机器人技术课程教学改革实践

期刊目录网微电子论文发表2021-12-20 09:29关注(1)

     在机器人产业高速发展的背景下，“机器人技术”课程显得愈发重要，市场对机器人相关人才的需求非常迫切，因此，“机器人技术”课程不仅要为学生打下坚实的理论基础，也需要将实际项目与理论结合起来。在全面深化高等教育教学改革过程中，课程教学改革势在必行。课题组针对“机器人技术”课程存在的问题，构建了课程的改革方案。教改主要通过采用线上线下混合教学、教学内容和考核方式的调整来进行，确保教改效果。

　　关键词：工业机器人；机器人技术；教学改革；线上线下

　　0前言

　　“机器人技术”课程是机械工程、机器人工程等专业的学生需要学习的一门十分重要的专业课程。近年来，机器人产业高速发展，新兴市场迅速开辟，为经济增长贡献了重要力量。我国已成为全球最大的机器人市场，工业机器人、特种机器人、服务机器人等在工业、军工、民生领域发挥显著作用，成为必不可少的设备[1]。目前，机器人技术已经在很多领域得到了应用，比如在工业生产线上利用机器人技术执行焊接、喷涂、装配的工序，再比如餐馆和宾馆中的送餐机器人、物流行业中的分拣机器人以及家庭中的扫地机器人，机器人技术早已与日常工作和生活融为一体[2]。据统计，我国工业机器人在2015—2019年的产量逐年增加。2019年为18.7万台（套），比2018年同期增长27%，增速比2016年和2017年有所放缓，这两年增速分别为120%和81%。工业机器人销量方面，2018—2019年我国工业机器人销量呈下滑趋势。2017年我国市场共销售工业机器人15.9万台，2018年约销售15.6万台，同比下降1.89%[3]。从整体上看，市场对机器人相关人才的需求是非常迫切的。因此，“机器人技术”课程不仅要为学生打下坚实的理论基础，也需要理论联系实际，为学生在有限的课时中设置合适的实践内容[4-7]。在全面深化高等教育教学改革中，对该课程教学改革势在必行，鉴于此，课题组针对“机器人技术”课程教改进行探讨。

　　1课程现状

　　“机器人技术”课程是一门综合性课程，与之相关的课程有电工电子学、单片机原理与应用、传感器技术、PLC原理与应用等。在智能制造的背景下，对工业机器人的技术人员提出了更高的要求。因此，课程必须实现与相关实际工作内容的呼应，让学生学有所成，学有所用。对“机器人技术”课程的教学情况进行总结，表现出以下几方面的问题。

　　1.1教学方式传统

　　在教学的实施过程中，部分教师没有脱离传统的教学模式，采用传统的“灌输式”教学。在这个教学模式中，学生在学习中遇到困难时，是请教老师进行解决，而不是自己想办法去解决问题，这种情况造成了学生的自主能力较差，责任感也不强。1.2理论与实践教学脱节由于缺乏必要的实践条件，教学过程中只能把时间主要集中在理论教学上，实践教学的时间往往很短，基本上只能算是走过场，难以达到应有的实践教学效果。而理论教学失去了实践教学的支撑，成了无本之木，造成理论教学与实践教学脱节现象严重。

　　1.3实践教学与实际工程联系不紧密

　　学生缺乏对企业情况的认知，对企业发生的各种问题缺乏考虑。这种情况就导致学生在做设计时，一方面，由于对企业的实际情况不熟悉，不能很好地设计作品；另一方面，对本身的设计作品认识不足，设计出来的作品不切实际，不能得到很好的应用。

　　2教学改革措施

　　通过本教改课题的实施，解决原有的“机器人技术”课程实践内容不够丰富、理论与实践部分脱节、实践教学投入不足的问题，以基于“知识胶囊”式实践教学法的教学理念，设计实践教学要求和教学方案。在此基础上，重新修订理论教学大纲、课程教学方案以及考核评价体系来对专业课程进行深入改革，并最终实现专业理论课程与实践教学的深度对接。“知识胶囊”这个概念最早来自于豆瓣时间和喜马拉雅等平台，这类平台提供诸如电影解析类、历史解读类等的课程，让人们能够利用碎片时间来掌握知识。对于大学课程来说，“知识胶囊”的模式可以加以借鉴，由于课时有限，老师把机器人实操和一些知识点录制成视频或音频，上传至MOOC或SPOC平台以方便学生查看。从实质上说，这是对教学方式和教学关系的一种重塑，课程不再局限于教室，这对老师提出了更高要求，不但要把握课堂时间，进行理论知识的传授，而且要以通俗易懂的语言，把复杂的实际案例录制成视频或音频，让学生能够轻松理解。“知识胶囊”作为一种重新定义的微课，能够从多方面、多维度吸引学生，让学生对知识有选择性，并且知识也更具有针对性和便捷性。教师的教学质量和学生的学习行为共同决定了课程质量，课堂学习和线上学习都具有一定的特点。其中，课堂学习的优势在于面对面的有效互动，缺点在于学生被动接受知识，不利于培养学生的自主思考意识；而线上学习的优势在于时间的自由、资源的丰富，缺点在于人与人之间的联系较弱。两者相结合才能够发挥出更大的优势。因此，在“机器人技术”课程的改革中，在原基础上转型升级，将整块时间转为碎片化时间，通过雨课堂对学生进行课前和课后管理。在一个章节完成时发送提前录制好的视频和音频，进行线上线下联动，学生需要在线上查看视频并完成题目，视频观看情况和答题情况会折算成平时成绩，通过这种方式培养学生的自主学习能力。在课堂的基础上，教师对知识再进一步深加工，使知识的传授不局限于课堂，保证知识的实时更新和有效链接，更好地配合学生进行理论和实践的结合。各章节知识的“知识胶囊”安排如表1所示，与各个章节结合，使之具有较强的连续性。通过以上方案的实施，达成了一些学习效果，具体内容如下：1）加深对工业机器人的认知。如工业机器人分类、工业机器人的组成，了解工业机器人技术发展过程、典型机器人产品和前沿技术，激发学生的自主学习热情。经过课程的学习，使学生掌握机器人的基本概念，并学会通过ABB、Fanuc、库卡和新松等公司网站查看设备型号和参数。2）掌握工业机器人的环境感知技术。工业机器人感知系统通常由多种传感器组成，用于感知自身状态和外部环境，通过信息来决策和控制工业机器人完成任务。通过学习，学生掌握姿态传感器、力觉传感器、触觉传感器、压觉传感器、接近觉传感器和视觉传感器的工作原理和应用场合。3）掌握工业机器人的通信技术。工业控制网络是计算机网络、通信网络和自动控制技术结合的产物。工业控制网络适应了企业信息集成系统和管理控制一体化系统发展的需要，是IT技术在自动控制领域的延伸，是自动控制领域的局域网。工业机器人作为智能设备在编程、调试、运行、维护的过程中需要通信网络技术，为了和PLC等其他工业设备进行系统集成，需要DeviceNet、Profibus、Profinet、Ethernet/IP等工业网络通信接口。通过课程学习，学生掌握这些接口的物理层接口和协议层的设置。4）掌握工业机器人的控制技术。工业机器人控制系统用于对设备的控制，以完成特定的工作任务，基本功能包括记忆功能、示教功能、与外围设备联系功能、人机接口、传感器接口、位置伺服功能、故障诊断安全保护功能。5）掌握工业机器人的编程。工业机器人编程方式主要经历三个阶段：示教再现编程阶段、离线编程阶段和自主编程阶段。对各种实用性机器人来说，示教再现编程具有诸多优点，是功能实现的最佳途径。录制使用的机器人为一台Fanuc六轴并联机器人，如图1所示，以及一台ABB串联机器人。录制在一定程度上解决了设备数量不足、现场实验教学中学生参与度低的问题。通过线上学习，每位学生都能够身临其境地参与设备的使用。并联机器人系统由电气部分与设备模块组成。电气部分包括：PLC模块单元、触摸屏模块单元、变频器模块单元、电源模块单元、操作箱按钮单元、接线端子排和各种传感器等。设备模块包括：输送线模块、物料存储模块、视觉支架模块、整体框架承载台。ABB机器人型号为IRB120，具有六自由度，平台除机器人外还包括加工单元、装配单元、分拣单元、输送单元和码垛单元。在这两套设备的基础上制作了部分音频和视频材料。课程的考核方式从原来的平时成绩40%和期末考试60%，调整为平时成绩50%和期末50%，其中平时成绩由线下成绩和线上成绩组成。

　　3结语

　　通过线上与线下的结合，让学习不局限在教室中，学生可以利用课余时间，到线上平台观看课后教师上传的视频和音频。在这个过程中，教师要多进行启发，激发学生自主学习的热情，这同时也能提高课堂上学生的参与度，提高教学质量。课程对2017级、2018级机械工程专业学生进行了两轮的教学改革实践，重新设计了课程的教学内容、教学模式和教学方法，专业理论课程与实践教学方案深度对接，线上与线下教学相结合，不断完善成绩评价体系，使课程的改革建设取得良好成效。经过课程学习，学生申报学生项目的热情得到提高，竞赛获奖情况改善，学生评教分数提升，对课程满意度高。

　　作者:郑旸初 王文安

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