智能制造背景下应用型本科院校“工业机器人”教学改革探讨

韦慧玲

（佛山科学技术学院机电工程与自动化学院，广东 佛山528000）

1 前言

2013年，德国率先提出了工业4.0战略发展规划纲要，推动制造业转向智能化、信息化以及数字化发展，以智能机器人为代表的智能制造和高端装备成了产业升级最先进的生产工具。紧接着，国家将加快工业机器人应用、促进机器人模块化发展、突破机器人技术瓶颈等列入国家重大战略规划《中国制造2025》[1]。《粤港澳大湾区发展规划纲要》指出，要推动制造业智能化发展，以机器人及其关键零部件、高速高精加工装备和智能成套装备为重点，大力发展智能制造装备和产品，培育高端装备制造、智能机器人等重大产业项目[2]。《珠江西岸先进装备制造产业带布局和项目规划》明确提出，佛山市要重点发展关键智能制造基础共性技术，推进以自动控制系统、工业机器人、伺服和执行部件为代表的智能装置的研发和产业化，大幅提高制造过程信息化水平，提升重大智能成套装备的集成水平，形成高度灵活、个性化、网络化的产业链[3]。这些重大战略规划都明确了智能制造是中国制造业发展的方向。因此，自动化、高效率、智能化的工业机器人将成为中国制造业最重要的生产资料[4]。随之增长的是企业对具有工业机器人技术专业知识理论和实操技能的人才的迫切需求。因此，在智能制造背景下，近年来大部分应用型本科院校的机械工程专业和自动化专业都开展了双语课程“工业机器人”。

“工业机器人”这门双语课程作为机械工程专业和自动化专业一门重要的专业基础课程，主要由理论知识和实操技能训练两部分组成。理论知识部分公式繁多，内容融合了机器人、高等数学、矩阵论等多学科知识，在授课过程中出现了枯燥乏味、学习热情不高涨等问题。实操技能训练部分是由实验员代课，主要通过虚拟平台演示和机械臂展示，出现了理论无法联系实践、学生动手能力没得到训练等问题。同时，由于双语课“工业机器人”是一门新兴交叉学科的课程，国内外可参考的课程设置体系不多，导致出现了学时分配不合理、教学大纲有缺陷、教材选择不适合等问题。

因此，针对双语课“工业机器人”在教学过程中出现的问题，如何提高双语课程“工业机器人”的教学效果，激发学生的学习兴趣，锻炼学生的创新创造思维以及实操技能，是当下教学改革必须深入探讨的问题。

2 双语课“工业机器人”教学现状剖析

要想对课程设置进行教学改革，必须要深入剖析当前课程在教学过程中出现的问题。在总结目前双语课程“工业机器人”的教学现状基础上，归纳了以下几个突出问题：①教材选择不适合。智能制造背景下对人才的要求是理论性与实践性兼备。但目前工业机器人相关的教材很多，每种教材的内容侧重点都不同，且有些教材滞后于工业自动化智能制造的发展。而有些教材只注重理论知识教学，未涉及编程等实操能力的训练。这使得教学质量跟不上社会、企业的需要。因此，当前的教材难以适应应用型本科院校学生的教学需求[5]。对于双语课程的教材要求，就是英文原版的工业机器人教材，而国外真正命名为“工业机器人”的英文教材是没有的。因此，很多院校就选择了华中科技大学出版社出版的《工业机器人》中文教材，这样就导致了与教学大纲双语课程要求的英文教材、英文教学相矛盾。同时，这本教材属于普及性教材，很多公式的推导过程都省略了，直接给出结果，学生难以理解。更重要的是，这本教材没有虚拟仿真编程技能训练内容。②教学课时安排不合理。双语课“工业机器人”是一门理论+实操的课程，其目的是让学生掌握工业机器人的机构设计、运动学、动力学、静力学、轨迹生成以及控制系统等相关基础理论和技术要点，同时加强学生的专业英语文献阅读及写作能力，更重要的是掌握工业机器人典型机械臂的操作能力。因此，在课时安排上，总课时要充足，同时理论课时与实操课时要平衡。当前的课时安排是34理论课时加6课时实验课时。而国外哈佛大学工业机器人的课时是34理论课时加22实验课时。斯坦福大学是43理论课时，加州理工大学是42理论课时[6]。可见当前的课时设置是相当不合理的，实验课时比哈佛大学少了整整16个课时，学生在听实验课教师的讲解中完成了实验课，没有动手操作的机会，如何去掌握工业机器人的实操技能呢？同时，理论课时比斯坦福大学和加州理工大学都少了约10课时。课时的缩减让教师无法详细给学生讲解理论知识，加上这是双语课程，非母语的学生在听课和阅读教材上就要耗费更多时间。教学课时安排太少，导致教师无法教好，学生无法透彻理解，导致教学效果变差。③教学内容不全面。由于双语课程“工业机器人”是建立在学生学习了机械原理、高等数学、矩阵论、工程力学等学科基础上的，要求学生具有扎实的数学、力学计算能力，同时拥有一定的计算机编程能力。因此，以往一般是针对研究生开设这门课程[7]，而研究生已经系统学习了基础课程，同时具备一定的编程能力，所以，参考其制定的教学内容不适合本科学生。目前，本科院校双语课程“工业机器人”的教学大纲要求掌握的教学内容包括运动学、动力学、静力学、机械设计四大内容，而对于工业机器人最核心的传感系统、控制系统、编程系统却不涉及，学生无法掌握工业机器人的工作原理，更无法理解工业机器人的工作指令。这显然不符合智能制造背景下的工业机器人人才需求。工业机器人由于其特定的工作环境，控制系统设计与传统控制技术还是存在较大区别，是非常有必要给学生传授这部分内容的。④实践脱离理论。针对目前智能制造背景下社会对理工科人才的需求，“工业机器人”这门课程培养的人才应该是掌握过硬的理论专业知识以及熟练的实际操作技能。然而，目前的课程设置无法达到这个效果。理论课程授课和实操课程授课不是同一位教师，这就导致了实操课程教师无法了解学生理论知识的掌握程度，而理论课程教师也无法了解学生的实操技能训练效果，直接导致学生、教师、课程三者无法构成闭环反馈系统，难以发现教学过程中存在的问题，无法根据教学过程中出现的问题调整教学内容和教学方式方法；学校由于缺乏资金、场地有限、实验室不规范、机器人教具不足等，进而严重压缩了实践课时。

3 改革措施的探索

选择适合的教材是提高教学质量的关键[8]。因此，针对教材不适合的问题，在参考国内蔡自兴编著的《机器人学》、韩建海编制的《工业机器人》、国外的哈佛大学和斯坦福大学工业机器人课程教材《Ⅰntroduction to Robotics：Mechanics and Control》后笔者认为机械工业出版社出版的《机器人学导论》（英文版，4版）比较适合。首先这本教材内容全面，逻辑层次清晰，公式推导详细易懂，重要的是每一个章节后面都附有MATLAB上机实验作业，不仅注重学生对理论知识的培养，更锻炼了学生的实际编程能力，使学生在掌握理论知识基础上强化了实践实验能力。

针对教学课时安排不合理的问题，在参考国外大学的课时安排后，根据教材内容和英语教学要求，理论课时至少安排40个课时。这样教师有充足的时间把重点、难点问题解释清楚，也给学生一定的时间与教师交流讨论。同时，实验课时至少安排20个课时。这不仅满足了教师讲解时间的要求，同时还保证了每个学生至少能把一款工业机器人实际操作一遍，加深学生对理论知识的理解。

针对教学内容不全面的问题，在对教材进行了调整后，根据教材安排教学内容。工业机器人的传感技术、编程语言和控制系统作为工业机器人工作的核心系统，最能体现工业机器人智能化的部分，要列为教学内容中的重点难点。由于机器人控制是课程较为关键的一个内容，要强化学生对这部分理论知识的掌握，为后期实践教学打好基础。总之，教学内容的设置要让学生对工业机器人的机械系统、驱动系统、控制系统和感知系统有一个全面的理解和认知。

针对实践脱离理论的问题，提出增设“工业机器人结构拆装”“上机编程模拟计算”“实操调试”等课程实践教学内容和技能训练手段，同时鼓励学生理论联系实践开发产品、开展实操技能比赛等措施，提高学生的课程参与度，培养学生对工业机器人的结构设计、零部件加工、系统装配、运动控制、编程与调试、日常运行与维护等实操能力。利用MATLAB中的工具箱robotics toolbox[9]、ADAMS的仿真模块、Simulink等虚拟软件实现对工业机器人虚拟样机的控制操作，提高学生的编程能力和解决实际问题的能力。同时，把班上学生分组进行工业机器人创意创新产品开发，组内学生分工合作，实现工业机器人机构优化设计、驱动系统搭建、控制平台建立等，完成轨迹规划计算。学生可以利用慧鱼完成，也可以自己搭建实物。另外，开展工业机器人实操技能比赛，激发学生学习的热情。

4 结论

“工业机器人”是一门理论性和实践性都很强的课程，对于学生的学和教师的教都有很大挑战。针对当前课程教学中存在的问题进行了改进，激发学生对工业机器人学习的热情，提高了教学效果。