應用型本科工業機器人課程教學改革的探索與實踐*

◆李慶齡

作者：李慶齡，碩士，上海電機學院機械學院講師，研究方向為機械工程（200240）。

1 引言

近年來，由于現代技術的發展、產業結構的調整和產業能級的提升，勞動力市場對技術型人才的需求不斷旺盛。為了適應社會新的需求，實現與傳統本科院校的錯位競爭，很多新升本科院校將學校定位于培養適應社會需要的高層次應用型人才，實施“技術應用型本科教育”[1-2]。上海電機學院提出“培養本科層次技術應用型人才”的人才培養定位，并確立了“技術立校，應用為本”的辦學指導方針[3]。

工業機器人技術是近年來新技術發展的重要領域之一，是計算機、自動控制、傳感器、先進制造等領域技術集成的典型代表。這一技術在工業、農業、國防、醫療衛生、辦公自動化及生活服務等眾多領域有著越來越多的應用[4-5]。社會對掌握機器人技術的人才需求旺盛。作為技術應用型院校，為努力培養適合市場需要的技術應用型人才，上海電機學院開設了“工業機器人”這門課程。機器人是機械類專業學生的一門專業課，課程的開設與學院培養應用型人才的目標是一致的。本文對工業機器人課程教學現狀進行分析，指出目前教學中存在的問題，提出相應的改進措施。

表1 工業機器人課程主要內容及學時分布

2 課程性質與特點

“工業機器人”安排在本科的第七學期，是唯一一門系統介紹某一設備的課程，主要內容與學時分布如表1（包括4學時實驗）所示。根據應用型本科的辦學理念，課程內容側重實踐和應用，注重理論和應用技術緊密結合。通過本課程的學習，要求學生理解掌握機器人的基本概念和基礎理論，掌握典型工業機器人的機械結構、運動分析，理解動力學原理和機器人控制技術并能進行簡單的機器人編程。培養獨立思考和分析問題的能力，使得學生能夠在較短的時間內掌握生產現場最需要的工業機器人的實際應用技術，為今后從事工業機器人使用和相關研究工作打好基礎。

3 教學過程中存在的問題

3.1 課程內容綜合性強，各章節知識點較獨立

本課程主要講述工業機器人的基本組成、機械結構、運動學、環境感覺技術、控制系統、機器人編程等，包括機械學、自動控制、傳感技術、計算機等相關內容。學習這門課程需要較多知識儲備以及一定的數學基礎，學習時需要將各種知識綜合運用。學生普遍感到學習內容廣、涉及知識面寬、綜合性強，嚴重影響了學習的積極性。另外，機器人課程各章節之間內容相對比較獨立，由結構到運動學，由運動學到控制，沒有一個貫穿的主線，使得學生在學習過程中容易分不清前因后果。

3.2 重講授，學生獨立思考少

授課過程中以教師講授為主要方式。傳統填鴨式教學方式在采用現代多媒體教學手段時顯得更加不合理。采用幻燈片授課，雖然能讓教師從繁重的書寫任務中解放出來，提高教學效率，但是一掠而過不留痕跡的做法讓學生根本無暇進行獨立思考，有時一堂課下來學生對授課內容都沒有印象，致使授課效果變差。

圖1 基本案例在教學中的應用

3.3 重理論輕實踐

本課程對學生的動手能力要求較高，然而目前的課程設置中比較側重理論部分，實踐環節相對薄弱。在總課時32學時中，實驗只占4學時，這對掌握機器人應用技術來說是遠遠不夠的。且均為驗證性實驗，不能激發學生的學習積極性，沒有真正提高學生的實踐動手能力。

4 改革措施與實踐

針對目前教學中存在的問題，根據上海電機學院的辦學方針，結合課程本身特點和現實情況，總結課題組多年教學經驗，提出改革措施，并在課程教學中進行一系列嘗試。

4.1 合理安排教學內容，由淺入深逐步遞進

針對課程內容綜合性強，各章節知識點較獨立的問題，教師在教學過程中要合理安排課程內容，找到貫穿各章節的主線，理清各知識點的前因后果。先從機械專業學生比較熟悉的機械結構入手，通過對機器人三大組成部分（機械部分、控制部分、傳感部分）之間關系的講解，進入機器人的控制系統和環境感覺技術的學習。機器人運動學的部分理論性較強，學習起來相對吃力。遵循由淺入深、逐步遞進的原則，先介紹齊次坐標和位姿描述等基本概念，在對機器人的位姿分析的基礎上，引入機器人運動學方程建立的方法和步驟，既要使學生掌握關鍵知識，又不過多糾纏于繁瑣的公式推導。最后講解機器人編程，使學生對機器人控制的認識提高到實際操作的層面上來。

另外，在講每個章節時，適當引入相關知識的前沿進展、最新的成就成果，既擴大了學生的知識面，又提高了學習興趣。

4.2 采用案例教學，改進教學方式

1）豐富實例激發興趣。在進行新的知識點講解前，通過圖片、視頻等多媒體技術，將收集的教學案例展現在學生面前。以實驗室現有的FANUC機器人為一基礎案例，并將該案例貫穿到整個教學過程中，把機器人各章節內容有機地聯系起來，如圖1所示。在講解案例過程中指出相關知識在該機器人上的應用并提出問題，目的是引導學生將課堂理論與應用實際有機結合在一起。由于這個實際案例就在學生身邊，拉近了理論知識與學生的距離，能夠激發學生積極思考，增加學習興趣，同時又能提高學生解決實際問題的綜合能力，授課中取得了較好的效果。

2）注重課堂互動。在課堂教學中，一改傳統填鴨式教學，采用啟發式、引導式教學，鼓勵學生進行討論。例如，機器人機械結構部分內容相對枯燥乏味，教師在講解時將各部分結構設計的要點以及常用的運動形式指出；然后讓學生利用機械原理及機械設計中學過的知識，設想和討論可以實現相應運動的機構有哪些，可以采用什么樣的驅動方式；最后鼓勵學生自己做一套完整的機器人機械結構方案，由教師對相應方案做出評估。

在機器人應用現狀和未來前景等較活躍的領域開設課堂互動內容，鼓勵學生從最新的科技文獻、新聞甚至與相關專家的交流中去了解獲得，搜集整理第一手資料。這不僅提高了學生的學習興趣和主動性，也活躍了學生的專業思路。

3）增加現場教學環節。機器人中有些內容和概念比較抽象，比如機器人的自由度、精度、坐標系和機構簡圖等，學生理解起來會有困難。采用現場教學法，先由教師提出思考題，讓學生通過對實際機器人的觀察進行思考。然后教師結合機器人的運動對每個概念進行講解，最后集體討論。

坐標系在機器人學習和使用中是一個很重要的概念。常用的有全局參考坐標系、關節參考坐標系和工具坐標系。機器人可以相對于不同的坐標系運動，在每一個坐標系中的運動都不相同，學生很容易產生混淆。利用現場教學法，講到每一個坐標系時，可以操作機器人讓其在相應坐標系下運動。設定同樣的參數，最終到達的位置不同，形象直觀地展示出不同坐標系下的運動。

現場教學法給學生提供了充分的想象和思考空間，加深了對相應知識點的理解，效果比較顯著。

4.3 改革實驗教學內容，注重理論聯系實際

課題組結合實驗室現有條件，在機器人認知和機器人編程兩個實驗的基礎上，自主開發FANUC機器人故障診斷實驗。實驗時，教師預先設置機器人常見故障，要求學生對工業機器人運行過程中故障進行診斷，能根據系統報錯代碼判斷故障含義及原因，并通過實驗排除故障。故障排除后，能重新校準初始位置，并在新坐標系內實現系統正常運行。該實驗具有一定的綜合性，能夠鍛煉學生靈活運用所學知識分析問題、解決問題的能力。

雖然在實驗過程中，不免會碰到各種各樣的問題，有時可能會找不到原因，但學生學習興致很高，小組里每一名學生都會積極查找故障原因。學生反映這個實驗雖然難度較高，但能讓他們體會到用自己掌握的知識解決實際問題的成就感，提高了學習的積極性。

4.4 注重師資培訓，及時更新教學內容

工業機器人涉及許多專業領域，對任課教師知識的廣度和深度有較高的要求，同時還要保持知識技能的不斷更新。上海電機學院采取鼓勵青年教師攻讀博士學位、派遣教師到企業掛職鍛煉、青年教師“導師制”等措施，加強師資隊伍建設，形成一支具有一定科研能力的教師隊伍。

5 結束語

本文結合學校實際情況，探討應用型本科“工業機器人”課程教學中存在的問題和相應改革措施。課題組將其應用于平時教學中，授課效果有了一定的增強。但教學改革是一個長期積累的過程，需要教師不斷探索，并在實踐中繼續改進和完善。

[1]夏建國.技術應用型本科院校辦學定位思考[J].高等工程教育研究,2006(6):80-83.

[2]王洪,高林,楊冰.應用型大學是高等教育大眾化的必然結果[J].教育與職業,2006(12):5-7.

[3]夏建國.技術本科創新型人才培養：定位、特征與思路[J].中國高教研究,2011(7):67-68.

[4]張建偉.現代智能機器人前景及技術[J].先進技術研究通報,2009(3):1-2.

[5]郭洪紅.工業機器人技術[M].西安:西安電子科技大學出版社,2007.