韓振華 ,魏 群 ,李文娟 ,單文桃 ,巢 淵 ,丁 力 ,黃 明
(江蘇理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院,江蘇 常州 213001)
為滿足國家實(shí)施創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展、“中國制造2025”、“互聯(lián)網(wǎng)+”、網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)國、新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃、海洋強(qiáng)國、航天強(qiáng)國等重大戰(zhàn)略和新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求,加快突破核心關(guān)鍵技術(shù),構(gòu)筑優(yōu)先發(fā)展優(yōu)勢,在未來全球創(chuàng)新中占據(jù)戰(zhàn)略制高點(diǎn),迫切需要培養(yǎng)大批“新工科”人才,建設(shè)與發(fā)展“新工科”已然成為我國當(dāng)前社會產(chǎn)業(yè)升級與發(fā)展的必然要求[1-2]。同時(shí),我國機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展勢頭迅猛,產(chǎn)業(yè)規(guī)模與市場空間不斷擴(kuò)大[3]。2017 年,教育部提出了適應(yīng)于產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求的“新工科”建設(shè)計(jì)劃,以應(yīng)對未來新技術(shù)和新產(chǎn)業(yè)國際競爭的挑戰(zhàn),主動布局機(jī)器人工程科技人才培養(yǎng)[1-3]。在新工科背景下,上述重大發(fā)展變革和舉措對傳統(tǒng)機(jī)器人方向?qū)I(yè)的人才培養(yǎng)模式產(chǎn)生了重要影響,鑒于現(xiàn)今及未來較長時(shí)期機(jī)器人行業(yè)的快速發(fā)展與相關(guān)人才的迫切需求,培養(yǎng)新工科背景下具備創(chuàng)新素質(zhì)的機(jī)器人技術(shù)人才成為高等教育界關(guān)注的焦點(diǎn),亟須進(jìn)一步完善我國機(jī)器人相關(guān)專業(yè)培養(yǎng)體系,相應(yīng)地面向新工科的機(jī)器人創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式亟待大力開展探索和研究[4-5]。
機(jī)器人實(shí)踐類課程作為機(jī)器人工程相關(guān)專業(yè)教學(xué)的重要集中實(shí)踐性環(huán)節(jié),新工科的提出對于高校工業(yè)機(jī)器人技術(shù)人才的培養(yǎng)有了更高的要求,對新工科背景下的機(jī)器人實(shí)踐類課程創(chuàng)新教學(xué)也亟待進(jìn)行[6-7]。在新工科背景下,如何將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用到機(jī)器人實(shí)踐類課程的教學(xué)中,構(gòu)建機(jī)器人實(shí)踐類課程的教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容與考核方式等創(chuàng)新教學(xué)體系,是一個(gè)重要的創(chuàng)新教學(xué)研究方向[8-9]。機(jī)器人實(shí)踐類課程的創(chuàng)新教學(xué)關(guān)鍵在于利用虛擬仿真技術(shù)有機(jī)融入機(jī)械、控制與電子等多個(gè)學(xué)科課程理論知識與技術(shù),拓展學(xué)校創(chuàng)新教學(xué)資源,增強(qiáng)理論與實(shí)踐教學(xué)的綜合性、創(chuàng)新性與應(yīng)用性,鍛煉學(xué)生應(yīng)用所學(xué)知識解決實(shí)際工程應(yīng)用問題的能力,結(jié)合大學(xué)生創(chuàng)新活動與各類競賽提高學(xué)生創(chuàng)新精神、實(shí)踐能力與綜合應(yīng)用能力,培養(yǎng)學(xué)生主動學(xué)習(xí)的積極性、創(chuàng)新思維與綜合素質(zhì),使學(xué)生獲得機(jī)器人相關(guān)產(chǎn)業(yè)的工作競爭力,達(dá)到培養(yǎng)更多創(chuàng)新人才的教學(xué)目的。
近年來,隨著機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的日益發(fā)展及其相關(guān)人才培養(yǎng)的迫切需求,在教育部“新工科”發(fā)展的大背景下,國內(nèi)機(jī)器人工程本科專業(yè)開設(shè)院校日益增多。同時(shí),越來越多的高等學(xué)校機(jī)械類(機(jī)械工程、機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化、機(jī)械電子工程與智能制造工程等)與自動化類(自動化、機(jī)器人工程、智能裝備與系統(tǒng)等)學(xué)科專業(yè)也面向本科生開設(shè)了“機(jī)器人學(xué)”“機(jī)器人控制”“機(jī)器人應(yīng)用”“人工智能”等相關(guān)理論課程。
在實(shí)踐方面,機(jī)器人實(shí)踐類課程也逐步成為一門綜合性的實(shí)踐課程,是上述本科專業(yè)集中實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)重要的經(jīng)典項(xiàng)目,其以機(jī)器人為主要教學(xué)內(nèi)容或教學(xué)工具開展實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn),以機(jī)器人為載體將學(xué)生在本專業(yè)以往的相關(guān)理論與實(shí)踐課程相結(jié)合,在具體實(shí)踐過程中逐步完成機(jī)器人基本知識與基本技能的學(xué)習(xí),鍛煉學(xué)生綜合工程應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力,使學(xué)生獲得機(jī)器人相關(guān)產(chǎn)業(yè)的工作競爭力,達(dá)到培養(yǎng)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)相關(guān)創(chuàng)新人才的教學(xué)目的。
目前,國內(nèi)大多數(shù)高校機(jī)械類與自動化類本科專業(yè)均開設(shè)有機(jī)器人實(shí)踐相關(guān)課程,例如,“機(jī)器人原理與應(yīng)用”“機(jī)器人PLC 應(yīng)用綜合實(shí)踐”“機(jī)器人集成應(yīng)用綜合實(shí)踐”與“機(jī)器人維保應(yīng)用技能實(shí)踐”等。然而,現(xiàn)有高校機(jī)器人實(shí)踐類課程大多采用隨堂實(shí)驗(yàn)與驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的教學(xué)模式,雖然對學(xué)生理論知識理解與驗(yàn)證有一定效果,但在學(xué)生新工科思維、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)與創(chuàng)新能力培養(yǎng)等方面具有較大缺陷,缺乏創(chuàng)新性、應(yīng)用性與綜合性,與新工科“創(chuàng)意—創(chuàng)新—創(chuàng)業(yè)”的人才培養(yǎng)目標(biāo)體系存在很大的矛盾。具體問題如下:
1)傳統(tǒng)機(jī)器人實(shí)踐類課程教學(xué)的講解多以理論為主,缺少應(yīng)用性與創(chuàng)新性。
傳統(tǒng)機(jī)器人實(shí)踐類課程教學(xué)多以機(jī)械臂式機(jī)器人為教學(xué)對象,教具單一,學(xué)生學(xué)習(xí)具有一定的參觀性,不能深入理解機(jī)器人內(nèi)部構(gòu)造與工作原理。其中,課堂講解多針對機(jī)械臂講述機(jī)器人結(jié)構(gòu)、工作原理、運(yùn)動學(xué)、雅可比矩陣、動力學(xué)、傳感與控制等機(jī)器人學(xué)基礎(chǔ)知識,缺少應(yīng)用性、綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐學(xué)習(xí),學(xué)生易因過多的運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)與軌跡規(guī)劃等理論方面的數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)產(chǎn)生抗拒心理,影響學(xué)習(xí)機(jī)器人的積極性與創(chuàng)新性。
2)傳統(tǒng)機(jī)器人實(shí)踐類課程教學(xué)實(shí)踐部分較少,缺少多學(xué)科綜合性,不能有效融入相關(guān)課程知識以適應(yīng)新工科建設(shè)與人才培養(yǎng)需求。
近年來,隨著高校不斷擴(kuò)招,機(jī)器人實(shí)踐類課程教學(xué)要適應(yīng)以新經(jīng)濟(jì)、新產(chǎn)業(yè)為背景的新工科需求,推動現(xiàn)有機(jī)器人實(shí)踐類課程教學(xué)的改革創(chuàng)新。但受限于學(xué)校政策、硬件條件、師資力量,機(jī)器人實(shí)踐類課程的投入與課堂教學(xué)明顯不成比例,使得學(xué)生對于機(jī)器人技術(shù)的掌握與應(yīng)用只能大部分局限于課堂,動手能力和綜合分析解決問題的能力無法得到充分鍛煉,很難在機(jī)器人創(chuàng)新實(shí)踐、競賽等活動中有優(yōu)異的表現(xiàn)。在應(yīng)試教育理念的影響下,大學(xué)生的實(shí)踐動手能力普遍較差。同時(shí),機(jī)器人實(shí)踐類課程不能有效融入“機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”“工程應(yīng)用軟件”“PLC應(yīng)用技能培訓(xùn)”與“電機(jī)拖動基礎(chǔ)”等緊密相關(guān)課程的知識。因此,傳統(tǒng)機(jī)器人實(shí)踐類課程教學(xué)無法很好地滿足新工科建設(shè)與人才培養(yǎng)需求,亟待開展相關(guān)創(chuàng)新教學(xué)進(jìn)行解決。
機(jī)器人被譽(yù)為“制造業(yè)皇冠頂端的明珠”,是衡量一個(gè)國家創(chuàng)新能力和產(chǎn)業(yè)競爭力的重要標(biāo)志。我國機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展勢頭迅猛,產(chǎn)業(yè)規(guī)模與市場空間不斷擴(kuò)大。作為未來工業(yè)及制造業(yè)爭奪的下一個(gè)革命方向之一,機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展、產(chǎn)業(yè)的壯大離不開機(jī)器人人才的培養(yǎng)。在新工科背景下,鑒于我國機(jī)器人行業(yè)的快速發(fā)展與相關(guān)人才的迫切需求,目前國家的重大發(fā)展戰(zhàn)略與舉措對傳統(tǒng)機(jī)器人方向?qū)I(yè)的人才培養(yǎng)模式產(chǎn)生了顛覆性的影響。因此,機(jī)器人相關(guān)專業(yè)培養(yǎng)體系亟須建立和完善,同時(shí)大力探索與研究面向新工科的機(jī)器人專業(yè)創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式。
虛擬仿真技術(shù)作為互動性、逼真性、沉浸性、交互性和構(gòu)想性的新技術(shù),已經(jīng)在機(jī)器人設(shè)計(jì)與研發(fā)中得以廣泛應(yīng)用[10-12]。在新工科背景下,基于虛擬仿真技術(shù),將機(jī)械(“機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”“機(jī)械制圖”與“工程應(yīng)用軟件”)、控制(“控制工程基礎(chǔ)”)、電子(“電機(jī)拖動基礎(chǔ)”與“PLC 應(yīng)用技能培訓(xùn)”)等多個(gè)學(xué)科課程知識與技術(shù)進(jìn)行有機(jī)融合,深入開展機(jī)器人實(shí)踐類課程創(chuàng)新教學(xué)研究,使學(xué)生能夠基于虛擬仿真技術(shù)更好地掌握相關(guān)學(xué)科、課程知識。與此同時(shí),還可鍛煉學(xué)生應(yīng)用所學(xué)知識解決實(shí)際工程應(yīng)用問題的能力,結(jié)合大學(xué)生創(chuàng)新活動、各類競賽提高學(xué)生創(chuàng)新精神、實(shí)踐能力與綜合應(yīng)用能力,使學(xué)生獲得機(jī)器人相關(guān)產(chǎn)業(yè)的工作適應(yīng)能力,達(dá)到培養(yǎng)更多創(chuàng)新人才的教學(xué)目的。
上述機(jī)器人實(shí)踐教學(xué)存在的問題與新工科“創(chuàng)意—創(chuàng)新—創(chuàng)業(yè)”的人才培養(yǎng)目標(biāo)體系存在很大的矛盾,已經(jīng)成為機(jī)器人實(shí)踐類課程教學(xué)以及未來培養(yǎng)方向亟待解決的重要問題,需要在現(xiàn)今新工科背景下對機(jī)器人實(shí)踐類課程教學(xué)進(jìn)行創(chuàng)新,使得該類課程能得到多學(xué)科、多方向、多方面、多角度的綜合與發(fā)展。具體要做到以下幾點(diǎn):
1)應(yīng)加強(qiáng)實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)。實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識和靈活運(yùn)用所學(xué)知識的重要途徑,對提高學(xué)生綜合素質(zhì)、培養(yǎng)創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力具有重要作用。
2)充分利用并拓展學(xué)校機(jī)器人創(chuàng)新教學(xué)資源,改善實(shí)踐教學(xué)條件,充實(shí)實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容,根據(jù)學(xué)科方向與培養(yǎng)方案,有機(jī)融入虛擬仿真技術(shù),從多方面、多角度設(shè)計(jì)綜合性、設(shè)計(jì)性、應(yīng)用性的機(jī)器人綜合創(chuàng)新項(xiàng)目。
3)重視和鼓勵大學(xué)生開展開放性創(chuàng)新項(xiàng)目及課外科技活動,激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣,積極組織學(xué)生參加各類競賽等創(chuàng)新活動,提高學(xué)生邏輯思維能力、分析能力、設(shè)計(jì)能力、創(chuàng)新能力與實(shí)踐動手能力。
截至2023 年3 月,江蘇理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院已購入6 軸機(jī)械手平臺3 套、4 軸機(jī)械手平臺5 套、“探索者”套件總計(jì)23 套,不同類型套件內(nèi)均具有多種大中小型高強(qiáng)度鎂鋁合金結(jié)構(gòu)件、塑料結(jié)構(gòu)件、圓周舵機(jī)、直流電機(jī)、多種傳感器與通信模塊,寶貝車機(jī)器人10 臺,能力風(fēng)暴機(jī)器人7 臺,兩足步行機(jī)器人10臺,并配套建立了3 個(gè)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室。目前,上述硬件已逐步應(yīng)用于機(jī)械電子工程專業(yè)與機(jī)器人工程專業(yè)的實(shí)踐類課程、課程實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)與學(xué)科競賽,可以有效保障機(jī)器人實(shí)踐類課程創(chuàng)新教學(xué)的順利開展。
基于以上出發(fā)點(diǎn),采用理論研究與實(shí)踐研究相結(jié)合的方式,通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料、專家交流、項(xiàng)目組成員討論等多種形式,將新工科、課程需求與虛擬仿真技術(shù)所構(gòu)建的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)手段等相結(jié)合,確定創(chuàng)新教學(xué)內(nèi)容如下:
1)確立虛擬仿真技術(shù)在課程中的融合點(diǎn)。分析適應(yīng)于新工科培養(yǎng)要求的機(jī)器人實(shí)踐類課程教學(xué)內(nèi)容,明確教學(xué)目標(biāo)與要求,尋求虛擬仿真技術(shù)在課程中的融合點(diǎn)。
以機(jī)器人實(shí)踐類課程中常見教學(xué)對象——機(jī)械臂為例,分析機(jī)器人的機(jī)電結(jié)構(gòu)、控制與運(yùn)行原理,以機(jī)械臂的多連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)與動力學(xué)理論、伺服電機(jī)與精密減速器的動力驅(qū)動原理為切入點(diǎn),以機(jī)械臂多連桿機(jī)構(gòu)原理的運(yùn)動學(xué)與動力學(xué)虛擬仿真、伺服電機(jī)的伺服驅(qū)動仿真、精密減速器的結(jié)構(gòu)建模虛擬仿真與力學(xué)仿真以及機(jī)器人整機(jī)工作軌跡路線規(guī)劃的虛擬仿真為對象,確立虛擬仿真技術(shù)的融合點(diǎn)。機(jī)械手臂中虛擬仿真融合點(diǎn)示意圖如圖1 所示。

圖1 機(jī)械手臂中虛擬仿真融合點(diǎn)示意圖
2)建立機(jī)器人實(shí)踐類課程的創(chuàng)新教學(xué)體系。將新工科人才培養(yǎng)目標(biāo)與虛擬仿真技術(shù)有機(jī)結(jié)合,以機(jī)器人三大本體之一——精密減速器為教學(xué)實(shí)例,提出相應(yīng)的實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)方法及教學(xué)設(shè)計(jì),建立機(jī)器人實(shí)踐類課程的創(chuàng)新教學(xué)體系。
基于本學(xué)院已有機(jī)器人拆裝實(shí)驗(yàn)平臺,以機(jī)器人RV 精密減速器結(jié)構(gòu)建模與裝配虛擬仿真為例,分析適應(yīng)于新工科培養(yǎng)要求的機(jī)器人實(shí)踐類課程教學(xué)內(nèi)容,與新工科“創(chuàng)意—創(chuàng)新—創(chuàng)業(yè)”的人才培養(yǎng)目標(biāo)體系相結(jié)合,改變傳統(tǒng)機(jī)器人實(shí)踐教學(xué)的固化模式,更新實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容,豐富教學(xué)資源。在機(jī)器人實(shí)踐教學(xué)中,有機(jī)融入虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行教學(xué)創(chuàng)新,利用虛擬仿真技術(shù)在教學(xué)中融入學(xué)生已學(xué)課程“機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”“機(jī)械制圖”與“工程應(yīng)用軟件”,設(shè)計(jì)出課程教學(xué)方案,如圖2 所示,使得學(xué)生在機(jī)器人實(shí)踐學(xué)習(xí)中能得到綜合性、應(yīng)用性與創(chuàng)新性的全面發(fā)展。

圖2 以機(jī)器人RV精密減速器為教學(xué)實(shí)踐案例的教學(xué)方案
根據(jù)已建立的融入虛擬仿真的機(jī)器人實(shí)踐課程教學(xué)體系,建立新的課程考核及成績評定形式,有效評價(jià)學(xué)生的課程學(xué)習(xí)效果。以機(jī)器人不同部分、不同結(jié)構(gòu)的精密減速器為例進(jìn)行考核,考核方式擬定為項(xiàng)目考核+以賽代考。
1)項(xiàng)目考核是指以3~4 人組成的項(xiàng)目組為單位,分為出勤紀(jì)律、實(shí)際操作、匯報(bào)演示和項(xiàng)目報(bào)告四部分,并按1∶3∶3∶3 的比例評定成績。
2)以賽代考是指課程期末考核根據(jù)項(xiàng)目的不同組成若干開放性競賽,讓學(xué)生根據(jù)機(jī)器人不同部位的精密減速器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)自己制定比賽規(guī)則、制定設(shè)計(jì)方案,進(jìn)行機(jī)器人精密減速器結(jié)構(gòu)部件的三維建模與裝配的虛擬仿真,并鼓勵學(xué)生增加擴(kuò)展類虛擬仿真項(xiàng)目。成績評定以功能及穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)創(chuàng)新、積分三部分為主,并按3∶3∶4比例評定,參與更高級別機(jī)器人競賽,如省賽、國賽并獲得理想成績的學(xué)生,課程成績擬直接評優(yōu),并可考慮進(jìn)行更深層次的培養(yǎng),進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生的綜合應(yīng)用能力,從而滿足復(fù)合型人才培養(yǎng)要求。
通過制定以上的課程考核方法與成績評定形式,構(gòu)建完善的機(jī)器人實(shí)踐類課程教學(xué)體系,制定機(jī)器人創(chuàng)新教學(xué)與實(shí)踐的教學(xué)目標(biāo)與方式、教學(xué)與實(shí)踐內(nèi)容。通過實(shí)踐研究方法驗(yàn)證和實(shí)施所定教學(xué)實(shí)踐內(nèi)容,從教學(xué)、實(shí)踐、創(chuàng)新項(xiàng)目與活動、競賽等多種途徑不斷修正方案,最終達(dá)到課程創(chuàng)新教學(xué)目標(biāo),以期在今后的機(jī)器人創(chuàng)新教學(xué)實(shí)踐中,強(qiáng)化學(xué)生對多學(xué)科、多方向的知識技能的理解與應(yīng)用,鍛煉學(xué)生動手能力和綜合分析解決問題的能力,培養(yǎng)學(xué)生的自主創(chuàng)新能力與團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力,提高應(yīng)用型本科院校機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)水平和競爭力,以適應(yīng)社會與產(chǎn)業(yè)對機(jī)器人創(chuàng)新人才的需求。
在新工科背景下,為改變傳統(tǒng)機(jī)器人實(shí)踐類課程教學(xué)模式與應(yīng)用脫節(jié)的現(xiàn)狀,本文將虛擬仿真技術(shù)融入機(jī)器人實(shí)踐類課程教學(xué)中。以項(xiàng)目為主線、教師為引導(dǎo)、學(xué)生為主體的教學(xué)模式,以機(jī)器人三大本體之一——精密減速器為例,有效融入工業(yè)機(jī)器人RV 減速器結(jié)構(gòu)建模與裝配的虛擬仿真,綜合學(xué)生“機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”“工程應(yīng)用軟件”“PLC應(yīng)用技能培訓(xùn)”與“電機(jī)拖動基礎(chǔ)”等多門課程知識,充分發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性、創(chuàng)新性,滿足自主創(chuàng)新與團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力的新工科培養(yǎng)要求。在機(jī)器人實(shí)踐類課程創(chuàng)新教學(xué)模式中,以項(xiàng)目考核與以賽代考的形式,充分利用現(xiàn)有機(jī)器人創(chuàng)新資源,讓教師與學(xué)生都能融入到機(jī)器人實(shí)踐課堂中,調(diào)動學(xué)生的積極主動性,鍛煉學(xué)生綜合分析解決問題的能力,也為學(xué)生在更高級別的機(jī)器人競賽中獲得優(yōu)異成績打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ),提高新工科背景下學(xué)生的機(jī)器人應(yīng)用能力與就業(yè)競爭力,以適應(yīng)社會與產(chǎn)業(yè)對機(jī)器人創(chuàng)新人才的需求。創(chuàng)新教學(xué)為新工科背景下機(jī)器人相關(guān)專業(yè)的專業(yè)建設(shè)與人才培養(yǎng)提供了新思路。