淺析機械類專業工業機器人技術課程創新及教學改革

杜尊令，王炳丹，林榮庭，陳建輝

（1.肇慶學院機械與汽車工程學院；2.肇慶學院學生工作部，廣東 肇慶 526061）

1 前言

智能制造被譽為第四次工業革命，已經成為各國發展搶占的制高點，而機器人等新興技術是推動現代制造業智能化升級的核心驅動力。機器人被譽為“制造業皇冠頂端的明珠”，其研發、制造、應用是衡量一個國家科技創新和高端制造業水平的重要標志。目前，機器人不僅在制造業廣泛應用，還擴展至醫療健康、資源勘探、救災搶險、商貿物流、教育娛樂、農業生產、軍事工業和航空航天等領域。機器人替代和協助人們從重復枯燥、臟累危險、有毒有害等工作中解放出來，取代了人的職能和拓展了人的能力。近年來，為了發展機器人產業，我國投入了大量的資金資源，制定各類重要的國家級產業規劃和政策，使我國機器人產業得到了蓬勃發展，產業規模快速增長，技術水平持續提升，重點產業集群優勢逐步顯現。

機器人產業蓬勃發展，市場規?？焖僭鲩L的同時，機器人領域人才供需矛盾已經顯現，尤其是工程技術人才短缺已成為制約智能制造領域高質量發展的一大難題。工業機器人人才培養成為機器人領域和教育部門的關注熱點話題。機器人是多學科深度交叉融合的數字化裝備，對人才需求門檻高，綜合能力要求高。培養工業機器人高端技術人才，為智能制造領域注入新鮮活力，高等院校除開設機器人專業外，對機械類專業開設工業機器人課程也是緩解機器人人才短缺的有效途徑。機械類專業《工業機器人技術》課程確定知識-能力-素養三位一體培養目標成為課程建設的首要任務。本文以肇慶學院機械設計制造及其自動化專業為例，探索《工業機器人技術》課程在應用型本科教學中的目標定位、存在問題及解決方案，為其他應用型本科機械類專業開設工業機器人課程提供借鑒。

2 課程教學目標

通過企業調研和文獻檢索，將工業機器人產業鏈分為上游、中游和下游產業，如圖1所示。工業機器人產業鏈上游產業為核心零部件生產，主要包括高精密減速機、伺服電機、驅動器、控制器和傳感器等，相當于機器人的“大腦”，占據機器人總成本的70%～80%，是制約機器人成本降低的主要因素，目前，這些核心零部件主要依靠進口，例如，機器人用的高精密減速器占到機器人總成本的30%，而全球75%的市場被日本兩家企業占據，包括四大家族等國際一線品牌均有它們供貨。產業鏈中游為工業機器人本體制造，主要包括焊接機器人、搬運機器人、碼垛機器人、涂裝機器人和裝配機器人等，機器人本體制造占據機器人成本的20%～30%；產業鏈下游為應用領域系統集成，主要包括汽車制造、3C電子、倉儲物流、醫療服務、航空航天和軍工等領域，系統集成占據總成本的5%左右，而國內公司多集中在該領域。

圖1 工業機器人行業產業鏈結構圖

根據工業機器人行業產業鏈結構和人才需求分析，結合機械類專業特點，課程教學團隊建立了《工業機器人技術》課程知識、能力、素養三位一體的教學目標，如圖2所示。

圖2 課程培養目標

（1）知識目標。課程構建全面的工業機器人技術體系知識框架，了解工業機器人分類、特點、發展動態及學科前沿研究進展；掌握工業機器人基本結構組成和控制系統等基本通用理論及應用技術；理解和掌握工業機器人主要參數、操作編程及運行維護的通用方法及流程；掌握工業機器人選型、系統集成等技術和方法；了解工業機器人焊接、搬運、碼垛、噴涂與裝配等多種實際應用及周邊設備。

（2）能力目標。培養學生在工業機器人及自動化系統集成等領域發現問題、分析問題和解決問題的能力；培養學生在工業機器人技術方面理論聯系實際、機器人選型、系統集成、現場軌跡編程、離線編程軟件等實踐操作能力；培養學生自主學習、擴展獲取信息的渠道及創新思維的能力；培養學生評價工業機器人系統集成合理性和集成過程中項目管理的能力；具備設計焊接、搬運、碼垛、噴涂與裝配等應用工作站布局的能力。

（3）素養目標。培養學生樹立正確的三觀、家國情懷和民族自豪感；讓學生認識到工業機器人技術在智能制造中的重要性，領略科技進步給生活和世界帶來的巨大改變，激發學生為國學習、為國創新、造福國家、改變世界的使命擔當；通過工業機器人的高新技術，培養學生關心科技、熱愛科學、勇于探索的創新責任意識；通過機器人系統集成和各類應用，培養學生具有良好的心理素質、職業道德以及高度責任心和良好團隊合作能力；搭建理論聯系實際的橋梁，培養學生精益求精的大國工匠精神，鼓勵學生為成為工業機器人技術的創新型人才而努力。

3 工業機器人技術課程學情分析

以肇慶學院機械設計制造及其自動化專業為例，《工業機器人技術》課程為第七學期開設的專業選修課程，課程共計32學時，其中理論講解24學時和實驗操作8學時。目前，課程在教學環節中主要存在以下不足。

（1）課程內容知識面廣、更新快、涉及領域眾多。工業機器人是機電一體化先進數字智能裝備，是面向工業領域多關節或多自由度的機器人，是機械、電子、控制、計算機、傳感器、人工智能等多學科深度交叉融合的高新技術。而《工業機器人技術》這門課程不僅學習工業機器人的分類、結構組成、運動控制、性能指標、手動操作、在線編程、離線編程等共性通用的理論技術，還涵蓋搬運、焊接、碼垛、噴涂和裝配等應用，每種具體應用均涵蓋了多學科的知識架構。隨著智能制造技術在各領域的廣泛推廣，工業機器人的需求量迅速增長，為了搶占市場，工業機器人制造企業在理論、技術等層面迅速革新。為了滿足工業機器人技術發展的需要，避免發生高校課堂教學內容與企業實際新技術產生脫節現象，課程教學內容也要隨新技術進行更新，給工業機器人課程教學帶來了一定的難度。

（2）“雙師雙能型”師資欠缺。課程內容既涵蓋了工業機器人分類、結構、操作編程等通用理論技術，還包含搬運、焊接、碼垛、噴涂和裝配等多種實際應用操作。教學內容與企業生產聯系十分密切，例如，搬運、焊接、碼垛、噴涂和裝配等應用均來自企業實踐，對于參與、接觸過工業機器人相關企業實踐項目的技術人員，能夠更好地引導、啟發學生的認知。而目前高等學校缺乏具有工業機器人工程應用經驗的“雙師雙能型”教師，教師在企業工業機器人實踐經驗和創新能力有待提升。

（3）學生學習主動性和積極性不高。課程開設為第七學期，學生面臨著就業、考研、考公務員等職業選擇和準備工作，分散了學生的學習熱情和注意力，致使一部分學生學習專注性不高，學習自覺性、自制性和創新性等意志品質差，導致學習效率不高，教學質量不佳。

（4）實踐平臺嚴重匱乏。工業機器人實踐設備平臺價值量相對較高，由于機械類專業學生眾多，采購多套多種類的實踐設備給學校帶來了較大的資金壓力，尤其是機械類專業在首次開設工業機器人課程時，實驗設備匱乏成為制約課程教學開展的一大短板。目前，肇慶學院機械設計制造及其自動化專業僅有ABB焊接工作站1臺、伯朗特20kg六軸工業機器人1臺和人機協作機器人1臺，由于實驗平臺短缺，給工業機器人實驗教學帶來了較大的挑戰。

4 工業機器人技術的課程創新及改革

針對課程教學過程中存在的諸多問題，對工業機器人技術課程創新及改革采取以下舉措。

（1）案例導入及師資培訓。工業機器人涉及多個學科，課程內容涵蓋機器人技術及搬運、焊接、碼垛、噴涂和裝配等多種應用，課程內容多、更新快，給學生學習、理解和掌握課程相關知識帶來了一定的難度。為了讓學生便于接受、梳理課程內容，教學過程中導入了機器人及搬運、焊接、碼垛、噴涂和裝配等應用的視頻案例，便于學生在學習中更加直觀、感性上認識機器人的理論及應用，也提升學生在課程中的參與程度，同時，將工程實際案例引進理論課堂，例如，搬運應用中機床上下料模塊、輸送模塊、檢測模塊，料倉模塊等部分，為學生展示了經典的工業機器人搬運應用場景。

為了強化任課教師工業機器人課程知識結構體系、應對工業機器人技術的快速革新，課程團隊從優秀案例分享、教學經驗交流、參加學術會議、企業技術交流、慕課、網絡等多渠道獲取學科前沿信息，并將學科前沿與已有經驗（專業知識）相結合，實現課程團隊教師全面創新升級、不斷加強任課教師團隊的業務水平。

（2）任課教師進駐企業。工業機器人技術課程知識面極其廣泛，任課教師的實踐經驗及知識結構有限，需要廣大教師走進企業，接觸機器人的實際應用，提高自己的知識結構及認知，并將實際應用帶回課堂，從而將課堂教學變得更加豐富多彩。上課過程中，我們充分結合產學研合作項目，將實際項目經驗成果引入到課程教學，同時聘任企業導師，選聘企業一線技術人員承擔部分教學任務。

（3）競賽驅動。為了提高廣大師生課程參與度，采用競賽驅動的方式調動大家學習主動性，競賽分為課堂內競賽和課外競賽兩類。課內競賽以翻轉課堂的形式呈現，由任課教師對學生進行分組（3～5人/組），每次課程預留1～2個專業話題（例如，工業機器人的發展概況、工業機器人的分類、RV減速器、諧波減速器、工業機器人的性能指標、工業機器人的運動控制、AGV搬運車、搬運手爪等知識點），分配給相應組別準備，下次課程時由分組成員進行講述，講述結束后，由教師和學生對課程狀態進行評價，提高了學生課程參與程度。課外競賽以互聯網+、挑戰杯為主，并成立了“工業機器人及自動化應用創新小組”，依托擬建立的工業機器人實踐與創新實驗室，開展實踐和創新活動，為廣大師生參加相關競賽提供場地、設備。同時，在競賽過程中獲得的經驗成果可以反補教學，使教學變得更加生動，更加貼近實際應用。

（4）“虛實”結合一體化實踐教學。由于工業機器人實踐設備的嚴重短缺，致使學生對真實的機器人缺乏感性認識，且大型機器人在操作過程中存在一定的危險等狀況，課程引入了虛擬仿真技術，利用計算機圖形學技術，可以有效地達成機器人的相關操作，使教學易懂、易學，完成教學的目標。

5 結語

智能制造被譽為第四次工業革命，工業機器人等新興技術是推動現代制造業智能化升級的核心動力之一。本文以肇慶學院機械類專業工業機器人技術為例，探索了課程創新和教學改革。

（1）建立了機械類專業工業機器人技術課程的知識、能力和素養三位一體教學目標。

（2）分析了課程教學過程中存在的內容知識面廣、更新快、“雙師雙能型”師資缺乏和實驗設備匱乏等問題。

（3）提出了案例導入、教師進駐企業、競賽驅動和“虛實”結合一體化實踐教學等方法，對課程進行教學改革。