应用型本科工业机器人课程教学改革的探索与实践*

时间：2024-05-07

◆李庆龄

作者：李庆龄，硕士，上海电机学院机械学院讲师，研究方向为机械工程（200240）。

1 引言

近年来，由于现代技术的发展、产业结构的调整和产业能级的提升，劳动力市场对技术型人才的需求不断旺盛。为了适应社会新的需求，实现与传统本科院校的错位竞争，很多新升本科院校将学校定位于培养适应社会需要的高层次应用型人才，实施“技术应用型本科教育”[1-2]。上海电机学院提出“培养本科层次技术应用型人才”的人才培养定位，并确立了“技术立校，应用为本”的办学指导方针[3]。

工业机器人技术是近年来新技术发展的重要领域之一，是计算机、自动控制、传感器、先进制造等领域技术集成的典型代表。这一技术在工业、农业、国防、医疗卫生、办公自动化及生活服务等众多领域有着越来越多的应用[4-5]。社会对掌握机器人技术的人才需求旺盛。作为技术应用型院校，为努力培养适合市场需要的技术应用型人才，上海电机学院开设了“工业机器人”这门课程。机器人是机械类专业学生的一门专业课，课程的开设与学院培养应用型人才的目标是一致的。本文对工业机器人课程教学现状进行分析，指出目前教学中存在的问题，提出相应的改进措施。

表1 工业机器人课程主要内容及学时分布

2 课程性质与特点

“工业机器人”安排在本科的第七学期，是唯一一门系统介绍某一设备的课程，主要内容与学时分布如表1（包括4学时实验）所示。根据应用型本科的办学理念，课程内容侧重实践和应用，注重理论和应用技术紧密结合。通过本课程的学习，要求学生理解掌握机器人的基本概念和基础理论，掌握典型工业机器人的机械结构、运动分析，理解动力学原理和机器人控制技术并能进行简单的机器人编程。培养独立思考和分析问题的能力，使得学生能够在较短的时间内掌握生产现场最需要的工业机器人的实际应用技术，为今后从事工业机器人使用和相关研究工作打好基础。

3 教学过程中存在的问题

3.1 课程内容综合性强，各章节知识点较独立

本课程主要讲述工业机器人的基本组成、机械结构、运动学、环境感觉技术、控制系统、机器人编程等，包括机械学、自动控制、传感技术、计算机等相关内容。学习这门课程需要较多知识储备以及一定的数学基础，学习时需要将各种知识综合运用。学生普遍感到学习内容广、涉及知识面宽、综合性强，严重影响了学习的积极性。另外，机器人课程各章节之间内容相对比较独立，由结构到运动学，由运动学到控制，没有一个贯穿的主线，使得学生在学习过程中容易分不清前因后果。

3.2 重讲授，学生独立思考少

授课过程中以教师讲授为主要方式。传统填鸭式教学方式在采用现代多媒体教学手段时显得更加不合理。采用幻灯片授课，虽然能让教师从繁重的书写任务中解放出来，提高教学效率，但是一掠而过不留痕迹的做法让学生根本无暇进行独立思考，有时一堂课下来学生对授课内容都没有印象，致使授课效果变差。

图1 基本案例在教学中的应用

3.3 重理论轻实践

本课程对学生的动手能力要求较高，然而目前的课程设置中比较侧重理论部分，实践环节相对薄弱。在总课时32学时中，实验只占4学时，这对掌握机器人应用技术来说是远远不够的。且均为验证性实验，不能激发学生的学习积极性，没有真正提高学生的实践动手能力。

4 改革措施与实践

针对目前教学中存在的问题，根据上海电机学院的办学方针，结合课程本身特点和现实情况，总结课题组多年教学经验，提出改革措施，并在课程教学中进行一系列尝试。

4.1 合理安排教学内容，由浅入深逐步递进

针对课程内容综合性强，各章节知识点较独立的问题，教师在教学过程中要合理安排课程内容，找到贯穿各章节的主线，理清各知识点的前因后果。先从机械专业学生比较熟悉的机械结构入手，通过对机器人三大组成部分（机械部分、控制部分、传感部分）之间关系的讲解，进入机器人的控制系统和环境感觉技术的学习。机器人运动学的部分理论性较强，学习起来相对吃力。遵循由浅入深、逐步递进的原则，先介绍齐次坐标和位姿描述等基本概念，在对机器人的位姿分析的基础上，引入机器人运动学方程建立的方法和步骤，既要使学生掌握关键知识，又不过多纠缠于繁琐的公式推导。最后讲解机器人编程，使学生对机器人控制的认识提高到实际操作的层面上来。

另外，在讲每个章节时，适当引入相关知识的前沿进展、最新的成就成果，既扩大了学生的知识面，又提高了学习兴趣。

4.2 采用案例教学，改进教学方式

1）丰富实例激发兴趣。在进行新的知识点讲解前，通过图片、视频等多媒体技术，将收集的教学案例展现在学生面前。以实验室现有的FANUC机器人为一基础案例，并将该案例贯穿到整个教学过程中，把机器人各章节内容有机地联系起来，如图1所示。在讲解案例过程中指出相关知识在该机器人上的应用并提出问题，目的是引导学生将课堂理论与应用实际有机结合在一起。由于这个实际案例就在学生身边，拉近了理论知识与学生的距离，能够激发学生积极思考，增加学习兴趣，同时又能提高学生解决实际问题的综合能力，授课中取得了较好的效果。

2）注重课堂互动。在课堂教学中，一改传统填鸭式教学，采用启发式、引导式教学，鼓励学生进行讨论。例如，机器人机械结构部分内容相对枯燥乏味，教师在讲解时将各部分结构设计的要点以及常用的运动形式指出；然后让学生利用机械原理及机械设计中学过的知识，设想和讨论可以实现相应运动的机构有哪些，可以采用什么样的驱动方式；最后鼓励学生自己做一套完整的机器人机械结构方案，由教师对相应方案做出评估。

在机器人应用现状和未来前景等较活跃的领域开设课堂互动内容，鼓励学生从最新的科技文献、新闻甚至与相关专家的交流中去了解获得，搜集整理第一手资料。这不仅提高了学生的学习兴趣和主动性，也活跃了学生的专业思路。

3）增加现场教学环节。机器人中有些内容和概念比较抽象，比如机器人的自由度、精度、坐标系和机构简图等，学生理解起来会有困难。采用现场教学法，先由教师提出思考题，让学生通过对实际机器人的观察进行思考。然后教师结合机器人的运动对每个概念进行讲解，最后集体讨论。

坐标系在机器人学习和使用中是一个很重要的概念。常用的有全局参考坐标系、关节参考坐标系和工具坐标系。机器人可以相对于不同的坐标系运动，在每一个坐标系中的运动都不相同，学生很容易产生混淆。利用现场教学法，讲到每一个坐标系时，可以操作机器人让其在相应坐标系下运动。设定同样的参数，最终到达的位置不同，形象直观地展示出不同坐标系下的运动。

现场教学法给学生提供了充分的想象和思考空间，加深了对相应知识点的理解，效果比较显著。

4.3 改革实验教学内容，注重理论联系实际

课题组结合实验室现有条件，在机器人认知和机器人编程两个实验的基础上，自主开发FANUC机器人故障诊断实验。实验时，教师预先设置机器人常见故障，要求学生对工业机器人运行过程中故障进行诊断，能根据系统报错代码判断故障含义及原因，并通过实验排除故障。故障排除后，能重新校准初始位置，并在新坐标系内实现系统正常运行。该实验具有一定的综合性，能够锻炼学生灵活运用所学知识分析问题、解决问题的能力。

虽然在实验过程中，不免会碰到各种各样的问题，有时可能会找不到原因，但学生学习兴致很高，小组里每一名学生都会积极查找故障原因。学生反映这个实验虽然难度较高，但能让他们体会到用自己掌握的知识解决实际问题的成就感，提高了学习的积极性。