《工业机器人技术》课程教学改革探索

摘 要：根据《工业机器人技术》涉猎内容广、综合性强等特点，对该门课的教学现状进行分析，阐述了重组教材内容，优化教学模式，实现理论与实践相结合的改革内容，为探索应用型人才的培养提供参考。

关键词：工业机器人；教学改革；应用型本科

近年来，由于现代技术的发展和产业结构的调整，劳动力市场对技术型人才的需求不断旺盛，《工业机器人技术》是机械类及相关专业的專业方向课程。该课程实践性强，与生产实际联系十分紧密，知识覆盖面较广，综合了机械原理、机械设计、电子电路技术、自动控制原理、传感器技术、线性代数等多方面的知识，是机械、电子、自动化的结合。

由于《工业机器人技术》的课程既具有很强的理论性，又有很高的实践要求，这使其在大学教育中的推广过程遇到许多困难。对于应用型本科院校而言，如何去拿捏理论与实践的比例，如何让学生提起兴趣的同时不被抽象难懂的理论所困，这些都成了每一位任课教师需要思考的问题。

1 改革的背景及存在的问题

目前我院的《工业机器人技术》课程被安排在第7学期开课，理论学时32，实践学时16，选用的教材是刘极峰主编的《机器人技术基础》第二版[ 1 ]。

在教学过程当中，主要存在的问题如下：

1.1 涉及内容广而杂

《工业机器人技术》课程包含的章节涵盖了：机器人的机械本体、关节机构的设计；机器人的运动学方程；机器人的动力学方程；末端执行器的轨迹规划方法；各种传感器的应用；以及以上内容的综合控制方法等。这些内容本身都属于不同的课程，学生要理解首先要有一定的基础，或者要另外花时间复习。此外，这些零散的知识点在教学过程当中容易让学生感到混乱，难以对课程内容产生整体的认识。

1.2 概念抽象

机器人的学习离不开D-H空间坐标系的建立，就算有工业机器人的图片、视频，只能让学生看到实体的部分，虚拟的坐标系难以直观地展现。

此外，抽象的概念，如工作空间、关节空间、雅可比矩阵等，在讲授的过程中，大部分学生都无法理解。

1.3 公式复杂

想要实际地设计和控制一台真正的机器人，学生要掌握的知识点非常多，如：齐次坐标的变换、D-H坐标系的建立、运动学方程的推导、雅可比矩阵的分析、甚至是动力学方程的推导和使用等。这些内容都是这门课的重点和精髓，然而枯燥的数学推导，以及复杂的空间关系，容易让学生失去学习的兴趣。

1.4 实践条件缺乏

由于机器人现状主要用于工业生产，造价不菲，而教学相关的实验设备开发有待完善，使得该门课程的实践环节很难展开。在没有实际操作机会的情况下，仅仅通过上机模拟很难达到预想的成效，也无法充分调档学生的积极性。

2 改革的基本举措

我校机电学院开设《工业机器人技术》课程，目的是为了培养机电一体化的应用型人才，更加适应企业的实际需求。结合这一目标，教师可以从以下几个方面，对课程教学进行改进和完善[ 3 ]。

2.1 重组教材内容，建立贯穿各部分内容的课程主线

针对课程内容零散独立的问题，为了让学生有整体的认识，可以先从机械专业学生比较熟悉的机械结构入手，通过讲解机器人三大组成部分（机械部分、传感部分、控制部分）的关系，进入控制系统和环境感知技术的学习，再以典型的机器人（如PUMA机器人）为主线，对运动学、动力学、轨迹规划进行由浅及深的讲解，特别在学习之前先要有一个明确的框架，说明这些方程各自起的作用，先提出问题，再带着疑问进行剖析，整个教学过程才能连贯。

2.2 优化教学模式，激发学生的自我思考，提高学习能力

《工业机器人技术》是一门实践性非常强的课程，在教学活动中，必须注重课堂互动。每次涉及新的知识点，拒绝一味的填鸭式教学，改而提出问题并引起学生兴趣，鼓励学生进行课后资料文献的搜集，让学生自己去思考并寻找答案，最后通过现场演讲的方式与其他同学进行交流探讨。

此外，还可以采用大作业的形式，鼓励并指导学生自己设计一套完整的机器人系统，让学生带着问题上课，充分调动学生的积极性。

2.3 权衡教学内容，因材施教

针对理论部分太难的问题，秉着培养应用型人才的宗旨，教师可以因材施教，对于深涩难懂的公式推导部分，进行概括性的介绍，而对于概念抽象的部分，可以结合虚拟样机仿真等软件，网上的教学视频，以及多媒体课件的方式，进行多角度全方位的剖析。在条件允许的情况下，利用实物进行教学，也可以大大提高效果。

此外，还应该在教学过程中，适当引入相关知识的前沿资讯、最新的科技发展成果，通过丰富的实例，在拓展视野的同时，也助于提高学生的领悟能力。

2.4 改善实验教学

结合实验室现有的设备条件，机器人的演示可以利用柔性制造系统的教学模型，以及实验室现有的小型工业机器人。机器人的运动控制可以利用MATLAB的robotics toolbox实现[ 2 ]。此外，还可以利用ADAMS软件强大的仿真模块，在Simulink中实现对虚拟样机的控制操作。

3 结语

《工业机器人技术》这门课不仅对于学生难，对于授课教师更难。该课程教学的内容必须紧贴潮流，与时俱进，绝不能受限于教材。这对于教师来说，意味着必须时刻关注机器人领域的最新动态，在平时的工作中积累素材，搜集文献，整理材料。只有发自内心的觉得有趣，这些事情才会变得自然而然。教学改革是一个长期的过程，在不断的实践当中，相信这些措施还会有不断的改进和完善。

參考文献：

[1] 刘极峰.机器人技术基础[M].高等教育出版社

[2] 谢斌.基于MATLAB Robotics Toolbox的机器人学仿真实验教学[J].计算机教育，2010，19：140-143.

[3] 黄用华.理工科高校《工业机器人》课程教学改革浅析[J].科技信息，2012，21：20.

基金项目：2015年广东省高等教育“创新强校”工程项目《强化工程教育，促进实践教学模式改革》（S-CQ201502）

作者简介：于楚泓（1989-），女，江苏人，硕士，助教，研究方向：机器人，智能控制。