基于OBE的機器人工程專業(yè)中機械基礎(chǔ)類課程改革探索

王晉鵬 王鵬 王瑩 楊曉龍

摘 要：本文以O(shè)BE教學(xué)理念為核心，結(jié)合機器人工程專業(yè)的畢業(yè)要求以及機器人中的常用機構(gòu)和零部件，對機械基礎(chǔ)類課程的教學(xué)體系進行了修訂。針對理論教學(xué)體系，增加了同步帶、諧波齒輪、RV齒輪以及交叉滾子軸承等內(nèi)容，并將部分實例模型更換為了機器人中的典型機構(gòu)和零部件。針對實踐教學(xué)體系，更換了部分課內(nèi)實驗以及課程設(shè)計內(nèi)容，構(gòu)建了“學(xué)做一體”的實踐教學(xué)體系。通過教學(xué)體系改革，學(xué)生對于機器人機械機構(gòu)分析與設(shè)計的能力達到了要求，并且在學(xué)科競賽中取得了優(yōu)異成績。

關(guān)鍵詞：OBE；機器人工程；機械基礎(chǔ)類課程；教學(xué)改革

中圖分類號：G642? 文獻標識碼：A

Exploration on the Reform of Mechanical Basic Courses in

Robot Engineering Major Based on OBE

Wang Jinpeng Wang Peng Wang Ying Yang Xiaolong

School of Mechanical Engineering， Xi'an University of Aeronautics and Astronautics ShaanxiXian 710077

Abstract：Based on the OBE teaching concept，the teaching system of mechanical basic courses is revised in this paper by combining with the graduation requirements of robotics engineering and the common mechanisms and parts in robots.For the theoretical teaching system，the contents of synchronous belt，harmonic gear，RV gear and cross roller bearing are added，and some example models are replaced with typical mechanisms and parts in the robot.For the practical teaching system，some contents in inclass experiment and curriculum design have been replaced，and a practical teaching system of "learning and doing in one" has been constructed.Through the reform of the teaching system，the ability of students in analysis and design of robot mechanical mechanisms has met the requirements，and excellent results is achieved in the subject competition.

Keywords：OBE；Robotics Engineering；Mechanical Basic Courses；Teaching Reform

制造業(yè)是國民經(jīng)濟的主體，是立國之本、興國之器、強國之基。為了加快我國從制造大國向制造強國的轉(zhuǎn)變，2015年國務(wù)院印發(fā)了《中國制造2025》，制定了中國制造業(yè)發(fā)展的“三步走”戰(zhàn)略［1］。機器人作為《中國制造2025》中的十大重點領(lǐng)域之一，已成為智能制造的關(guān)鍵抓手。自2015年之后，機器人產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)出了爆發(fā)式增長的態(tài)勢，但作為支撐機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展的專業(yè)人才則嚴重缺乏，教育部、人力資源社會保障部、工業(yè)和信息化部聯(lián)合印發(fā)的《制造業(yè)人才發(fā)展規(guī)劃指南》預(yù)測，到2025年機器人技術(shù)領(lǐng)域人才缺口達450萬。

為了滿足機器人產(chǎn)業(yè)對于專業(yè)人才的迫切需求，從2015年至2020年，我國已有302所高校成功申報“機器人工程”專業(yè)。具備機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計能力是國內(nèi)外高校機器人工程專業(yè)的培養(yǎng)目標和畢業(yè)要求之一，機械基礎(chǔ)類課程（包括機械原理、機械設(shè)計以及機械設(shè)計課程設(shè)計等）是支撐該能力的重要基礎(chǔ)課程。這些課程同時作為其他機械類和近機類專業(yè)的重要基礎(chǔ)課程，其教學(xué)體系和方法改革已經(jīng)得到了許多學(xué)者的關(guān)注和研究。葛文杰［1］在機械原理的教學(xué)中采用“黑板粉筆+教具+電子教案素材”的教學(xué)手段，將填鴨灌輸式教學(xué)變?yōu)橐龑?dǎo)式、啟發(fā)式和探究式教學(xué)，構(gòu)建了“引導(dǎo)講授+慕課學(xué)習(xí)+翻轉(zhuǎn)課堂+討論課+研討課”的線上線下混合式教學(xué)模式。薄瑞峰［2］在機械原理教學(xué)中采用了“機動式”教學(xué)法，將課堂變?yōu)閷W(xué)堂，將作業(yè)變?yōu)樽髌罚瑢嶒炞優(yōu)閷嵺`，實現(xiàn)了學(xué)生由“學(xué)會”向“會學(xué)”的轉(zhuǎn)變。楊勇［3］、張艷平［4］分別將QFD方法（以顧客需求為驅(qū)動的產(chǎn)品設(shè)計方法）和項目式教學(xué)法引入了機械原理教學(xué)。劉小勇［5］、于克強［6］分別以O(shè)BE理論為基礎(chǔ)對各自學(xué)校中機械原理的教學(xué)大綱和指標體系進行了修訂。

雖然已有學(xué)者根據(jù)OBE理論對機械基礎(chǔ)類課程的教學(xué)內(nèi)容和指標體系進行了修訂，但主要針對的是機械制造及其自動化專業(yè)。機器人與其他機電設(shè)備相比，有自己特有的典型機構(gòu)和常用零部件。本文根據(jù)機器人工程專業(yè)培養(yǎng)目標，結(jié)合機器人的結(jié)構(gòu)特點和常用零部件，重構(gòu)了機械基礎(chǔ)類課程的理論和實踐教學(xué)體系。

1 教學(xué)改革流程

基于OBE理念的機器人工程專業(yè)機械基礎(chǔ)類課程教學(xué)體系的修訂流程如圖1所示。先根據(jù)機器人工程專業(yè)的畢業(yè)要求、機械基礎(chǔ)類課程的特點及機器人機構(gòu)中常用機構(gòu)及部件確定課程的能力目標。然后根據(jù)課程主要知識點中蘊含的思政元素（包括愛國主義、科學(xué)精神、工匠精神等）確定課程的素質(zhì)目標。再根據(jù)課程目標，修訂理論教學(xué)內(nèi)容，以及基礎(chǔ)實驗、綜合實驗及集中實踐的內(nèi)容和要求。接著根據(jù)教學(xué)內(nèi)容修訂教學(xué)方式（包括項目式教學(xué)，理實一體教學(xué)等）、考核方式、達成度評價方法以及參考教材。最后由任課教師、課程組等對課程目標和教學(xué)內(nèi)容等進行內(nèi)部評價；由用人單位、往屆學(xué)生等進行外部評價；并根據(jù)評價結(jié)構(gòu)重新修訂課程目標和教學(xué)內(nèi)容。

2 理論教學(xué)體系改革

機器人作為典型的機電產(chǎn)品，在其機械結(jié)構(gòu)中也會用到連桿機構(gòu)、螺紋連接、帶傳動、齒輪傳動、軸和軸承等常用結(jié)構(gòu)和零部件，但其機械結(jié)構(gòu)中零部件的具體類型又和其他機電產(chǎn)品有所不同。例如，機器人中常用帶傳動類型為同步帶傳動，而非V帶傳動；常用齒輪傳動類型不僅包括圓柱齒輪傳動、圓錐齒輪傳動、蝸輪蝸桿傳動等，還包括諧波齒輪傳動和RV齒輪傳動；常用軸承類型為交叉滾子軸承。結(jié)合機器人中機構(gòu)和零部件的類型，從以下兩方面對機械原理和機械設(shè)計課程的理論教學(xué)體系進行了修訂和改革。

（1）增加教學(xué)內(nèi)容。結(jié)合機器人中的常用機構(gòu)和零部件，在機械原理和機械設(shè)計的理論教學(xué)中增加了諧波齒輪傳動、RV齒輪傳動，同步帶傳動，交叉滾子軸承等傳動機構(gòu)和零部件工作原理和特點等內(nèi)容。

（2）更換實例模型。OBE教學(xué)理念的核心是以成果為導(dǎo)向，培養(yǎng)和提升學(xué)生解決工程實際問題的能力。實例教學(xué)法作為提升學(xué)生能力的常用教學(xué)方法之一，在機械原理和機械設(shè)計的教學(xué)中得到了廣泛應(yīng)用。結(jié)合機器人中的常用機構(gòu)和零部件，在機械原理和機械設(shè)計課程教學(xué)中將部分實例模型進行了更換，具體為：

①在平面機構(gòu)的運動分析，平面連桿機構(gòu)的類型及特性分析中，引入仿生機器人或工業(yè)機器人中的連桿機構(gòu)為實例模型。圖2為學(xué)生制作的仿生螃蟹機器人，該仿生機器人中的腿部為連桿機構(gòu)，可將該連桿機構(gòu)作為實例模型講解平面機構(gòu)的運動分析以及平面連桿機構(gòu)的特性分析。

②在定軸輪系傳動比計算中，引入工業(yè)機器人腰部、手臂或手腕機構(gòu)中的齒輪傳動系統(tǒng)為實例模型。

③在螺紋連接的受力分析和強度計算中，引入工業(yè)機器人手爪中爪鉗與安裝板間的螺紋連接以及工業(yè)機器人安裝時的地腳螺栓為實例模型。

3 實踐教學(xué)體系改革

機械原理和機械設(shè)計的實踐教學(xué)內(nèi)容包括課內(nèi)實驗和后續(xù)的機械設(shè)計課程設(shè)計。結(jié)合機器人工程專業(yè)的培養(yǎng)目標和畢業(yè)要求以及機器人中常用機構(gòu)和零部件的類型，對課內(nèi)實驗和機械設(shè)計課程設(shè)計的內(nèi)容及要求做了修訂。

（1）在機構(gòu)運動簡圖測繪實驗中，將測繪對象更換為學(xué)生在機械創(chuàng)新設(shè)計大賽制作的仿生機器人模型。圖2為學(xué)生在第十屆全國大學(xué)生機械創(chuàng)新設(shè)計大賽中制作的仿生螃蟹模型，可將該模型中的腿部運動機構(gòu)作為對象讓學(xué)生進行測繪并繪制其機構(gòu)運動簡圖。

（2）在帶傳動效率測試實驗中，除了測試V帶傳動的效率外，增加同步帶效率的測試，并對V帶和同步帶的效率進行對比。

（3）增加6軸工業(yè)機器人結(jié)構(gòu)分析與拆裝實驗。我校于2019年投資400余萬元建立了機器人創(chuàng)新實驗室，在該實驗室中可對埃夫特6軸工業(yè)機器人進行結(jié)構(gòu)分析和拆裝。

（4）以工業(yè)機器人中腰部、手臂或手腕中的傳動系統(tǒng)設(shè)計作為課程設(shè)計內(nèi)容。GTH2手臂回轉(zhuǎn)機構(gòu)中既包含了圓柱齒輪機構(gòu)和蝸輪蝸桿機構(gòu)，也包含了軸、軸承、鍵等通用零件。將該機構(gòu)的設(shè)計作為機械設(shè)計課程設(shè)計的內(nèi)容既符合機械設(shè)計課程設(shè)計的課程目標，也契合機器人工程專業(yè)的培養(yǎng)目標和畢業(yè)要求。

（5）以中國機器人大賽、全國大學(xué)生機械創(chuàng)新設(shè)計大賽相關(guān)題目中的機械部分作為課程設(shè)計內(nèi)容。以圖2仿生螃蟹為例，其機械部分既包含了齒輪機構(gòu)、連桿機構(gòu)，也包含了軸、軸承、鍵等通用零件；可將其機械部分的設(shè)計作為機械設(shè)計課程設(shè)計的內(nèi)容。

在課程設(shè)計完成后，以我校“工匠坊”為依托，鼓勵并支持學(xué)生根據(jù)設(shè)計結(jié)果加工制作實物模型，形成“學(xué)做一體”的實踐教學(xué)體系。

4 教學(xué)改革效果

通過理論和實踐教學(xué)體系修訂，我校機器人工程專業(yè)學(xué)生不僅掌握了連桿機構(gòu)、凸輪機構(gòu)、齒輪機構(gòu)、螺紋連接、鍵連接、帶傳動、鏈傳動、軸及軸承等常用機構(gòu)和通用零部件的性能分析及設(shè)計，還能將這些知識用于機器人機械結(jié)構(gòu)分析以及設(shè)計。同時，學(xué)生能夠分析同步帶、諧波齒輪傳動、RV齒輪傳動以及交叉滾子軸承的機構(gòu)和零部件的工作原理和特性，為后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)以及畢業(yè)指標體系的達成奠定了扎實的基礎(chǔ)。

以修訂后的機械基礎(chǔ)類課程理論和實踐教學(xué)體系為支撐，我校機器人工程專業(yè)學(xué)生在2021年中國機器人大賽暨RoboCup機器人世界杯中國賽、中國工程機器人大賽中獲得國家級一等獎8項，二等獎2項，三等獎1項。在第十屆全國大學(xué)生機械創(chuàng)新設(shè)計大賽陜西賽區(qū)仿生機器人組的比賽中獲得一等獎2項，二等獎3項。

結(jié)語

為了培養(yǎng)和提升學(xué)生對于機器人機械機構(gòu)的分析與設(shè)計能力，以O(shè)BE教學(xué)理念為核心，結(jié)合機器人中常用機構(gòu)與零部件類型，對機械基礎(chǔ)類課程的理論和實踐教學(xué)體系進行了修訂。針對理論教學(xué)體系，增加了同步帶、諧波齒輪傳動、RV齒輪傳動、交叉滾子軸承工作原理和特性分析等內(nèi)容，將平面機構(gòu)運動分析、平面連桿機構(gòu)特性分析以及螺紋連接受力分析和強度計算等內(nèi)容中的實例模型更換為了機器人中的連桿機構(gòu)和螺紋連接。針對實踐教學(xué)體系，在課內(nèi)實驗中將機構(gòu)運動簡圖測繪對象更換為機器人中的運動機構(gòu)，增加了同步帶效率測試；在課程設(shè)計中，將傳動的二級圓柱齒輪減速器設(shè)計更換為工業(yè)機器人傳動系統(tǒng)設(shè)計或者中國機器人大賽、全國大學(xué)生機械創(chuàng)新設(shè)計大賽中的相關(guān)題目；以“工匠坊”為依托構(gòu)建了“學(xué)做一體”的實踐教學(xué)體系。

通過對理論和實踐教學(xué)體系的改革，學(xué)生對工業(yè)機器人機械結(jié)構(gòu)的分析與設(shè)計能力得到了提升，在中國機器人大賽、全國大學(xué)生機械創(chuàng)新設(shè)計大賽中取得了優(yōu)異成績，達到了課程目標和機器人工程專業(yè)的畢業(yè)要求。

參考文獻：

［1］葛文杰.牢記使命 創(chuàng)建新時代“一流課程”——基于機械原理課程的改革與建設(shè)實踐［J］.西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報（社會科學(xué)版），2018（01）：4044.

［2］薄瑞峰，等.機動式教學(xué)法在機械原理中的應(yīng)用［J］.機械設(shè)計，2020，37（S2）：234236.

［3］楊勇，江京亮，金霞.基于OBE理念的《機械原理》課程教學(xué)體系創(chuàng)新與實踐［J］.高教論壇，2021（01）：3639.

［4］張艷平，王繼榮，張繼忠，等.基于新工科的機械原理教學(xué)內(nèi)容改革與思考［J］.教育教學(xué)論壇，2020（46）：159161.

［5］劉小勇，李榮麗，楊慧香，等.新工科背景下基于OBE理念的機械原理改革研究［J］.機械設(shè)計，2020，37（S2）：2326.

［6］于克強，元林，宋勝偉.基于工程教育專業(yè)認證的機械原理OBE教學(xué)模式的構(gòu)建［J］.教育教學(xué)論壇，2020（27）：246247.

基金支持：1.陜西省教育科學(xué)“十四五”規(guī)劃2021年度一般課題：OBE工程教育理念下面向機器人專業(yè)的機械基礎(chǔ)類課程改革研究（項目編號：SGH21Y0249）；2.西安航空學(xué)院校級新工科研究與實踐項目：基于“1+X”證書制度下人才培養(yǎng)模式研究——以機器人工程專業(yè)為例（項目編號：21XGK1003）；3.陜西省高等教育學(xué)會高等教育科學(xué)研究項目：基于OBE理念的應(yīng)用型本科機器人工程專業(yè)核心課程混合式教學(xué)模式研究（項目編號：XGH21235）

作者簡介：王晉鵬（1982— ），男，漢族，山西晉城人，博士，副教授，研究方向：大型齒輪傳動振噪分析、機械基礎(chǔ)類課程教學(xué)改革。