基于CBL教学模式的机器人原理课程研究与探索*

李鹏飞 王凤梅 李红丽 吕恒志

摘  要  根据《中国制造2025》对制造业提出的要求，行业对机器人应用需求越来越大，应用型本科院校在培养学生时应尽可能满足市场需求。针对机器人原理课程为后续机器人应用提供理论指导、推导过程较难，对学生综合素质要求较高的现状，提出基于CBL教学模式的机器人原理课程教学改革，紧跟行业需求，提升学生课堂参与度，激发学生兴趣，培养学生创新等综合能力。

关键词  机械电子工程专业；机器人原理课程；CBL教学模式；教学改革；虚拟仿真实验平台

中图分类号：G642.3    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2022）24-0095-03

0  引言

随着社会全方面的快速发展，世界各国对智能制造的要求逐步提高。德国在2013年首次提出“工业4.0”后，我国于2015年紧跟国际和国内行业形势提出“中国制造2025”战略计划，在战略计划中将机器人和高端数字机床产业归为第二大领域，表明国家将机器人领域放在非常关键的位置[1]，希望能够通过“三步走”战略进入世界制造大国的行列。目前，机器人在国防安全、医疗服务和工业应用等方面占据重要地位，全世界机器人领域的快速发展使得各行业尤其是制造业对掌握机器人知识的人才需求巨大，一度出现一将难求的局面。

2019年，人力资源和社会保障部、国家市场监督管理总局、国家统计局向社会发布13个新职业信息，各行业对工业机器人系统操作员和系统运维员的需求剧增。基于此，各高校纷纷设置机器人专业。作为应用型本科院校，郑州工程技术学院机械电子工程专业于2017年紧跟行业需求，将机器人原理设置为专业主干课程，培养学生基础机械制造知识，以顺应行业形势和满足企业用人需求。

1  课程现状分析

国外机器人相关课程起步较早，目前机器人教学具有课程设置灵活、交叉性强、以项目为导向、实践性强等特点[2-3]。国内机器人教学方面普遍出现课程设置较为单一，大多以普及知识的导论为主，且理论环节占据教学时间较长、实践环节较少甚至为零的局面。目前，国内关于机器人的教学模式大多数为填鸭式教学，学生处于被动状态，理论知识接收较为困难，更难和行业实际应用联系起来。机器人原理作为机械电子工程专业的专业必修课甚至是主干课程，具有基础知识面宽、学科交叉多和学习难度大等特点。而在郑州工程技术学院原有的人才培养方案中，机器人原理和工业机器人技术同学期开课，因侧重点不同，导致学生易出现知识接受不同步甚至混乱的情况，目前已作出合理调整。虽然排课已经合理化，但该课程在教学环节仍然存在很多不足。

1.1  注重理论教学

机器人原理是一门知识庞杂、内容较多的课程，却仅有32学时，想要在32学时内将全部内容讲完几乎不可能。因此，在讲课时只能精讲刚性运动和齐次变换、正逆运动学、速度运动学、轨迹规划和动力学等内容。尽管已压缩教学内容，但学生很难理解和掌握理论知识，如在进行运动学分析时需要储备大量矩阵变换知识，而学生对矩阵变换知识的掌握不足。学生虽然学过相关线性代数内容，但回忆和应用起来仍有难度，甚至有些专升本的学生表示没有修过线性代数课程，导致课程理论推导过程难以理解和接受。即使有些学生能够勉强接受理论也很难和实际应用联系起来，无法满足行业的应用需求。近几年，因疫情防控，学生不便外出，导致实践环节和时间不足。

1.2  教学灵活性不足

传统教学以填鸭式教学为主，授课形式单一，重视理论推导过程，课堂上以师为本的情况导致学生被动接受知识，学生学习兴趣普遍偏低、参与度较低，没有启发和激励学生自主学习。机器人原理原有的人才培养方案、教学内容、实践环节等都难以适应培养应用型人才的需要。将机器人原理挪至先于工业机器人技术课程一个小学期开课，避免学生混淆概念，提升接受程度。因此，教学改革主要在于对课程内容进行调整，使用新的教学模式激发学生的学习兴趣，迎合行业需求，增加实践环节和内容。

2  教学改革内容和措施

经过查阅大量资料和调研分析[4-5]，对机器人教学内容和方法进行改革，注重案例分析。每节课课前都为学生分享机器人领域前沿科研成果，提供虚拟仿真实验平台，增加实践环节等，加强理论和实践的联系，更加符合应用型人才培养方案。具体教学改革内容如下。

2.1  增加必要教学内容

在讲解机器人导论部分时，着重为学生展示目前世界上机器人领域较新的科研成果，包括并不属于工业机器人行业领域重点的仿生机器人、医疗和服务机器人等，之后逐步启发学生思考这些科研成果与本门课程的联系。在保证安全的情况下，鼓励学生关注并参加机器人展会。调研发现，目前郑州工程技术学院仍有大部分学生没有关注和参加过展会。课上为学生展示参展视频、分享感悟，结合机器人应用领域和发展前景，让学生感受机器人的魅力，激发好奇心，引导学生关注机器人科研领域发展，而不是仅仅关注课本上的内容。

2.2  改变教学模式

目前大多数高校在讲解机器人原理课程时，运动学、轨迹规划和动力学等章节用不同型号的机器人讲解重点，学生掌握知识点较为困难、不成体系且和实际应用联系较小。为符合应用型人才培养要求，选择基于CBL（Case Based Learning）教学模式，以目前高校中购置较多的和行业中应用较为广泛的ABB IRB1410六自由度工业机器人（如图1所示）为例开展教学。课程中用同一案例求解正逆运动学、速度雅可比矩阵、路径和轨迹规划与动力学，求解体系如图2所示。

为改变以往填鸭式教学模式，以学生为本，让学生做课堂的主人，在学期开课前给学生分享质量较高的线上资源。鼓励学生分小组根据网络资源进行讨论和分析，自行学习六自由度工业机器人等理论推导。在考核时，将这部分成绩设置为平时成绩的20%。任课教师发挥激发学生兴趣、布置任务、答疑解惑帮助学生指引方向等作用。结合线上网络资源和线下基于CBL教学模式，采用实物辅助教学等教学方式让学生积极参与课堂。在理论推导时采用PPT+视频教学的方式，启发学生思考和回答问题，教师以解答为主，激发学生兴趣，提高学生课堂参与度。

2.3  增加实践环节

机器人原理课程理论推导过程以学校配备的ABB IRB1410六自由度工业机器人为案例进行的情况下，在学期中安排为时1.5天的此型号机器人集训。此次集训不仅为学生提供认知实习，演示机器人多功能扩展模块程序，还力保学生自己动手、实际操作，能够运用机器人原理课程知识对学校的六自由度机器人编程实现搬运、码垛和喷涂等功能。此外，积极鼓励学生参加机器人相关比赛项目，增加实践经验，理论联系实际。

为增强学生的动手能力，学校安排机械电子工程专业的学生前往河南高端装备智能制造研究院有限公司进行为期两周的机器人方面的培训。此次培训不仅为机械电子工程专业学生考取新职业、新工种中的工业机器人系统操作员证书提供帮助，更是能够再次巩固和加强学生的编程与动手能力。

近几年因疫情反复，外出实习条件不佳，为学生提供虚拟仿真实验平台，如图3所示。该平台不仅能够让学生自行定义机器人产线的型号，还能根据机器人原理课程的知识进行仿真并输出动画。学校为学生提供实践场所和平台，有助于学生考取相关职业技能证书以及毕业后顺利就业。

2.4  优化考核方法

目前大多数的考核方式为期末卷面考核为主、平时成绩为辅。为避免学生平时不认真听讲、作业抄袭和期末突击考试等情况，将平时成绩结构优化为课堂出勤率、小组讨论效果、平时作业和实践环节等。期末试卷出题以考查学生运用机器人原理课程知识解决实际应用问题等为主。据统计，学生出勤率达到99%，小组讨论效果较佳，学生对实践环节具有浓厚兴趣，期末考试成绩较为理想。

3  结束语

随着中国智能制造行业的发展和行业对机器人方面人才需求的剧增，分析对比国内外关于机器人原理方面的教学特点，针对国内机器人原理课程教学过程中存在的问题，结合郑州工程技术学院实际，提出基于CBL教学模式的教学改革，发现该教学改革不仅能激发学生兴趣，提高学生课堂参与度，更是对培养应用型人才，为学生考取机器人新职业、新工种证书发挥了积极作用。

参考文献

[1] 张武翔，徐坤.机器人学课程教学改革研究与实践[J].安徽工业大学学报（社会科学版），2019，36（4）：68-69.

[2] 张奔.以实践为导向的机器人教学改革探索[J].中国教育技术装备，2017（6）：91-92.

[3] 张磊，张兴国，姚兴田，等.机器人课程跟进式教学改革的探索与实践[J].科教文汇，2020（1）：77-79.

[4] 陈琛.工业机器人技术的发展与应用综述[J].内燃机与配件，2018（1）：193-194.

[5] Hong Yi， Zhou Feifei， Zhang Xianzhu， et al. Astrongly adhesive hemostatic hydrogel for the repair of arterial and heart bleeds[J].Nature Communications，2019，10（1）：2060.

*项目来源：河南省教育厅重点研究项目“基于双目视觉和SVM的智能水果采摘机器人目标识别与定位研究及实现”（基金编号：21B510010）。

作者：李鹏飞，郑州工程技术学院机电与车辆工程学院，助教，研究方向为机器人技术；王凤梅，郑州工程技术学院工程训练中心，助教，研究方向为3D打印与逆向造型设计；李红丽，郑州工程技术学院机电与车辆工程学院，副教授，研究方向为机器人机器视觉；吕恒志，郑州工程技术学院机电与车辆工程学院，副教授，研究方向为机械设计（450004）。