雙創背景下“工業機器人系統集成”課程改革與實踐

王丹 陳雷 韋翠華

摘??要：在對“工業機器人系統集成”課程教學現狀及問題分析的基礎上，提出基于“雙創”背景下的課程改革方案，包括教學內容，競賽機制，教學手段，考核方案四方面內容;其次，根據課程改革方案，完成課程改革實踐，主要包括綜合性項目設計和創新性項目設計;通過改革和實踐，在師資隊伍建設方面，提升了工業機器人系統集成領域教師實踐能力;在教學效果方面，提高了學生的興趣，同時幫助其搭建了知識體系，培養了創新能力與團隊協作能力。

關鍵詞： 雙創;工業機器人;課程改革;

中圖分類號：G642.0 ?? 文獻標識碼：?A

Curriculum?reform?and?practice?of?industrial?robot?system?integration?under?the?background?of?"entrepreneurship?and?innovation"

WangDan?ChenLei?WeiCuihua

Guangdong?University?of?Science?&Technology??GuangDongDongguan?543002

Abstract：?Based?on?the?analysis?of?the?current?teaching?situation?and?problems?of?"industrial?robot?system?integration"，?this?paper?puts?forward?the?curriculum?reform?scheme?under?the?background?of?"mass?entrepreneurship?and?innovation"，?including?teaching?content，?competition?mechanism，?teaching?means?and?assessment?scheme.?Secondly，?according?to?the?curriculum?reform?plan，this?paper?completes?the?curriculum?reform?practice，?mainly?including?comprehensive?project?design?and?innovative?project?design.?Through?reform?and?practice，?the?practical?ability?of?teachers?in?the?field?of?industrial?robot?system?integration?has?been?improved?in?the?construction?of?teaching?staff.In?terms?of?teaching?effect，?it?improves?students'?interest，?helps?them?build?a?knowledge?system?and?cultivates?their?innovation?ability?and?teamwork?ability.

Keywords：?Mass?entrepreneurship?and?innovation;?Industrial?robot;?Curriculum?reform

“工業機器人系統集成”是機器人工程專業的一門專業課，是實踐性、綜合性和創新性均要求較高的課程[1]。它主要解決工業機器人系統方面相關問題，該課程的教學改革問題是智能制造類相關領域學者廣泛關注的問題[2]-[3]。2015年3月，國家總理提出把“大眾創業、萬眾創新”打造成推動中國經濟繼續前行的雙引擎之一[4]，雙創教育在此背景下，應運而生。雙創教育是以學生為主體，以教學模式改革為內容，實現提升學生創新創業能力為目標的教育理念[5]。本文從課程教學現狀及雙創背景下的課程改革方案與實踐詳細介紹我校機器人專業“工業機器人系統集成”課程改革與實施經驗。

1?課程教學現狀

我校機器人工程專業于2018年開始招收第一屆本科生。“工業機器人系統集成”課程首次設置于《2018版機器人工程專業本科生培養方案》中，為我校機器人工程專業專干專業課之一。在培養方案中，本課程總學時48學時，均為理論學時，授課時間安排在大四第一學期。本課程于2021年7月參與校企協同育人“人職匹配”項目，目前存在的問題有：

（1）課程教學內容有待優化。在本課程教學中，根據教學大綱安排，48學時主要對工作站組成，工作站應用進行認知性學習，缺乏創新性、綜合性的引導實踐內容的教學。

（2）課程教學方法主要為理論教學，雖然在理論教學中融入了案例教學法，啟發式教學，但總體以理論教學為主，輔助設備為投影儀和視頻動畫，教學手段比較單一，學生學習效率較低。且由于沒有引導性實踐項目，學生對理論知識容易產生畏難情緒。

（3）課程考核方式側重期末考試成績。總成績=平時成績*40%+期末成績*60%。平時成績包括考勤，平時作業，課堂表現等。期末成績主要包括期末閉卷考試。這種模式的課程考核對學生實踐技能和創新性能力要求較低，學生平時學習積極性較弱，會在期末考試前進行突擊，不重視平時學習過程。

（4）師資隊伍實踐能力偏弱。由于本課程屬于實踐性、創新性要求較高的課程，對師資隊伍的實踐能力要求較高，同時工業機器人系統集成涉及的技能較多，綜合性強。而目前師資隊伍側重于科研和基礎學科方面的教學，與目前“工業機器人系統集成”課程匹配度偏弱，因此急需要打造一支具有在工業機器人領域理論和實踐均比較出眾的團隊[6]。

2?課程改革方案設計

2.1?優化教學內容

根據工業機器人行業工作崗位需求，構建基于“雙創”的教學內容，結合工業機器人系統組成與集成設計相關理論和技能[7]，對本課程的教學內容進行優化。如下圖1為工業機器人課程方案總圖，本課程針對的是工業機器人課程總圖中廣義工業機器人的系統開發。以工業機器人簡易工作站設計全過程為主線，從總體布局，元器件選型，電氣設計，軟件設計，綜合運用等5大專題來全面學習工業機器人集成相關內容，幫助學生搭建工業機器人集成方向的知識體系，提升學生的實踐能力，同時在項目中融入開放性模塊，培養學生創新能力。

2.2?引入競賽機制

以項目為導向的課程內容在開展過程中，引入小組競賽的方式[8]，提升學生的積極性與參與度。在小組競賽過程中，學生通過自由組隊，分工協作，提升自身團隊協作意識和自主創新能力。

2.3?改進教學手段

以“工業機器人系統集成”領域的企業案例為基礎，課程師資團隊在5大專題框架下提煉出若干子項目，以實際項目引導學生學習，理論與實踐分別為12學時與36學時，將學時向實踐項目傾斜，大力提升學生實踐能力。

2.4?優化考核方式

課程改革采用“項目實施+案例研討+理論考試”方式，實現課堂全過程形成性評價的考核。形成性評價主要是記錄學生參與混合式教學每項教學活動，記錄學生學習軌跡，對這些學習活動做出定性或定量評價。本課程形成性評價主要包括學生課堂表現評價，主題討論評價，課程項目評價，課堂考勤評價。其中課堂表現環節形式多樣化，有搶答，競賽，開放式問答，頭腦風暴等形式，充分提供多樣化與個性化的互動模式，盡可能讓同學們都能參與積極參與課堂學習中。結果性評價主要包括期末理論考試和期末實操考試。項目實施過程體現了學生自我解決問題的能力;案例研討過程體現了學生創新能力，團隊寫作能力;理論考試體現了學生理論分析能力。通過三方面的考核，提升學生在工業機器人領域的綜合能力。

2.5?師資培訓

組織相關師資團隊參與企業培訓，主題為工業機器人及機器視覺技術、工業機器人集成系統開發、工業機器人綜合應用等。同時選拔綜合實力較強的老師駐派企業，參與企業工業機器人相關的項目研發，為課程改革積累實踐項目經驗。為了激勵教師團隊參與企業項目，將師資團隊參加企業培訓與掛職納入年終績效考核。

3?工業機器人系統集成課程改革實踐

3.1?綜合性項目設計

針對《工業機器人系統集成》課程中覆蓋的核心技術，根據由難到易的原則，設計4個專項課題，包括系統認知專題、電氣專題、控制專題、綜合運用專題，如表1所示。課程采用的設備主要由電氣安裝模塊、電機調試模塊、單軸運動控制模塊、雙軸運動控制模塊、三軸運動控制模塊、流水線模塊和底架等部分組成。在各專題中通過細分，共有13項子項目。其中在工業機器人系統認知、電氣元器件原型、伺服電機三環調試子項目中融入課程思政內容，讓學生了解我國工業機器人產業發展現狀，國產核心零部件品牌，國產電機性能優勢等。

3.1.1?系統認知專題

該專題共有2個子項目，共4個學時。子項目包括工業機器人總體架構和電機運動模式。涉及的知識點有：工業機器人組成、工業機器人傳感器分類與作用、控制器分類與選型、運動控制環路組成、電機選型方法、電機運動模式選擇等，學生通過項目學習，掌握工業機器人系統的總體架構和組成，掌握電機的運動模式，為后續項目學習做鋪墊。

3.1.2?電氣專題

該專題共有4個子項目，共12學時。通過該專題學習，讓學生掌握工業機器人集成系統電氣組成，電氣模塊選型，電氣設計，電氣連線，電機三環調試等內容。在電氣專題，學生需要掌握電子元器件的原理與選型，斷路器與繼電器、控制器和變頻器的接線方式，電氣原理圖繪制方法;運動控制卡的安裝與調試軟件使用方法;在電機三環調試項目中引入PID控制器對電機參數性能的影響分析，要求學生利用自動控制原理的理論知識分析實驗參數，有利于提升學生理論與實踐結合的能力，同時提升學生學習理論課程的興趣。

3.1.3?控制專題

該專題共有4個子項目，共12學時。通過該專題學習，讓學生掌握工業機器人控制系統開發過程，開發技術，運動模塊軟件設計等內容。硬件設備主要包括為單軸控制模塊，雙周控制模塊，三軸控制模塊和流水線模塊。

Jog、PT、電子齒輪等運動模式的原理及控制在單軸運控模塊上可實現，同時可以通過設定位置指令和標尺比對完成對定位精度的測量實驗。最終學生可以具備獨立完成軸運動參數、控制器參數調整和優化的能力。雙軸運動控制模塊主要用于進行二軸電子齒輪、點的合成運動規劃、手輪脈沖運動控制、二軸回零控制程序設計、二軸軌跡插補算法研究、電子凸輪，插補運動等運動控制策略類項目。三軸運動模塊主要用于進行多軸插補運動以實現吸盤對樣件的抓取和激光筆的繪圖實驗;三軸回零程序設計;三軸碼垛軌跡插補運動控制系統設計;三軸激光雕刻控制系統設計;前瞻規劃優化插補軌跡實驗。流水線模塊，學生根據任務書，完成流水線模塊電氣設計，電氣選型，控制卡選型，控制器資源分配，控制器程序設計，可以掌握運動控制中的控制流程，IO模塊的使用方法，具備綜合解決機器人集成控制系統的基礎開發能力。

3.1.4?綜合運用專題

該專題有1個子項目，共8學時，該專題需要學生自主完成工藝分析，控制系統模塊化實現，通過該項目，學生可以將工業機器人系統集成的主要技能融會貫通，達到獨立設計簡易集成項目的目的。

3.2?創新性實訓項目設計

工業機器人系統集成應用平臺由多種模塊組成，包括慣量匹配模塊，傳感器特性模塊，動態跟蹤模塊，伺服驅動模塊，流水線模塊等。學生根據實際項目，自由選擇模塊組合，自行確定工藝和控制方案，完成工業機器人集成系統的單元改造項目。

目前2018級工業機器人專業已完成的創新型、開放性項目如下表2，項目為學生自主設計。

4?課程改革效果

4.1?師資隊伍建設

通過該項目，有2位老師申請到參加2020年第一批教育部產學合作協同育人師資培訓專題項目的機會，項目專題為“智能制造師資隊伍教學能力培養模式探究”。有1位老師成功申報2020年第二批教育部產學合作協同育人師資培訓專題項目，項目名為“機器人方向師資培訓探索與實踐”。有1位老師駐派企業，參與企業項目“藍寶石內平面拋光機控制系統設計”。

4.2?教學效果

在專題訓練中，電氣專題中電氣元器件選型項目難度較大，需要學生具備扎實的理論計算功底和實踐經驗，通過本專題訓練，學生將理論知識在實踐中應用，促進了學生理論和實踐兩方面的提升。控制專題需要學生將工業機器人系統集成領域的機械、電氣和軟件各方面綜合應用，對學生的發現問題，解決問題，邏輯思維能力有較好的訓練。通過綜合運用專題訓練，學生可以完整的理解工作站設計工藝和加工工藝，綜合實踐能力得到提升，同時學生對工業機器人領域的興趣得到提升。2021年7月，6名同學通過面試，成功參與首屆固高創工場訓練營，18名同學參與校企協同育人“人職匹配”項目。如下表3為學生參與企業研發項目名稱。

參考文獻：

[1]?劉東海，蔣思中，彭宇林.《工業機器人系統集成及維護》課程建設調研報告[J].高教論壇，2017（05）：70-72.

[2]?高飛，管建峰，易風，郭蘭中.新工業體系下的機器人課程改革探索[J].中國現代教育裝備，2018（05）：26-27+39.

[3]?那亞莉，劉媛媛.智慧課堂教學策略初探——以“工業機器人工作站系統集成”課程為例[J].工業和信息化教育，2021（05）：89-94.

[4]?王含，黃蕊.“大眾創業、萬眾創新”視角下中小企業參與創新創業途徑研究[J].長春理工大學學報（社會科學版），2019（03）：100-104.

[5]?項賢明，范先佐，周滿生，辛濤，朱益明，宋乃慶，裴娣娜，王世偉，毛亞慶，劉學智，陳云英，吳璀，孫剛成，蔣平.?探索新時代創新創業教育[J].?教育與教學研究，2019，33（11）：97-129.

[6]?張曉玲，羅秋蘭.“雙師型”教師認證標準研究：基于教師專業發展的視角[J].中國職業技術教育，2019?（27）：36-40.

[7]?陳盛.?工業機器人實訓中心系統集成技術的應用研究[D].電子科技大學，2016.

[8]?權寧.工業機器人專業“以賽促學、以賽促教”培育研究[J].科技風，2020（30）：37-38.

基金資助：2020年廣東科技學院高等教育教學改革項目（CQ2020095）;2021年廣東科技學院校級教學質量與教學改革工程項目專項人才培養計劃（GKZLGC2021023）

作者簡介：?王丹（1987—?），女，湖北宜昌人，講師，碩士，研究方向：智能制造控制系統、信號處理。