以学生为主体的机器人实践教学设计

2021-03-11辅小荣徐顺清王前进

科技视界 2021年2期

陆群辅小荣徐顺清王前进

（盐城工学院电气工程学院，江苏盐城 224051）

0 引言

机器人技术是先进制造技术的代表，其在汽车与机械设备制造、电子器件、集成电路、塑料加工等生产线中均有广泛的应用。随着世界各国相继颁布以“智能制造”为主题的发展战略，我国也提出了“智能制造2025”，旨在应对第四次工业革命下全球产业竞争的新局面与抢占未来产业竞争的制高点。由此不难断言，在未来的几年、十几年甚至几十年里，机器人的需求与应用会越来越普及，企业对掌握机器人技术的人才需求也会越来越旺盛。为了适应企业对机器人相关技术能力的要求，许多高等学校都开设了机器人技术相关实践课程[1-2]。

机器人学科属于一门交叉性学科，其所涉及领域繁多，主要包括机械设计、信息处理、计算机编程、控制科学、人工智能等。由于高等学校各二级学院课程体系的限制，学生所学课程不能覆盖所有这些领域。这无疑增加了学生学习机器人技术的难度，也给高校教师的教学提出了挑战。受这些因素影响，不少高校仅仅运用多媒体或者模拟仿真的方式进行机器人教学，这会导致学生对机器人技术的学习积极性和兴趣不高，并且所培养的学生在实际操作、问题分析能力和查错修改等方面的能力都比较欠缺。另外，一些高校虽然开设了机器人实践教学环节，但是教学模式相对死板，教师按照既定的实验教程，以授课的形式指导学生学习。但机器人技术所含内容广泛，授课内容在一定程度上具有局限性。

综上所述，高校在设置机器人课程时应当以培养学生的机器人工程应用和实践能力为主要目标，在具体实践教学时要突出针对性、实用性和实践性，从而使培养的学生在实验、动手操作、观察分析、自主探索和创新能力等各方面都能得到一定的训练与提高。针对上述有关机器人实践教学中存在的问题，我们提出了“以学生为主体”[3]的基于机器人实验平台的实践教学改革的新思路。

1 以学生为主体的本质

“以学生为主体” 的课堂教学观最早由美国的心理学家和教育家罗杰斯提出，其认为教师在教学的过程中，应当强调以学生为教学的主体，教师在课堂中不再扮演控制者的角色，而应当是学习的引导者。教师不再以灌输的形式迫使学生去被动地学习和接受知识，而是让学生积极地构建自身的知识体系，并让其学会学习，学会合作，成为学习环节中真正的主人。以学生为主体，能够体现教学中教师对学生的尊重，凸显学生的主体地位。

在机器人课程体系安排中，机器人的实践教学是一个极为重要的环节。与机器人理论课程不同，机器人实践教学必须以机器人及应用实验平台为基础，通过实验验证的方式让学生理解并掌握理论课程的内容。考虑到学生的未来就业，一些高校还会采用“项目式教学”[4]的基本教学形式进行实践课程的教学，即将企业实际项目所包含的整个流程融入实践教学中，以满足企业的需求。对于机器人实践教学课程，近年来也有一些教育工作者对基于“项目式教学”的机器人实践教学方法进行了探索与研究。虽然以学生为主体的教学理念也是“项目式教学”的基本理念，但两者并不完全等价，“项目式教学”只是一种典型的以学生为主体的教学方式。此外，“项目式教学”强调了学生的动手能力，但同时在一定程度上也弱化了理论知识和基本知识，并且其教学时间也通常比较紧张。因此，对已有的“项目式教学”存在的问题进行研究与改进，使其能进一步提高学生的创新实践能力，从而让它能更加有效地适应智能制造领域机器人应用的新型紧缺人才的培养需求具有重要的意义。

2 以学生为主体的本质

针对现有“项目式教学”方法中尚存在的一些问题，本文根据作者所在学校现有工业机器人实验平台的实际情况，并结合多年的教学和实践经验，提出了“以学生为主体”的机器人实践教学方法，具体教学实施方案设计如下。

2.1 实验平台和相关基础知识介绍

虽然高校学生在理论课程上对机器人的基础知识已经有了较为全面的了解，但是当他们第一次接触实际机器人系统时，有许多的学生会觉得比较陌生。如果高校教师让他们直接按照项目式的方法进行强化训练，可能会让他们觉得非常紧张，甚至会让一些学生觉得无从下手。 “磨刀不误砍柴工”，如果在进行正式的项目式训练之前，教师能够对实验平台和相关基础知识进行系统介绍，不仅不会耽误课程的正常教学进度，而且能在一定程度上消除学生的迷茫，使其真正地做到理论联系实际。

例如，我们结合盐城工学院现有的实验条件，开设了工业机器人实践教学课程。为了让学生对工业机器人有较为深入、系统的理解，我们收集了机器人的基础知识及实验平台的相关资料。在实践课的第一次课上，采用系统论的方式对Rbt3080 工业机器人工作站的各系统组成部分（包括PLC 系统、工业机器人本体、机器人末端执行器、快速切换工具、输送线单元、自动上料单元、视觉检测系统和旋转变位机单元等）进行了简单介绍，让学生明白这些组成部分的输入和输出以及各部分之间的具体关系。对于机器人本体的介绍，包括各坐标系、DH 参数和运动方式等知识，则由学生进行回忆并负责讲述，最后由授课教师逐一进行点评。“学然后知不足，教然后知困”，在课堂中通过交换师生的位置关系，可以让学生更加了解自己知识储备和分享展示能力的不足，只有这样学生才愿意积极主动地去学习与提高自己的能力。此外，也只有让学生身临其境，才能让其懂得教师教书育人的不易，才会让他们更加尊重教师及其工作。因此，这种方式很好地体现了“以学生为主体”的内涵。

2.2 项目任务式体系编排

企业对工业机器人的实际需求有所不同，其典型的应用需求包括码垛、分拣、装配和焊接等。因此，在进行任务编排时，需要设计不同的工业机器人实践项目以基本满足这些需求。对于这些项目的编排应遵循由浅入深的原则，具体原因如下：

（1）对于初次进行机器人实践课程的学生，其动手能力普遍较弱。如果刚开始就要求他们完成较难的项目，则很容易使其产生恐惧的心理，甚至可能会让他们放弃整个项目，这样会严重地影响教学进度与质量。

（2）如果前面的项目安排得比较难，后面的项目比较简单，那么对于可以顺利完成前面项目的学生（如那些动手能力相对较强的学生），后面的简单项目会引起他们心理的落差，对项目提不起浓厚的兴趣，同样也会影响教学质量。

（3）当前的“90 后”和“00 后”大学生普遍比较喜欢玩闯关类的进阶游戏，如果将实践项目也设计成游戏的这种进阶形式，将会有助于激发他们的兴趣、求知欲和探索心理。

盐城工学院的机器人实践课程为期两周，为了能够在这短暂的时间内起到训练和提高的目的，我们依次编排了三个项目：TCP（工具中心点）练习、搬运码垛和智能分拣。其中，TCP 练习项目包含了机器人坐标系的建立和点位示教，搬运码垛项目还涉及I/O 信号的配置，智能分拣项目则还须增加视觉检测系统。通过这种进阶式的项目编排，让学生边操作边学习，会起到事半功倍的教学效果。

2.3 项目的具体制定

虽然项目式训练的初衷是为了让学生能够在未来满足企业的需求，但我们不能照搬企业的项目，因为每个学校学生的能力有所差异，学生当前的能力与未来企业的要求也存在着差距，绝大部分的学生在实践训练之前是无法完成企业的实际项目的，所以才需要进行课程实践训练。我们应该从学生现阶段学习能力的实际情况出发，去设计好每个项目，包括项目的描述、项目目的、预备知识、项目实现和项目考核等各个方面。只有这样，当学生拿到每个具体的项目任务的时候，才能做到心中有数，并激发他们的兴趣和挑战欲，能够积极主动地去学习与训练。下面对于我们的第一个实践项目——TCP 练习，做简要概况。

项目描述：进行适当的TCP 练习，可以使机器人初学者学好机器人的基本操作，从而可以使其轻松地入门。

项目目的：（1）让机器人初学者了解如何进行ABB 机器人的工具坐标设定，包括其具体设定的方法与意义；（2）掌握ABB 机器人的常用运动指令，包括其具体的语法及其应用场合；（3）熟练地掌握ABB 机器人的手动操纵方法，并通过示教器能够对机器人进行正确、快速的操作；（4）本项目包含大量的点位示教环节，其可为后续复杂的程序编写打下坚实的基础。

预备知识：（1）MoveJ——机器人关节运动指令；（2）MoveL——机器人线性运动指令；（3）MoveC——机器人圆弧运动指令；（4）MoveAbsJ——机器人绝对位置运动指令。

项目实现：（1）建立TCP 练习工具坐标；（2）对TCP练习点位进行示教；（3）进行TCP 练习程序的编写。

项目考核：（1）能够使用ABB 机器人的示教器进行TCP 练习笔的工具坐标设定，其具体的要求为：能够清楚地描述如何创建机器人工具坐标，并能使用示教器精确的设定TCP，其误差要求控制在0.5 mm 以内；（2）能够熟练地编写机器人TCP 练习程序，其具体的要求为：第一，熟练掌握ABB 机器人的指令与操作，并能够编写一个走三角形或走圆形的程序；第二，在程序的编程与调试的过程中，要求不能够损坏TCP练习笔与不碰撞其他的部件；第三，能够使用专业的语言正确且流利地演示基本配置步骤。

2.4 虚实结合

一般高校的机器人资源相对有限，以盐城工学院工业机器人实验室为例，现只拥有5 台工业机器人。对于一个20 人/班的实践课程而言，通常是不能让所有的学生有大量的时间进行项目训练的。此外，如果让学生频繁地使用实际的机器人平台，很容易造成机器人的损坏，甚至造成安全事故。为了减少这些情况的发生，可以把机器人的软件仿真和机器人实体的应用进行有机结合。 ABB RobotStudio （RS）是一款由ABB 公司研发的计算机仿真软件，它能很好地模拟真实的机器人工作环境。在我们开设的机器人实践课程中，对RS 的使用进行了详细的介绍，并要求学生能够正确地使用它，特别是工作环境的搭建与示教器的使用。为了能够顺利地完成具体的项目，我们要求学生先在RS 上进行点位示教、I/O 配置与程序编程，当程序调试没问题时再进行实际的操作。通过这样的一个过程，让学生了解工程中一个项目具体的实施过程，起到了较好的教学效果。

3 实践意义与推广价值

“以学生为主体”的机器人实践教学，其实践意义和推广价值可概括如下：

（1）加强师资队伍的智能控制技术积累。让专业教师转变现有的教学与教育旧观念，要求每位教师都应当具备积极的学习态度，深入领会“以学生为主体”的教学理念和教育教学方法，并使教学课程适应经济和社会发展的要求。

（2）充分坚持以项目为主线、教师为引导和学生为主体的路线。要使学生在学习的过程中能够相对独立地进行项目相关信息的收集、方案设计、项目实施与最终评价等环节，就得要求教师能够为学生提供较为完整与合理的技术资源以便学生进行自主学习。通过建立与搜集机器人技术专业教学资源库，让学生能够利用视频动画和MOOC 等资源，并运用现近潮流的信息化方式和手段，实现线上与线下协同教育，从而协助学生自主地完成项目任务。

（3）以学生为主的项目式教学是一种有效的专业教育教学模式，其能够从专业素养、专业综合实践能力和专业理论知识这三个方面培养学生。

（4）以学生为主的项目式教学有利于培养学生自主学习、分析问题、解决问题的能力，有助于学生学习各类实践性和操作性较强的知识和技能，但它与传统教学法不冲突。如果在实际的教学中能做到两种教学法的有机结合与优势互补，那么教学效果更佳。