技術(shù)，構(gòu)筑優(yōu)先發(fā)展優(yōu)勢，在未來全球創(chuàng)新中占據(jù)戰(zhàn)略制高點，迫切需要培養(yǎng)大批“新工科”人才，建設(shè)與發(fā)展“新工科”已然成為我國當(dāng)前社會產(chǎn)業(yè)升級與發(fā)展的必然要求[1-2]。同時，我國機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展勢頭迅猛，產(chǎn)業(yè)規(guī)模與市場空間不斷擴大[3]。2017 年，教育部提出了適應(yīng)于產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求的“新工科”建設(shè)計劃，以應(yīng)對未來新技術(shù)和新產(chǎn)業(yè)國際競爭的挑戰(zhàn)，主動布局機器人工程科技人才培養(yǎng)[1-3]。在新工科背景下，上述重大發(fā)展變革和舉措對傳統(tǒng)機器人方向?qū)I(yè)的人才培養(yǎng)模式產(chǎn)生了重要影響，鑒于現(xiàn)今及未來較長時期機器人行業(yè)的快速發(fā)展與相關(guān)人才的迫切需求，培養(yǎng)新工科背景下具備創(chuàng)新素質(zhì)的機器人技術(shù)人才成為高等教育界關(guān)注的焦點，亟須進一步完善我國機器人相關(guān)專業(yè)培養(yǎng)體系，相應(yīng)地面向新工科的機器人創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式亟待大力開展探索和研究[4-5]。

機器人實踐類課程作為機器人工程相關(guān)專業(yè)教學(xué)的重要集中實踐性環(huán)節(jié)，新工科的提出對于高校工業(yè)機器人技術(shù)人才的培養(yǎng)有了更高的要求，對新工科背景下的機器人實踐類課程創(chuàng)新教學(xué)也亟待進行[6-7]。在新工科背景下，如何將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用到機器人實踐類課程的教學(xué)中，構(gòu)建機器人實踐類課程的教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容與考核方式等創(chuàng)新教學(xué)體系，是一個重要的創(chuàng)新教學(xué)研究方向[8-9]。機器人實踐類課程的創(chuàng)新教學(xué)關(guān)鍵在于利用虛擬仿真技術(shù)有機融入機械、控制與電子等多個學(xué)科課程理論知識與技術(shù)，拓展學(xué)校創(chuàng)新教學(xué)資源，增強理論與實踐教學(xué)的綜合性、創(chuàng)新性與應(yīng)用性，鍛煉學(xué)生應(yīng)用所學(xué)知識解決實際工程應(yīng)用問題的能力，結(jié)合大學(xué)生創(chuàng)新活動與各類競賽提高學(xué)生創(chuàng)新精神、實踐能力與綜合應(yīng)用能力，培養(yǎng)學(xué)生主動學(xué)習(xí)的積極性、創(chuàng)新思維與綜合素質(zhì)，使學(xué)生獲得機器人相關(guān)產(chǎn)業(yè)的工作競爭力，達到培養(yǎng)更多創(chuàng)新人才的教學(xué)目的。

1 機器人實踐類課程教學(xué)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

1.1 機器人實踐類課程教學(xué)現(xiàn)狀

近年來，隨著機器人產(chǎn)業(yè)的日益發(fā)展及其相關(guān)人才培養(yǎng)的迫切需求，在教育部“新工科”發(fā)展的大背景下，國內(nèi)機器人工程本科專業(yè)開設(shè)院校日益增多。同時，越來越多的高等學(xué)校機械類（機械工程、機械設(shè)計制造及其自動化、機械電子工程與智能制造工程等）與自動化類（自動化、機器人工程、智能裝備與系統(tǒng)等）學(xué)科專業(yè)也面向本科生開設(shè)了“機器人學(xué)”“機器人控制”“機器人應(yīng)用”“人工智能”等相關(guān)理論課程。

在實踐方面，機器人實踐類課程也逐步成為一門綜合性的實踐課程，是上述本科專業(yè)集中實踐教學(xué)環(huán)節(jié)重要的經(jīng)典項目，其以機器人為主要教學(xué)內(nèi)容或教學(xué)工具開展實驗實訓(xùn)，以機器人為載體將學(xué)生在本專業(yè)以往的相關(guān)理論與實踐課程相結(jié)合，在具體實踐過程中逐步完成機器人基本知識與基本技能的學(xué)習(xí)，鍛煉學(xué)生綜合工程應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力，使學(xué)生獲得機器人相關(guān)產(chǎn)業(yè)的工作競爭力，達到培養(yǎng)機器人產(chǎn)業(yè)相關(guān)創(chuàng)新人才的教學(xué)目的。

目前，國內(nèi)大多數(shù)高校機械類與自動化類本科專業(yè)均開設(shè)有機器人實踐相關(guān)課程，例如，“機器人原理與應(yīng)用”“機器人PLC 應(yīng)用綜合實踐”“機器人集成應(yīng)用綜合實踐”與“機器人維保應(yīng)用技能實踐”等。然而，現(xiàn)有高校機器人實踐類課程大多采用隨堂實驗與驗證性實驗的教學(xué)模式，雖然對學(xué)生理論知識理解與驗證有一定效果，但在學(xué)生新工科思維、系統(tǒng)總體設(shè)計與創(chuàng)新能力培養(yǎng)等方面具有較大缺陷，缺乏創(chuàng)新性、應(yīng)用性與綜合性，與新工科“創(chuàng)意—創(chuàng)新—創(chuàng)業(yè)”的人才培養(yǎng)目標(biāo)體系存在很大的矛盾。具體問題如下：

1）傳統(tǒng)機器人實踐類課程教學(xué)的講解多以理論為主，缺少應(yīng)用性與創(chuàng)新性。

傳統(tǒng)機器人實踐類課程教學(xué)多以機械臂式機器人為教學(xué)對象，教具單一，學(xué)生學(xué)習(xí)具有一定的參觀性，不能深入理解機器人內(nèi)部構(gòu)造與工作原理。其中，課堂講解多針對機械臂講述機器人結(jié)構(gòu)、工作原理、運動學(xué)、雅可比矩陣、動力學(xué)、傳感與控制等機器人學(xué)基礎(chǔ)知識，缺少應(yīng)用性、綜合性、設(shè)計性實驗與實踐學(xué)習(xí)，學(xué)生易因過多的運動學(xué)、動力學(xué)與軌跡規(guī)劃等理論方面的數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)產(chǎn)生抗拒心理，影響學(xué)習(xí)機器人的積極性與創(chuàng)新性。

2）傳統(tǒng)機器人實踐類課程教學(xué)實踐部分較少，缺少多學(xué)科綜合性，不能有效融入相關(guān)課程知識以適應(yīng)新工科建設(shè)與人才培養(yǎng)需求。

近年來，隨著高校不斷擴招，機器人實踐類課程教學(xué)要適應(yīng)以新經(jīng)濟、新產(chǎn)業(yè)為背景的新工科需求，推動現(xiàn)有機器人實踐類課程教學(xué)的改革創(chuàng)新。但受限于學(xué)校政策、硬件條件、師資力量，機器人實踐類課程的投入與課堂教學(xué)明顯不成比例，使得學(xué)生對于機器人技術(shù)的掌握與應(yīng)用只能大部分局限于課堂，動手能力和綜合分析解決問題的能力無法得到充分鍛煉，很難在機器人創(chuàng)新實踐、競賽等活動中有優(yōu)異的表現(xiàn)。在應(yīng)試教育理念的影響下，大學(xué)生的實踐動手能力普遍較差。同時，機器人實踐類課程不能有效融入“機械設(shè)計基礎(chǔ)”“工程應(yīng)用軟件”“PLC應(yīng)用技能培訓(xùn)”與“電機拖動基礎(chǔ)”等緊密相關(guān)課程的知識。因此，傳統(tǒng)機器人實踐類課程教學(xué)無法很好地滿足新工科建設(shè)與人才培養(yǎng)需求，亟待開展相關(guān)創(chuàng)新教學(xué)進行解決。

1.2 虛擬仿真技術(shù)在機器人實踐類課程的發(fā)展趨勢

機器人被譽為“制造業(yè)皇冠頂端的明珠”，是衡量一個國家創(chuàng)新能力和產(chǎn)業(yè)競爭力的重要標(biāo)志。我國機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展勢頭迅猛，產(chǎn)業(yè)規(guī)模與市場空間不斷擴大。作為未來工業(yè)及制造業(yè)爭奪的下一個革命方向之一，機器人技術(shù)的發(fā)展、產(chǎn)業(yè)的壯大離不開機器人人才的培養(yǎng)。在新工科背景下，鑒于我國機器人行業(yè)的快速發(fā)展與相關(guān)人才的迫切需求，目前國家的重大發(fā)展戰(zhàn)略與舉措對傳統(tǒng)機器人方向?qū)I(yè)的人才培養(yǎng)模式產(chǎn)生了顛覆性的影響。因此，機器人相關(guān)專業(yè)培養(yǎng)體系亟須建立和完善，同時大力探索與研究面向新工科的機器人專業(yè)創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式。

虛擬仿真技術(shù)作為互動性、逼真性、沉浸性、交互性和構(gòu)想性的新技術(shù)，已經(jīng)在機器人設(shè)計與研發(fā)中得以廣泛應(yīng)用[10-12]。在新工科背景下，基于虛擬仿真技術(shù)，將機械（“機械設(shè)計基礎(chǔ)”“機械制圖”與“工程應(yīng)用軟件”）、控制（“控制工程基礎(chǔ)”）、電子（“電機拖動基礎(chǔ)”與“PLC 應(yīng)用技能培訓(xùn)”）等多個學(xué)科課程知識與技術(shù)進行有機融合，深入開展機器人實踐類課程創(chuàng)新教學(xué)研究，使學(xué)生能夠基于虛擬仿真技術(shù)更好地掌握相關(guān)學(xué)科、課程知識。與此同時，還可鍛煉學(xué)生應(yīng)用所學(xué)知識解決實際工程應(yīng)用問題的能力，結(jié)合大學(xué)生創(chuàng)新活動、各類競賽提高學(xué)生創(chuàng)新精神、實踐能力與綜合應(yīng)用能力，使學(xué)生獲得機器人相關(guān)產(chǎn)業(yè)的工作適應(yīng)能力，達到培養(yǎng)更多創(chuàng)新人才的教學(xué)目的。

2 機器人實踐類課程創(chuàng)新教學(xué)內(nèi)容的建立與實施

2.1 總體創(chuàng)新導(dǎo)向

上述機器人實踐教學(xué)存在的問題與新工科“創(chuàng)意—創(chuàng)新—創(chuàng)業(yè)”的人才培養(yǎng)目標(biāo)體系存在很大的矛盾，已經(jīng)成為機器人實踐類課程教學(xué)以及未來培養(yǎng)方向亟待解決的重要問題，需要在現(xiàn)今新工科背景下對機器人實踐類課程教學(xué)進行創(chuàng)新，使得該類課程能得到多學(xué)科、多方向、多方面、多角度的綜合與發(fā)展。具體要做到以下幾點：

1）應(yīng)加強實踐性教學(xué)環(huán)節(jié)。實踐性教學(xué)環(huán)節(jié)是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識和靈活運用所學(xué)知識的重要途徑，對提高學(xué)生綜合素質(zhì)、培養(yǎng)創(chuàng)新精神和實踐能力具有重要作用。

2）充分利用并拓展學(xué)校機器人創(chuàng)新教學(xué)資源，改善實踐教學(xué)條件，充實實踐教學(xué)內(nèi)容，根據(jù)學(xué)科方向與培養(yǎng)方案，有機融入虛擬仿真技術(shù)，從多方面、多角度設(shè)計綜合性、設(shè)計性、應(yīng)用性的機器人綜合創(chuàng)新項目。

3）重視和鼓勵大學(xué)生開展開放性創(chuàng)新項目及課外科技活動，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，積極組織學(xué)生參加各類競賽等創(chuàng)新活動，提高學(xué)生邏輯思維能力、分析能力、設(shè)計能力、創(chuàng)新能力與實踐動手能力。

2.2 教學(xué)硬件資源的利用

截至2023 年3 月，江蘇理工學(xué)院機械工程學(xué)院已購入6 軸機械手平臺3 套、4 軸機械手平臺5 套、“探索者”套件總計23 套，不同類型套件內(nèi)均具有多種大中小型高強度鎂鋁合金結(jié)構(gòu)件、塑料結(jié)構(gòu)件、圓周舵機、直流電機、多種傳感器與通信模塊，寶貝車機器人10 臺，能力風(fēng)暴機器人7 臺，兩足步行機器人10臺，并配套建立了3 個機器人實驗室。目前，上述硬件已逐步應(yīng)用于機械電子工程專業(yè)與機器人工程專業(yè)的實踐類課程、課程實驗、課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計與學(xué)科競賽，可以有效保障機器人實踐類課程創(chuàng)新教學(xué)的順利開展。

2.3 創(chuàng)新教學(xué)內(nèi)容的建立

基于以上出發(fā)點，采用理論研究與實踐研究相結(jié)合的方式，通過查閱相關(guān)文獻資料、專家交流、項目組成員討論等多種形式，將新工科、課程需求與虛擬仿真技術(shù)所構(gòu)建的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)手段等相結(jié)合，確定創(chuàng)新教學(xué)內(nèi)容如下：

1）確立虛擬仿真技術(shù)在課程中的融合點。分析適應(yīng)于新工科培養(yǎng)要求的機器人實踐類課程教學(xué)內(nèi)容，明確教學(xué)目標(biāo)與要求，尋求虛擬仿真技術(shù)在課程中的融合點。

以機器人實踐類課程中常見教學(xué)對象——機械臂為例，分析機器人的機電結(jié)構(gòu)、控制與運行原理，以機械臂的多連桿機構(gòu)的運動學(xué)與動力學(xué)理論、伺服電機與精密減速器的動力驅(qū)動原理為切入點，以機械臂多連桿機構(gòu)原理的運動學(xué)與動力學(xué)虛擬仿真、伺服電機的伺服驅(qū)動仿真、精密減速器的結(jié)構(gòu)建模虛擬仿真與力學(xué)仿真以及機器人整機工作軌跡路線規(guī)劃的虛擬仿真為對象，確立虛擬仿真技術(shù)的融合點。機械手臂中虛擬仿真融合點示意圖如圖1 所示。

圖1 機械手臂中虛擬仿真融合點示意圖

2）建立機器人實踐類課程的創(chuàng)新教學(xué)體系。將新工科人才培養(yǎng)目標(biāo)與虛擬仿真技術(shù)有機結(jié)合，以機器人三大本體之一——精密減速器為教學(xué)實例，提出相應(yīng)的實踐教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)方法及教學(xué)設(shè)計，建立機器人實踐類課程的創(chuàng)新教學(xué)體系。

基于本學(xué)院已有機器人拆裝實驗平臺，以機器人RV 精密減速器結(jié)構(gòu)建模與裝配虛擬仿真為例，分析適應(yīng)于新工科培養(yǎng)要求的機器人實踐類課程教學(xué)內(nèi)容，與新工科“創(chuàng)意—創(chuàng)新—創(chuàng)業(yè)”的人才培養(yǎng)目標(biāo)體系相結(jié)合，改變傳統(tǒng)機器人實踐教學(xué)的固化模式，更新實驗教學(xué)內(nèi)容，豐富教學(xué)資源。在機器人實踐教學(xué)中，有機融入虛擬仿真技術(shù)進行教學(xué)創(chuàng)新，利用虛擬仿真技術(shù)在教學(xué)中融入學(xué)生已學(xué)課程“機械設(shè)計基礎(chǔ)”“機械制圖”與“工程應(yīng)用軟件”，設(shè)計出課程教學(xué)方案，如圖2 所示，使得學(xué)生在機器人實踐學(xué)習(xí)中能得到綜合性、應(yīng)用性與創(chuàng)新性的全面發(fā)展。

圖2 以機器人RV精密減速器為教學(xué)實踐案例的教學(xué)方案

3 課程考核與成績評定形式

根據(jù)已建立的融入虛擬仿真的機器人實踐課程教學(xué)體系，建立新的課程考核及成績評定形式，有效評價學(xué)生的課程學(xué)習(xí)效果。以機器人不同部分、不同結(jié)構(gòu)的精密減速器為例進行考核，考核方式擬定為項目考核+以賽代考。

1）項目考核是指以3~4 人組成的項目組為單位，分為出勤紀(jì)律、實際操作、匯報演示和項目報告四部分，并按1∶3∶3∶3 的比例評定成績。

2）以賽代考是指課程期末考核根據(jù)項目的不同組成若干開放性競賽，讓學(xué)生根據(jù)機器人不同部位的精密減速器結(jié)構(gòu)特點自己制定比賽規(guī)則、制定設(shè)計方案，進行機器人精密減速器結(jié)構(gòu)部件的三維建模與裝配的虛擬仿真，并鼓勵學(xué)生增加擴展類虛擬仿真項目。成績評定以功能及穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)創(chuàng)新、積分三部分為主，并按3∶3∶4比例評定，參與更高級別機器人競賽，如省賽、國賽并獲得理想成績的學(xué)生，課程成績擬直接評優(yōu)，并可考慮進行更深層次的培養(yǎng)，進而培養(yǎng)學(xué)生的綜合應(yīng)用能力，從而滿足復(fù)合型人才培養(yǎng)要求。

通過制定以上的課程考核方法與成績評定形式，構(gòu)建完善的機器人實踐類課程教學(xué)體系，制定機器人創(chuàng)新教學(xué)與實踐的教學(xué)目標(biāo)與方式、教學(xué)與實踐內(nèi)容。通過實踐研究方法驗證和實施所定教學(xué)實踐內(nèi)容，從教學(xué)、實踐、創(chuàng)新項目與活動、競賽等多種途徑不斷修正方案，最終達到課程創(chuàng)新教學(xué)目標(biāo)，以期在今后的機器人創(chuàng)新教學(xué)實踐中，強化學(xué)生對多學(xué)科、多方向的知識技能的理解與應(yīng)用，鍛煉學(xué)生動手能力和綜合分析解決問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生的自主創(chuàng)新能力與團隊協(xié)作能力，提高應(yīng)用型本科院校機器人應(yīng)用技術(shù)水平和競爭力，以適應(yīng)社會與產(chǎn)業(yè)對機器人創(chuàng)新人才的需求。

4 結(jié)語

在新工科背景下，為改變傳統(tǒng)機器人實踐類課程教學(xué)模式與應(yīng)用脫節(jié)的現(xiàn)狀，本文將虛擬仿真技術(shù)融入機器人實踐類課程教學(xué)中。以項目為主線、教師為引導(dǎo)、學(xué)生為主體的教學(xué)模式，以機器人三大本體之一——精密減速器為例，有效融入工業(yè)機器人RV 減速器結(jié)構(gòu)建模與裝配的虛擬仿真，綜合學(xué)生“機械設(shè)計基礎(chǔ)”“工程應(yīng)用軟件”“PLC應(yīng)用技能培訓(xùn)”與“電機拖動基礎(chǔ)”等多門課程知識，充分發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性、創(chuàng)新性，滿足自主創(chuàng)新與團隊協(xié)作能力的新工科培養(yǎng)要求。在機器人實踐類課程創(chuàng)新教學(xué)模式中，以項目考核與以賽代考的形式，充分利用現(xiàn)有機器人創(chuàng)新資源，讓教師與學(xué)生都能融入到機器人實踐課堂中，調(diào)動學(xué)生的積極主動性，鍛煉學(xué)生綜合分析解決問題的能力，也為學(xué)生在更高級別的機器人競賽中獲得優(yōu)異成績打下堅實基礎(chǔ)，提高新工科背景下學(xué)生的機器人應(yīng)用能力與就業(yè)競爭力，以適應(yīng)社會與產(chǎn)業(yè)對機器人創(chuàng)新人才的需求。創(chuàng)新教學(xué)為新工科背景下機器人相關(guān)專業(yè)的專業(yè)建設(shè)與人才培養(yǎng)提供了新思路。