基于“卓越工程师”培养计划的“机器人技术”课程教学模式探讨

龚智强 杨胡坤 胡 健 路 玲

（巢湖学院，安徽 巢湖 238000）

1 引言

随着社会的进步和人们生活质量的不断提高，一些重复性或对人身有伤害的工作，急需采用机器人替代人力去完成相应任务。目前人力资源成本高，沿海城市劳动力短缺，难以满足各行各业和广大人们日益增长的新需求，需要研发不同型式的机器人产品，以提高产品的质量和生产效率[1-3]。近年来，机器人产业呈爆发式的增长，无论在传统的工业制造领域，还是在高科技领域，以及服务领域，机器人正不断地提升人们的生活水平。教育部正在实施“卓越工程师教育培养计划”重大改革项目[4]，目前巢湖学院已获批省级机械专业“卓越工程师培养计划”项目，校级机械电子工程“卓越工程师培养计划”项目也被立项，成立了机械专业“卓越工程师”班。“机器人技术”作为专业必修课，也是技术基础课程，该课程所学的内容乃是有关机器人的基础知识，理论性难度大，实践操作专业性强。

“机器人技术”课程在培养学生应用理论知识进行机器人创新设计中起到重要作用，机器人技术作为机械专业的一个专业方向，其课程教学改革对实现卓越工程师的培养具有重要意义。目前该课程教学中存在一些问题，如实物模型少，实践教学占比少，实验条件欠缺，课程讲授过程中典型机器人设计开发实例缺乏等。本文在地方应用型本科高校转型发展背景下，根据“卓越工程师”教育培养计划要求和针对当前“机器人技术”课程教学过程存在的问题，提出课程理论教学改革和多模式的实践教学思路及方法，优化课程教学内容，提高实践教学在课程建设中的比例。使学生了解机器人技术的最新发展动态，掌握机器人产品的开发、设计、制造的基本方法，使学生得到创新实践训练，培养熟练掌握机器人理论和应用的高素质创新型人才。

2 理论教学模式改革探讨

“机器人技术”课程理论性强，内容涉及知识广，包括机械、电子、控制等学科的基本理论知识，课程学习要求先修机械原理、机械设计、互换性与测量技术、单片机原理及应用、传感技术与应用、电气控制与PLC等课程，课程内容有机器人的机械结构，机器人运动学和动力学，机器人控制技术，与机器人相关的传感器技术，机器人视觉等。目前的教学过程中理论教学过于单一，按传统的教学方法讲授，导致学生感觉知识抽象难懂，公式推导复杂。提出将虚拟仿真技术、实物搭建模型、创新发明方法和互动式教学引入课堂教学，调动学生学习的积极性，以知识应用为重点，概括讲授一些冗余复杂内容，重点讲授“机器人技术”应用知识。

2.1 将虚拟仿真技术和实物搭建模型引入课堂教学

目前，计算技术发展迅速，虚拟仿真技术得到充分应用，设计效率高周期短，精度高，应用越来越广，已被广大设计人员所接受。虚拟仿真技术在机器人设计过程中起着很大的作用，采用虚拟技术，机器人设计计算结果可视化，直观的获取关键性参数[5-6]。在教学过程中，增设现代仿真技术在机器人设计中的应用，如ADAMS虚拟仿真技术、MATLAB-Simulink系统仿真技术等；并在课堂教学中演示采用虚拟仿真软件进行机器人的设计、仿真结果导出，获取模型的相关运动学和动力学特性，使学生意识到仿真技术在机器人设计中的重要性，以便课后主动去学习相关虚拟仿真软件。

课堂教学过程中，教学材料中充分加入典型机器人机构动画仿真演示，同时在授课过程中携带机构零件实物，现场进行机器人机构模型搭建，以便于学生更好地理解和掌握相关知识点，采用实物模型搭建和动画辅助教学，以加深学生对理论知识的掌握，并领略理论知识的深刻内涵，提高学生的学习效果。同时更新教学内容，将最新机器人技术研究成果引入课堂，提高学生学习兴趣。

2.2 将创新发明方法和互动式教学引入课堂教学

将TRIZ创新发明理论引入理论教学过程，培养学生对TRIZ创新发明理论和方法的认识，让学生了解机器人创新发明方法和成果。将教师在机器人创新方面的科研成果等引入课堂教学，从发明任务到最终的发明成果一一给学生讲解整个设计创造的全过程，以及在这个过程中需要把握的关键性环节，让学生学会如何利用所学知识去创新设计，如何去找寻创新点，让学生了解发明创造的过程和方法，以及如何去对自己的发明创造成果进行专利的申请写作，提高学生专利写作水平，让学生意识到知识产权的重要性，增强学生对知识产权保护的意识。

教师布置典型机器人设计的讨论主题，学生根据兴趣分组进行综合性讨论，深刻理解机器人系统设计过程及关键点所在，最终提交的主题报告作为平时成绩的一部分，并将小组讨论结果在课堂中进行点评，指出其中设计的优劣，并要求学生对设计中的问题进一步完善，让学生积极主动学习并应用知识完成主题中的设计任务。

3 多模式的实践教学改革

实践教学在课程教学中具有非常重要的作用，是培养高素质应用型人才的关键环节。对课程实践教学内容进行调整并优化整合，提高实践教学在课程建设中的比例，让学生重点掌握机器人在工业领域和其它领域的应用，并结合实验室现有设备培养学生动手编程、设计和操控机器人的能力。充分利用现有实验教学设备，鼓励学生进行开放性实验设计和积极参加各类学科竞赛，搭建完善的课程实践教学平台。学生充分利用实验室已有的机器人实验实训设备进行实验开发及设计，课后到开放实验室进行实验设计制作机器人的研究。同时，要求实践课程教师积极开展产学研活动，到企业挂职锻炼，提高教师实践指导能力，培养“双师型”教师队伍，为学生实践教学服务。在实践教学中，制订监督考核制度，保证良好的实践教学效果。

3.1 充分利用现有实验教学设备教学模式

目前，巢湖学院机械工程学院建立了机械电子工程与机器人实验室、机械基础实验室等实验室，实验室有可重构并联机器人（图1）、可拆装串联机器人（图2）、SCARA机器人实验系统、慧鱼机器人模型、人形机器人等实验实训设备；在实验教学中，开设可重构并联机器人、可拆装串联机器人、SCARA机器人、慧鱼机器人模型、人形机器人等实验，让学生搭建和控制机器人实验，加深对课程理论知识的理解，能够应用所学理论知识去搭建机器人实验平台，并进行测试分析，培养学生的机器人设计及应用的能力。

并联可重构机器人实验系统由并联机器人本体机构、驱动模块、电气控制系统、控制软件和控制计算机等组成。驱动模块由伺服电机驱动，通过丝杠螺母副机构带动连杆运动，让学生进行并联可重购机器人三种并联机器人结构类型之间的转变、运动规划和编程系统设计实验，增强学生对并联机器人的认识，掌握并联机器人基础知识，为创新设计制作并联机器人打下基础，使学生能够模拟工业现场的实际运行状况。

可拆装串联机器人实验系统由可拆装串联机器人本体、实验系统、一体化控制柜组成。可拆装串联机器人本体包含六个模块，安装机器人关节，可分为模块1～模块6，模块1～模块6从1到6逐渐组合。让学生进行机器人拆装实验，任意搭建模块1～模块6，实现1～6自由度机器人，掌握工业串联机器人结构组成，认识谐波减速器、行星减速器，进行多自由度搭建和控制实验，让学生掌握控制每个模块控制编程方法，了解伺服电机控制驱动。

仿生人形机器人组合模型，让学生进行机器人创新设计训练，拼装人形机器人、机器狗、六足方形爬行机器人、圆形爬行机器人、四足方形爬行机器人、宽足印双足机器人、窄足印双足机器人、机械臂等。

图1 可重构并联机器人

图2 可拆装串联机器人

3.2 鼓励学生进行开放性实验设计和学科竞赛的教学模式

目前已建立机器人开放性实验室，对全校师生开放，通过科学管理和有效运行开放性实验室，提高学生对“机器人技术”课程的兴趣，培养学生的创新意识，提高学生研究能力，开展多学科研发促进人才培养模式转变，使得学生把设计与实践结合起来，同时鼓励学生通过开放性实验室资源去申报国家级大学生创新创业训练计划项目、皖维科技孵化基金项目等，让学生逐步具备科学研究的能力。

鼓励学生积极参加国家举办的全国大学生机器人相关赛事，根据赛事主题，学生在教师指导下进行创新设计和制作，设计出创新结构，加工实物并进行测试试验，培养学生综合性设计能力。对比赛获奖的学生可取得相应创新学分，并在评奖评优同等条件下优先考虑，激励学生参加全国大学生学科和技能竞赛，提高了学生参加创新活动的积极性。通过比赛提高了学生应用能力，激发了学生学习“机器人技术”的兴趣。通过参与各类赛事，培养学生创新意识，增强学生应用能力，将理论知识与实际设计相结合，解决问题和分析问题的能力进一步增强。

通过该实践教学模式的培养，学生取得较为丰富的成果，获得包括全国大学机械创新大赛、全国大学生工程训练大赛在内的各种竞赛奖项20余项，获批全国大学生创新训练计划项目、皖维科技孵化等各类项目20余项，学生作为第一发明人授权国家专利10余项，参与授权国家专利100余项。指导教师积极指导学生对项目的设计方案反复讨论、不断完善，当设计方案确定以后，完成完整的设计方案图纸，并进一步进行完善，然后申报专利，同时做出实物模型，并将成果以论文的形式进行发表，让学生切身体会到创新实践的作用。

4 完善课程评价体系

课程成绩由平时成绩和期末考试卷面成绩组成，改革课程考核方式，平时成绩包括课堂考勤、课堂表现、课后作业、实验、创造发明成果等组成。通过理论教学改革，鼓励学生课后搞研究发明，提高平时成绩在课程成绩中所占比重，让学生认识到知识应用的重要性，提高学生机器人理论知识应用到实际中的能力。

教学过程中，对学生进行问卷调查，根据学生反馈意见，及时进行课程教学的调整，以学生为主体，从而达到学生积极去学习，形成良好的学习氛围。

5 总结

在理论教学中提出将虚拟仿真技术、实物搭建模型、创新发明方法和互动式教学引入课堂教学，以知识应用为重点，概括讲授一些冗余复杂内容，重点讲授“机器人技术”应用知识。在实践教学中提出充分利用现有实验教学设备、鼓励学生进行开放性实验设计和学科竞赛的教学思路和方法。对课程实践教学内容进行调整并进行优化整合，提高实践教学在课程建设中的比例。以动手实践能力培养为目标进行优化设计课程内容，强调实际应用，把课程理论教学与应用实践综合起来，让学生熟练掌握机器人理论知识和应用，提高学生在机器人结构设计、自动控制等方面的能力。改革课程考核方式，完善课程评价体系，通过实施课程教学模式改革，学生对课程学习兴趣显著增强并能够积极主动学习，同时也取得了较为丰富的成果，由此进一步激发了学生对机器人设计开发的热情，提升了学生创新设计和实践制造的能力。