新工科背景下面向先進制造領域的機器人實踐教學方法研究

摘要：為貫徹新工科教育理念，滿足先進制造領域對人才的迫切需求，分析當前本科高校在機器人專業和課程教學中的現狀及面臨的問題，重組實驗實踐教學資源，組合搭建面向先進制造技術應用的機器人綜合實踐平臺，提出實踐教學改革方案，以滿足不同層次要求的機器人教學目標，設置從基礎操作掌握、技能方法實踐、工程應用創新的漸進式能力培養過程和科學管理評價體系。為探索機器人技術實踐教學和新工科人才培養提供了經驗。

關鍵詞：新工科工業機器人教學改革實踐教學

中圖分類號：G642.0文獻標識碼：A

ResearchonPracticalTeachingMethodsforRobotinAdvancedManufacturingUndertheBackgroundofNewEngineering

ZHENGBo*LIXiaoleiXUJingxiaGUOShiruiCUILinlinCUIYinghao

CHENYongqian

SchoolofMechatronicalEngineering，ZhongyuanUniversityofTechnology，Zhengzhou，He’nanProvince，450000China

Abstract：Inordertoimplement thenewengineeringeducationconceptandmeettheurgentdemandfortalentsinthefieldofadvancedmanufacturing，thispaperanalyzesthecurrentsituationandproblemsfacedbyundergraduateuniversitiesinRoboticsmajorandcourseteaching，reorganizesexperimentalandpracticalteachingresources，combinesandbuildsacomprehensiverobotpracticeplatformfortheapplicationofadvancedmanufacturingtechnology，proposesapracticalteachingreformplantomeettheRobotteachinggoalsofdifferentlevelsofrequirements.Aprogressiveabilitytrainingprocessandscientificmanagementevaluationsystemaresetupfrombasicoperationmastery，skillmethodpractice，andengineeringapplicationinnovation，whichhasprovidedexperienceforexploringpracticalteachingofRobotTechnologyandcultivatingnewengineeringtalents.

KeyWords：Newengineering;Industrialrobots;Teachingreform;Practicalteaching

在智能制造技術迅速推廣和廣泛應用的背景下，機械制造業裝備水平不斷提升，生產模式不斷更新和演化，且呈現出多學科、多領域交叉融合的趨勢，這對從業人員的知識結構和專業能力提出了全新的要求。新工科教育旨在應對這些挑戰，通過更新教育理念和教學方法，培養能夠適應未來技術發展需求的高素質工程技術人才，可應對多學科交叉融合的工程需求[1]。

工業機器人作為高檔數控機床和機器人裝備技術的一部分，屬于“中國制造2025”規劃中“制造業十大重點領域”之一[2]，是智能制造體系中的關鍵環節，其在提高生產效率、保障產品質量及促進制造流程創新等方面發揮著至關重要的作用。在實際生產中，工業機器人的應用不僅需要相關人員具備牢固的工程技術基礎，還要求他們具有跨學科、跨領域的綜合能力，能夠應對工業機器人在特定工作場景中的實際工程問題。。

因此，通過工業機器人及其應用的實踐教學，尤其是與特定應用領域相結合，采取研究式、項目式教學方法，可以在綜合實踐能力方面有效鍛煉學生，以及解決復雜工程問題和實現復雜工程目標的能力。在這一教學實踐和探索過程中，能夠積累多學科交叉融合的人才培養經驗，并構建相應的教學模式。有助于提高相關理論課程和實踐教學環節的質量，培養學生的工程素養、實踐能力和創新精神，滿足現代制造業的實際需求。

1機器人教學問題與現狀分析

1.1工業機器人教學現狀

工業機器人是一門知識領域交叉性較強的學科，涉及的理論知識包括機械原理、機械設計、運動學與動力學、自動控制理論及應用、傳感器和檢測技術、程序設計相關課程，在理論教學與學習上較為抽象、知識密度大。在實踐上，工業機器人實踐包含機器人運動示教控制、程序設計編寫與調試、作業功能實現等多個目標，實踐環節任務復雜[3]。

目前，多數本科高校中，機器人技術教學存在兩種模式。一種是將“機器人技術”作為傳統機械工程及自動化類專業、下的一門課程進行設置，通常以機器人學導論和機器人學基礎課程的形式設置；此外，隨著國家對智能制造領域發展的重視，2015—2023年，陸續有367所高校開設專門的“機器人工程”專業[4]。這類專業在課程設置上普遍將機械原理、機械設計、電氣自動化、微機原理、高級語言程序設計作為專業核心課程。從單一課程教學和學科專業設置兩個層面，機器人教學目標與教學方法的需求呈現多層次的特點。

1.2工業機器人教學存在的問題

隨著機器人技術課程、機器人工程專業的廣泛設立，教學方面也存在相關問題。對于如何在本科階段培養具備機器人工程素質背景的人才，還需要專門的探索途徑。

目前在本科高校的機器人工程專業和機器人技術課程的教學中，最突出的存在的問題是理論教學與實踐環節脫離的情況。在教學上，由于課程設置歷史沿革、師資隊伍背景等多方面原因，多數機器人工程專業課程側重對機器人技術理論教學，其主要知識框架基于傳統的機器人學體系，主要內容包括機器人運動學、動力學、軌跡規劃、控制理論等[5]。學生們通常對工業實際應用中的工業機器人形式、結構和應用方式缺乏了解，也不清楚使用工業機器人能實現哪些作業場景及其具體特征，很難形成面向實踐的知識結構體系，被動接受理論知識，無法實現對學生工程思維和創新能力的激發，阻礙了知識水平向工程實踐能力的延伸拓展，難以滿足制造業對人才的需求。

在實踐教學方面，機器人技術課程與專業兼具理論性與實踐性，實踐部分對于學生理論與實際相聯系結合的能力培養具有重要意義。然而，由于工業機器人技術相關的實踐部分對實驗實踐設備與硬件平臺存在依賴，而工業機器人設備又具有資產價值高、復雜精密，管理要求細、安全防范要求高等特點，通常作為大型精密儀器設備管理，在本科教學環節的使用受限[6]。實踐教學需要投入大量的師資力量、人力資源和管理維護成本，構建完善的實踐教學流程和評價體系難度更高。這些因素也阻礙了應用工業機器人廣泛開展實踐教學[7]。

產教研融合不充分，創新實踐能力培養潛能待發掘。在高校中，機器人技術方面多側重碩士和博士研究生階段的人才培養，難以滿足制造業對大量人才的需求[8]。在本科階段，相關人才的培養薄弱，對本科教學方面的滲透和影響有限，導致產教研結合程度較低、結合模式不成熟，學生接觸實際問題、接觸科研前沿的機會少，難以培養學生的工程素養和研究能力[9]。

2教學改革設計

2.1面向先進制造技術的實踐教學總體思路

激光加工制造是先進制造技術重要領域之一，本項目所依托教學和科研團隊，在該領域積累多年經驗，建立了激光智能制造技術實驗室，在完成科研任務同時，也承擔機械類、材料類學科的本科教學活動，開設了激光加工技術、增材制造技術等相關課程。激光加工具有激光束可控性強、精度高、非接觸加工等特點，易與包括機器人在內的智能制造設備結合，實現加工自動化、柔性化，在精密加工、復雜結構加工及批量自動化生產等領域具備明顯優勢[10]，適合應用于工業機器人實踐應用的作業場景。

結合相關教學科研團隊在激光加工和機器人應用領域的經驗和積累，整合現有實驗設備等硬件資源和師資等軟件條件，設計了面向先進制造的工業機器人實踐項目。旨在通過與先進制造技術相結合，通過任務式、項目式實踐環節，讓學生對工業機器人在實際生產中的應用方式有實際了解；在此過程中，讓學生熟悉以激光制造為代表的先進制造技術，融合思政教育環節，培養學生對制造業前沿探索的興趣和熱情，鍛煉學生解決實際工程問題的能力，培養具有多學科交叉能力基礎、滿足“新工科”人才培養需要。

2.2實踐教學內容設計

面向先進制造的工業機器人實踐教學體系設計，如圖1所示，以滿足不同層次的機器人教學培養需求為目標，以理論教學為基礎，實踐教學為核心，圍繞激光制造應用場景，設立多層次實踐教學目標體系，旨在培養學生工程創新實踐能力。通過科學規范化教學環節和教學評價制度，建立面向先進制造技術前沿的實踐教學模式，并為相關領域學科競賽、產學研融合等活動提供支持。

2.2.1理論教學基礎

工業機器人實踐培養的學生來自多個學科專業方向，既包括機器人工程專業，也包括機械、機電、自動化等相關專業，呈現多層次培養目標和培養背景的特點。由于學生背景和培養目標各異，需規范、系統地梳理學生在參加實踐學習前應掌握的前置理論知識。學生應具備機械原理、機械設計等專業基礎課程知識，以及傳感檢測技術、機電控制、自動化等方面的原理及應用，在專業課程中學習機器人技術基礎知識，包括機器人運動學、動力學、機器人控制、軌跡規劃、機器人編程等知識。特別地針對實際應用廣泛、與實驗實踐平臺相對應的六軸工業機器人進行重點講解，以建立理論知識和后續實踐實驗的對應。

2.2.2漸進式能力培養

在理論教學和學習的基礎上，通過實踐教學目標的層次化設置，對學生能力水平實現漸進式培養，滿足不同專業或不同課程對機器人實踐的需求。在實踐過程中，針對學生能力，設置基礎操作掌握、技能方法實踐、工程應用創新三個層次的實踐目標。

在基礎操作掌握層次，學生應重點掌握工業機器人操作的基本方法，熟悉工業機器人的結構及關節等組成部分，了解工業機器人實踐實驗平臺的設備組成、工作原理和作業過程。掌握不同運動模式下機器人的手動操作、編寫運動程序、設置坐標系參數、設置I/O信號等基本操作方法。在這一層次，學生應掌握工業機器人操作實踐的一般方法，具備在實驗實踐工作站平臺安全、正確操作機器人設備的能力。

在技能方法實踐層次，學生應在掌握基礎操作能力的基礎上，完成實際實踐項目中的既定的具體目標。如根據機器人實驗實踐工作站的設備硬件，讀懂電氣原理圖，連接和配置對應信號，按要求通過示教編程或離線編程進行軌跡規劃、控制程序邏輯執行并調試解決運行中出現的可能問題。在這一層次，學生通過對基礎操作的能力的綜合應用實踐，解決實際項目中的某一部分具體問題，鍛煉學生在實踐中應用基礎技能，驅動解決實際問題的能力。

在工程能力應用層次，以項目式實踐為手段，向學生提出基于實際工程任務項目的目標，如針對某一零件進行激光加工、激光熔覆，學生以分組形式進行實踐活動。針對這一具體任務，分析激光加工工藝要求、零件加工特征等，并將加工工藝要求轉為機器人運動軌跡和程序、各設備參數配置和作業環境的調整等。并在實驗實踐中，根據實際實踐情況，分析遇到的問題，找出解決方案優化。通過這一層次的實踐活動，學生經歷工程項目實踐的全過程，鍛煉學生綜合應用基礎技能方法，解決工程實踐問題的能力，通過小組共同實踐，鍛煉通過溝通、交流、合作解決問題、完成任務的能力，培養面向工程實踐創新的綜合素質能力。

2.2.3綜合性實踐教學平臺搭建

本項目相關團隊在激光制造和機器人技術方面具有積累優勢，結合應用工業機器人，建設了多種類面向激光加工、智能制造的虛擬仿真教學平臺和實驗實踐硬件平臺[11-12]。通過整合現有硬件資源，為學生提供多樣化的項目式實踐環境。

（1）機器人虛擬仿真實踐項目。

基于虛擬仿真引擎技術開發的機器人仿真平臺，可設置參數模擬機器人運動姿態，并通過與機器人本體連接通訊，模擬機器人實際運行過程的狀態，實現虛實結合孿生仿真，仿真平臺軟件界面如圖2所示。學生通過在該平臺的學習，熟悉工業機器人本體結構、運動模式和基礎操作，建立直觀了解與認識，節省在實機平臺學習操作的時間，為正確、安全實踐打好基礎。

（2）機器人高速激光加工。

高速激光熔覆工作站由6kW國產多模光纖激光器、高速熔覆激光頭與噴嘴、FANUCM20-iD六軸工業機器人系統、機器人移動滑軌、3t回轉工作臺、精密送粉器等設備組成。可實現對軸、輥子等回轉零件的表面激光加工與熔覆，工作站及設備組成結構如圖3、圖4所示。其中，激光熔覆頭配備CCD視覺同軸成像系統，可在加工中實時觀測路徑工藝質量。學生可通過該平臺了解工業機器人集成電氣控制設備、PLC設備的技術方法，學習機器人、工作站及其他機械設備的電氣集成、安裝和調試。在學習了解六軸工業機器人機械結構和運動特性的基礎上，結合機器人運動導軌、回轉工作臺的集成，了解工業機器人集成外部軸進行聯動作業的方式。通過高速激光熔覆設備，在金屬平面基板、金屬回轉件表面進行激光熔覆操作。通過實踐，學生可了解如何制定合理的激光加工參數（熔覆速度、激光功率、送粉量等），并將工藝參數轉換為機器人工作站作業參數。通過同軸CCD攝像機和圖像軟件提供的接口功能，學生可嘗試編寫程序實現軌跡自動跟蹤優化等機器人視覺功能。

（3）機器人寬帶激光旁軸熔覆實踐。

大功率寬帶半導體激光熔覆工作站，由4kW直接輸出式半導體激光器、ABBIRB4600-60/2.05型六軸工業機器人系統、兩軸工件變位機、三維柔性焊接工裝平臺、混合送粉器等設備組成，工作站如圖5所示。通過該平臺，可指導學生如何針對待加工零部件的特征，利用兩軸工件變位機、三維柔性焊接工裝設計合理的工裝方案，學習六軸工業機器人外部附加兩軸聯動的機電連接方式、運動模式、示教和程序編寫等，并應用于復雜表面的異型零件加工任務中。

（4）機器人柔性激光清洗。

柔性激光清洗工作站，由300W激光清洗機、ABBIRB4600-45/2.05型六軸工業機器人組成，工作站如圖6所示。學生通過該平臺，可實踐如何根據待加工零部件特征，利用兩軸工件變位機、三維柔性焊接工裝平臺設計合理的工裝解決方案，利用激光清洗機光斑靈活可調的特點，初步了解加工過程中激光特性（掃描頻率、脈沖寬度、激光頻率等）與加工工藝之間的關系。針對不同特征的零件，通過軌跡規劃、示教編程、離線編程等形式，設計合理、高效的清洗路徑。

（5）機器人自動化裝配工作站。

機器人智能焊接工作站，由搬運碼垛機器人、焊接機器人、焊接工作臺、板鏈傳送帶和電氣控制設備組成，可實現零件的自動上料、夾裝、焊接、打磨、下料等工序，工作站如圖7所示。學生可通過該平臺，實踐了解工業機器人集成于自動化生產流程的應用，集成機器人實現與傳送板鏈、各類傳感器之間的電氣集成、信號交互、協同作業等目標，實踐多機器人協同的軌跡規劃、示教編程、生產節拍調試等工作。

2.2.4科學規范實踐教學管理評價

機器人實踐教學活動是一個綜合性實踐教學環節，機器人及工作站、實驗實踐平臺的實踐操作本身具備設備組成復雜、操作要求較高的特點。結合激光加工的機器人應用，又增加了一個維度的實踐要求，且實踐活動設計要求滿足從專業級到課程級的不同教學要求，在實踐教學不同階段對學生實踐層次要求也各不相同。因此，在機器人實踐教學活動中，規范科學、安全、合理的實踐教學管理、評價機制尤為重要。

在實踐教學的過程管理中，可以通過將實踐教學環節分階段進行詳細規劃和管理。根據節點控制法，從設定實踐目標、實施教學過程、考核評價、反思優化等環節展開管理。關鍵在于確保實踐目標與考核評價相互匹配，實踐過程與教學硬件軟件環境相適配，以及管理過程與師生之間的互動協調，全面反映實踐教學過程。在全過程管理流程中，重視安全實踐目標，在實踐活動開展前，以理論講授、現場示范、案例展示等多種形式，向學生強調安全實踐的理念，明確實踐環節中可能的安全風險點，通過這一過程，培養學生工程素養中的工程安全思維。

在考核評價方面，可以通過學生實踐任務準備、實施過程、結果反饋等環節交叉多層次設置實踐教學目標，以綜合考察學生的實踐能力。采取多種方式，鼓勵分組實踐中各個學生參與實踐的積極性，避免小組實踐環節學生參與程度不均衡的現象。不以單一的實踐考核結果為考核標準，力求考核評價結果反映學生在實踐活動中的能力提升水平。

2.2.5思政元素全環節貫通

機器人技術和激光加工技術，是反映先進制造裝備和制造技術領域的典型[13-14]，特別是近年來，我國高校、企業在這些領域都取得了突飛猛進的發展，非常適合在教學過程中貫徹思政元素。在實踐教學各個環節的指導中，教師可以通過比較國內外機器人裝備和激光加工技術的發展情況，引導學生認識到我國制造業的快速發展優勢，激發學生的民族自信心和科技報國的熱情。在學生實踐環節，可引導學生培養積極思考、嚴謹細致、務實求真的素養品質，與“大國工匠”精神和案例相結合，使學生了解工匠精神對制造業人才的重要性，樹立正確的職業價值追求，實現思政教育要求的落實。

2.2.6支持學科競賽、產學研活動等

通過機器人實踐教學活動為先導，逐步建立在創新人才培養、學科競賽活動和研究性活動方面的人才選拔培養機制。在機器人實踐教學中激發學生對深入學習的興趣和動力，鼓勵有能力和高素質的學生參與機器人學科競賽，同時引導有深造意愿的學生參與機器人技術和激光加工領域的科研活動，為相關領域提供人才基礎。

3結語

在工科類高校專業中，機器人技術專業和課程目前處于快速發展階段，機器人教學與實踐由于涉及多學科交叉、教學目標層次多樣等特點、面向實踐應用特點強、實踐教學投資和管理門檻高等特點，在該領域亟待探索出面向制造業迫切需要的人才培養機制。本文結合相關教學和科研團隊在機器人技術教學、研究和在先進制造領域應用的突出特點和優勢，嘗試了一種面向先進制造領域的機器人實踐教學方法，力求培養符合新工科人才要求的工程實踐能力強、多學科交叉背景豐富、綜合創新能力與工程素養高的新型復合型人才，滿足先進制造領域、機器人技術領域對人才輸送的迫切要求。

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