多級分層項目化教學在工業機器人控制技術課程設計中的改革研究

摘"要：隨著機器人的應用領域越來越廣泛，機器人行業對人才的需求越來越高，應用型高等院校必須與時俱進，更新教學設備和教學內容。針對工業機器人控制技術課程設計教學中存在的問題展開分析，提出基于分層式項目化教學理念設計教學環節，使學生能夠在實踐教學中由被動變為主動，增強實踐教學效果。同時以項目為驅動，更新教師知識儲備，提升教師的工程實踐能力，達到教學相長的目的，共同提高本專業在社會的影響。

關鍵詞：多級分層；項目化教學；課程設計；工業機器人

中圖分類號：G642.0

Research"on"the"Reform"of"MultiLevel"Hierarchical"Project"Teaching

in"the"Course"Design"of"Industrial"Robot"Control"Technology

Zhang"Ying*"Qiao"Guifang"Liu"Xiangling"Liu"Di"Yang"Juan

Nanjing"Institute"of"Technology"JiangsuNanjing"211167

Abstract：With"the"more"and"more"extensive"application"of"robots，the"demand"for"talents"in"the"robot"industry"is"getting"higher"and"higher.Applicationoriented"colleges"and"universities"must"keep"pace"with"the"times"and"update"teaching"equipment"and"teaching"content.This"paper"analyzes"the"problems"existing"in"the"course"design"teaching"of"industrial"robot"control"technology，and"puts"forward"the"design"of"teaching"links"based"onnbsp;the"multilevel"hierarchical"project"teaching"concept，so"that"students"cannbsp;change"from"passive"to"active"in"practical"teaching，and"enhance"the"effect"of"practical"teaching.At"the"same"time，driven"by"the"project，the"knowledge"reserve"of"teachers"is"updated，the"engineering"practice"ability"is"improved，the"purpose"of"teaching"and"learning"is"achieved，and"the"influence"of"the"major"in"the"society"is"jointly"improved.

Keywords：multilevel"hierarchy；projectbased"teaching；course"design；industrial"robots

1"課程現狀

當前機器人已經滲透于人們生活的各個方面，除了工業機器人之外，其他形式的機器人如電力巡檢機器人、醫療機器人、物流機器人等也較為常見［1］。而在當前機器人工程專業的課程教學體系中，教學對象依然主要是工業機器人，對其他類型機器人幾乎沒有涉及。因此，為保持并提升我校機器人工程專業在同類型高校的領先地位，也為適應當前機器人技術領域的發展趨勢，增加機器人操作系統ROS、智能機器人、移動機器人等相關理論課程與實踐課程勢在必行［2］。縱觀機器人工程專業的課程體系［3］，并結合當前課程的教學內容，對工業機器人控制技術課程設計進行改革和建設比較合適，本課程的主要現狀如下：

工業機器人控制技術課程設計是為機器人工程專業工業機器人控制技術課程服務的實踐性教學環節，目的是幫助學生完成從專業理論到工程實踐與科學研究的認識過程，培養學生綜合運用工業機器人控制技術等課程的有關理論和技術知識解決實際問題，進一步提高查閱參考資料、C/C++程序語言設計、機器人單軸控制、機器人正逆解及機器人軌跡規劃等能力的重要環節。通過課程設計，使學生進一步掌握工業機器人控制系統設計的基本原理，能夠綜合運用數學、力學、計算機、機械、自動控制等多種學科知識，具備分析并解決機器人主要問題的能力。課程的主要內容包括：

（1）模塊化可拆裝串聯機器人系統組成及工作過程。本部分內容包括模塊化機器人控制系統、機械系統的組成、機器人單模塊運動方法。

（2）機器人的示教編程和再現控制，包括機器人示教與再現的原理及操作方法，通過對機器人各軸的控制和手爪的控制完成工件的搬運與裝配。

（3）機器人鏈接庫/控制卡鏈接庫函數的功能及調用，包括機器人鏈接庫/控制卡鏈接庫的VC應用程序編制方法，通過對機器人鏈接庫/控制卡鏈接庫的調用實現對機器人的二次開發，實現機器人復位、單軸運動、狀態檢測等多種控制。

課程的主要實踐平臺為六自由度模塊化串聯機器人，在結構、控制等設計思想中靠近工業機器人，并按工業標準設計，是現階段教學和工業上機器人的主流和方向。機器人包括六個單一模塊，每個模塊可以獨立運行操作，并能按照統一接口組合成二至六自由度機器人，每種自由度可實現不同的操作功能。模塊采用透明式封裝，可以直觀地看到內部傳動結構、運行情況。模塊內部傳動結構完全體現工業機器人特點并微縮，而且結構多樣化。設計中采用了工業上常用到的諧波減速、行星減速、同步帶傳動、蝸輪蝸桿傳動以及齒輪傳動等主要結構形式。

2"本課程主要問題分析

本課程設計當前教學存在的主要問題分析如下：

2.1"實踐教學內容不足以滿足實際應用需求

應用型本科院校的實踐教學中應更好地體現當前社會與相關企業的人才需求，當前智能機器人應用缺口較大，而目前機器人工程專業的培養計劃沒有涉及移動機器人、ROS等主流技術。實踐教學和理論教學目標及社會需求存在偏離，對學生的學習興趣和工程實踐能力的提升作用不夠，對學生就業競爭力的提升作用不明顯。

2.2"實踐教學平臺不足以滿足不同能力層次的學生

從2020級開始，機器人工程專業學生總共有4個班，每個班有35人左右，本課程持續時間為1周。而本課程設計現在可供使用的機器人有6套，已經不足以支撐大規模教學需求。而且當前實踐平臺種類單一，盡管該機器人采用模塊化設計理念，體現了可拆裝的優勢，然而在實際操作的過程中，拆裝并不方便，而且該機器人操作精度較低，不足以滿足不同能力需求的學生提升自身的能力，不足以培養工程應用能力強的學生。

2.3"實踐教學環節的考核和評價體系不夠科學

由于實踐環節質和量的評價標準難以規范，使實踐教學的考核難以量化，如果將過程考核作為重要的評價方式，又會增加教師的工作量。因此大多數的實踐環節只能根據學生參與的情況給出印象分，因此學生對實踐環節也就不重視，從而導致工程實踐能力提升不夠。

3"課程改革實施方案設計

3.1"補充完善開放性較好的項目化實踐平臺

利用如圖1所示的智能機器人實驗室的智能移動機器人底盤和度機械臂，開發適合于本課程的實踐案例。該移動機器人使用ROS機器人操作系統，包超聲波傳感器、深度視覺傳感器、激光雷達、陀螺儀、里程計等，同時該平臺具有較好的開放性和可擴展性。基于此平臺設計的教學內容，要求能力較好的學生完成對應于六自由度串聯機器人的實踐內容。如圖1所示為移動機器人底盤及機械臂實物圖。

3.2"分層式項目化教學構思與設計

對于課程設計的內容建設為難易程度不同的兩組進階式項目庫。如圖2所示，項目庫一供學習能力基礎一般的學生完成，項目庫二供學習基礎較好、對自身能力要求較高的學生完成。每組項目包含三個階段：初級階段、中級階段和進階階段，對應不同難度和類型的項目。

項目庫一采用的實踐平臺為當前課程設計采用的六自由度模塊化串聯機器人，將原來零散的教學內容設計為項目的形式。項目庫二采用新增的移動式機械臂，配備了不同種類的多種傳感器，系統的開放性較好，學生可以自主設計。

初級階段的項目以教師引導為主。通過教師的教授，系統地為學生介紹工業機器人系統結構、技術參數以及相關的數學基礎，使學生能夠建立本課程的基本知識框架。教師在中級階段的項目中逐漸擺脫主導地位，在實踐教學過程中突出學生的主體作用，實踐教學內容向更高層次的知識與工程應用擴展。學生的主體作用在高級階段進一步加強，實踐教學中的項目規劃應注重學生綜合能力的培養。

3.3"完善改革分層式項目化教學的考核評價方式

在實踐教學實施過程中，充分考慮學生的自身特點以及項目支撐的理論知識點進行任務分配。對于普通的學生，安排項目庫一的題目；對于基礎較好且有能力需求的學生，安排項目庫二的題目。其中，初級與中級階段的項目要求所有學生必須完成，而進階階段項目根據組員在前期項目的完成效果和效率進行任務分配，并且每個項目組至少完成其中一個項目。不同組完成相同項目時，具體的技術指標不同。

隨著實踐項目階段的逐漸推進，項目的完成難度和所占比重也逐步遞增，對實踐考核中的比重進行調整，各個階段重點考慮過程考核，具體的項目階段考核以及實踐總評如下表所示。在完成項目基本要求的基礎上，選擇項目庫二的學生，分數上浮20%，總分最高不超過100分。

結語

本次課程改革將工業機器人控制技術課程設計改革為分層式項目化教學，通過項目驅動促進師生雙方的工程實踐能力。教師全程參與分層式項目的構思、設計、實施及指導，知識結構得到完善，與時俱進，更新自己的知識體系；學生經過小組合作的項目化訓練，提升管理協作能力，項目引領提升解決復雜問題的能力；分層式項目化訓練兼顧不同基礎和能力的學生，整體提升學生對實踐課程的滿意度。通過本次課程改革，將課程內容項目化，形成以工作項目為中心、以行為導向為法則、以學生所需專業知識和職業能力為目的的培養教學模式，將課程專業知識系統化項目化，從實際工作出發進行項目設計。通過分層教學契合學生的實際情況，充分調動學生的主觀能動性，最大限度地挖掘學生的潛能。項目化和分層教學結合，在教師針對性的教學方式下，使學生有目的地學，有興趣地做。

參考文獻：

［1］張蘇慧.機器人應用遍地開花如何做大做強是關鍵［N］.通信信息報，20230705（008）.

［2］黃龍，尹來容，周振華，等.機器人專業課程中的仿真教學探討［J］.科技風，2021（09）：7980.

［3］劉坤，劉娣，畢云蕊.應用型本科機器人專業課程體系建設的探索［J］.中國現代教育裝備，2018（15）：3032.

項目來源：南京工程學院校級教學改革與建設項目“工業機器人控制技術課程設計分層式項目化教學設計與實踐”（基金編號：JXGG2021016），南京工程學院高等教育研究課題“應用型高校《工業機器人控制技術》混合式一流課程建設研究”（基金編號：2022YB17）；南京工程學院教學改革與建設項目，基于成果導向的新工科專業Capstone課程教學改革與實踐（JXGG2021028）；南京工程學院高等教育研究課題，工程教育認證背景下的一流新工科專業的校企協同育人模式研究（2021YB03）

*通訊作者：張穎（1987—"），女，漢族，山西平遙縣人，博士研究生，講師，研究方向：機器人控制。

作者簡介：喬貴方（1987—"），男，漢族，江蘇臨沂人，博士研究生，副教授，研究方向：機器人標定；劉祥玲（1988—"），女，漢族，山東日照人，博士研究生，講師，研究方向：機器人控制；劉娣（1983—"），女，漢族，江蘇盱眙人，博士研究生，教授，研究方向：機器人控制；楊娟（1986—"），女，漢族，江蘇揚州人，碩士研究生，助理研究員，研究方向：教務管理。