基于OBE的机器人工程专业中机械基础类课程改革探索

王晋鹏 王鹏 王莹 杨晓龙

摘 要：本文以OBE教学理念为核心，结合机器人工程专业的毕业要求以及机器人中的常用机构和零部件，对机械基础类课程的教学体系进行了修订。针对理论教学体系，增加了同步带、谐波齿轮、RV齿轮以及交叉滚子轴承等内容，并将部分实例模型更换为了机器人中的典型机构和零部件。针对实践教学体系，更换了部分课内实验以及课程设计内容，构建了“学做一体”的实践教学体系。通过教学体系改革，学生对于机器人机械机构分析与设计的能力达到了要求，并且在学科竞赛中取得了优异成绩。

关键词：OBE；机器人工程；机械基础类课程；教学改革

中图分类号：G642  文献标识码：A

Exploration on the Reform of Mechanical Basic Courses in

Robot Engineering Major Based on OBE

Wang Jinpeng Wang Peng Wang Ying Yang Xiaolong

School of Mechanical Engineering， Xi'an University of Aeronautics and Astronautics ShaanxiXian 710077

Abstract：Based on the OBE teaching concept，the teaching system of mechanical basic courses is revised in this paper by combining with the graduation requirements of robotics engineering and the common mechanisms and parts in robots.For the theoretical teaching system，the contents of synchronous belt，harmonic gear，RV gear and cross roller bearing are added，and some example models are replaced with typical mechanisms and parts in the robot.For the practical teaching system，some contents in inclass experiment and curriculum design have been replaced，and a practical teaching system of "learning and doing in one" has been constructed.Through the reform of the teaching system，the ability of students in analysis and design of robot mechanical mechanisms has met the requirements，and excellent results is achieved in the subject competition.

Keywords：OBE；Robotics Engineering；Mechanical Basic Courses；Teaching Reform

制造業是国民经济的主体，是立国之本、兴国之器、强国之基。为了加快我国从制造大国向制造强国的转变，2015年国务院印发了《中国制造2025》，制定了中国制造业发展的“三步走”战略［1］。机器人作为《中国制造2025》中的十大重点领域之一，已成为智能制造的关键抓手。自2015年之后，机器人产业呈现出了爆发式增长的态势，但作为支撑机器人产业发展的专业人才则严重缺乏，教育部、人力资源社会保障部、工业和信息化部联合印发的《制造业人才发展规划指南》预测，到2025年机器人技术领域人才缺口达450万。

为了满足机器人产业对于专业人才的迫切需求，从2015年至2020年，我国已有302所高校成功申报“机器人工程”专业。具备机器人结构设计能力是国内外高校机器人工程专业的培养目标和毕业要求之一，机械基础类课程（包括机械原理、机械设计以及机械设计课程设计等）是支撑该能力的重要基础课程。这些课程同时作为其他机械类和近机类专业的重要基础课程，其教学体系和方法改革已经得到了许多学者的关注和研究。葛文杰［1］在机械原理的教学中采用“黑板粉笔+教具+电子教案素材”的教学手段，将填鸭灌输式教学变为引导式、启发式和探究式教学，构建了“引导讲授+慕课学习+翻转课堂+讨论课+研讨课”的线上线下混合式教学模式。薄瑞峰［2］在机械原理教学中采用了“机动式”教学法，将课堂变为学堂，将作业变为作品，将实验变为实践，实现了学生由“学会”向“会学”的转变。杨勇［3］、张艳平［4］分别将QFD方法（以顾客需求为驱动的产品设计方法）和项目式教学法引入了机械原理教学。刘小勇［5］、于克强［6］分别以OBE理论为基础对各自学校中机械原理的教学大纲和指标体系进行了修订。

虽然已有学者根据OBE理论对机械基础类课程的教学内容和指标体系进行了修订，但主要针对的是机械制造及其自动化专业。机器人与其他机电设备相比，有自己特有的典型机构和常用零部件。本文根据机器人工程专业培养目标，结合机器人的结构特点和常用零部件，重构了机械基础类课程的理论和实践教学体系。

1 教学改革流程

基于OBE理念的机器人工程专业机械基础类课程教学体系的修订流程如图1所示。先根据机器人工程专业的毕业要求、机械基础类课程的特点及机器人机构中常用机构及部件确定课程的能力目标。然后根据课程主要知识点中蕴含的思政元素（包括爱国主义、科学精神、工匠精神等）确定课程的素质目标。再根据课程目标，修订理论教学内容，以及基础实验、综合实验及集中实践的内容和要求。接着根据教学内容修订教学方式（包括项目式教学，理实一体教学等）、考核方式、达成度评价方法以及参考教材。最后由任课教师、课程组等对课程目标和教学内容等进行内部评价；由用人单位、往届学生等进行外部评价；并根据评价结构重新修订课程目标和教学内容。

2 理论教学体系改革

机器人作为典型的机电产品，在其机械结构中也会用到连杆机构、螺纹连接、带传动、齿轮传动、轴和轴承等常用结构和零部件，但其机械结构中零部件的具体类型又和其他机电产品有所不同。例如，机器人中常用带传动类型为同步带传动，而非V带传动；常用齿轮传动类型不仅包括圆柱齿轮传动、圆锥齿轮传动、蜗轮蜗杆传动等，还包括谐波齿轮传动和RV齿轮传动；常用轴承类型为交叉滚子轴承。结合机器人中机构和零部件的类型，从以下两方面对机械原理和机械设计课程的理论教学体系进行了修订和改革。

（1）增加教学内容。结合机器人中的常用机构和零部件，在机械原理和机械设计的理论教学中增加了谐波齿轮传动、RV齿轮传动，同步带传动，交叉滚子轴承等传动机构和零部件工作原理和特点等内容。

（2）更换实例模型。OBE教学理念的核心是以成果为导向，培养和提升学生解决工程实际问题的能力。实例教学法作为提升学生能力的常用教学方法之一，在机械原理和机械设计的教学中得到了广泛应用。结合机器人中的常用机构和零部件，在机械原理和机械设计课程教学中将部分实例模型进行了更换，具体为：

①在平面机构的运动分析，平面连杆机构的类型及特性分析中，引入仿生机器人或工业机器人中的连杆机构为实例模型。图2为学生制作的仿生螃蟹机器人，该仿生机器人中的腿部为连杆机构，可将该连杆机构作为实例模型讲解平面机构的运动分析以及平面连杆机构的特性分析。

②在定轴轮系传动比计算中，引入工业机器人腰部、手臂或手腕机构中的齿轮传动系统为实例模型。

③在螺纹连接的受力分析和强度计算中，引入工业机器人手爪中爪钳与安装板间的螺纹连接以及工业机器人安装时的地脚螺栓为实例模型。

3 实践教学体系改革

机械原理和机械设计的实践教学内容包括课内实验和后续的机械设计课程设计。结合机器人工程专业的培养目标和毕业要求以及机器人中常用机构和零部件的类型，对课内实验和机械设计课程设计的内容及要求做了修订。

（1）在机构运动简图测绘实验中，将测绘对象更换为学生在机械创新设计大赛制作的仿生机器人模型。图2为学生在第十届全国大学生机械创新设计大赛中制作的仿生螃蟹模型，可将该模型中的腿部运动机构作为对象让学生进行测绘并绘制其机构运动简图。

（2）在带传动效率测试实验中，除了测试V带传动的效率外，增加同步带效率的测试，并对V带和同步带的效率进行对比。

（3）增加6轴工业机器人結构分析与拆装实验。我校于2019年投资400余万元建立了机器人创新实验室，在该实验室中可对埃夫特6轴工业机器人进行结构分析和拆装。

（4）以工业机器人中腰部、手臂或手腕中的传动系统设计作为课程设计内容。GTH2手臂回转机构中既包含了圆柱齿轮机构和蜗轮蜗杆机构，也包含了轴、轴承、键等通用零件。将该机构的设计作为机械设计课程设计的内容既符合机械设计课程设计的课程目标，也契合机器人工程专业的培养目标和毕业要求。

（5）以中国机器人大赛、全国大学生机械创新设计大赛相关题目中的机械部分作为课程设计内容。以图2仿生螃蟹为例，其机械部分既包含了齿轮机构、连杆机构，也包含了轴、轴承、键等通用零件；可将其机械部分的设计作为机械设计课程设计的内容。

在课程设计完成后，以我校“工匠坊”为依托，鼓励并支持学生根据设计结果加工制作实物模型，形成“学做一体”的实践教学体系。

4 教学改革效果

通过理论和实践教学体系修订，我校机器人工程专业学生不仅掌握了连杆机构、凸轮机构、齿轮机构、螺纹连接、键连接、带传动、链传动、轴及轴承等常用机构和通用零部件的性能分析及设计，还能将这些知识用于机器人机械结构分析以及设计。同时，学生能够分析同步带、谐波齿轮传动、RV齿轮传动以及交叉滚子轴承的机构和零部件的工作原理和特性，为后续专业课程的学习以及毕业指标体系的达成奠定了扎实的基础。

以修订后的机械基础类课程理论和实践教学体系为支撑，我校机器人工程专业学生在2021年中国机器人大赛暨RoboCup机器人世界杯中国赛、中国工程机器人大赛中获得国家级一等奖8项，二等奖2项，三等奖1项。在第十届全国大学生机械创新设计大赛陕西赛区仿生机器人组的比赛中获得一等奖2项，二等奖3项。

结语

为了培养和提升学生对于机器人机械机构的分析与设计能力，以OBE教学理念为核心，结合机器人中常用机构与零部件类型，对机械基础类课程的理论和实践教学体系进行了修订。针对理论教学体系，增加了同步带、谐波齿轮传动、RV齿轮传动、交叉滚子轴承工作原理和特性分析等内容，将平面机构运动分析、平面连杆机构特性分析以及螺纹连接受力分析和强度计算等内容中的实例模型更换为了机器人中的连杆机构和螺纹连接。针对实践教学体系，在课内实验中将机构运动简图测绘对象更换为机器人中的运动机构，增加了同步带效率测试；在课程设计中，将传动的二级圆柱齿轮减速器设计更换为工业机器人传动系统设计或者中国机器人大赛、全国大学生机械创新设计大赛中的相关题目；以“工匠坊”为依托构建了“学做一体”的实践教学体系。

通过对理论和实践教学体系的改革，学生对工业机器人机械结构的分析与设计能力得到了提升，在中国机器人大赛、全国大学生机械创新设计大赛中取得了优异成绩，达到了课程目标和机器人工程专业的毕业要求。

参考文献：

［1］葛文杰.牢记使命 创建新时代“一流课程”——基于机械原理课程的改革与建设实践［J］.西北工业大学学报（社会科学版），2018（01）：4044.

［2］薄瑞峰，等.机动式教学法在机械原理中的应用［J］.机械设计，2020，37（S2）：234236.

［3］杨勇，江京亮，金霞.基于OBE理念的《机械原理》课程教学体系创新与实践［J］.高教论坛，2021（01）：3639.

［4］张艳平，王继荣，张继忠，等.基于新工科的机械原理教学内容改革与思考［J］.教育教学论坛，2020（46）：159161.

［5］刘小勇，李荣丽，杨慧香，等.新工科背景下基于OBE理念的机械原理改革研究［J］.机械设计，2020，37（S2）：2326.

［6］于克强，元林，宋胜伟.基于工程教育专业认证的机械原理OBE教学模式的构建［J］.教育教学论坛，2020（27）：246247.

基金支持：1.陕西省教育科学“十四五”规划2021年度一般课题：OBE工程教育理念下面向机器人专业的机械基础类课程改革研究（项目编号：SGH21Y0249）；2.西安航空学院校级新工科研究与实践项目：基于“1+X”证书制度下人才培养模式研究——以机器人工程专业为例（项目编号：21XGK1003）；3.陕西省高等教育学会高等教育科学研究项目：基于OBE理念的应用型本科机器人工程专业核心课程混合式教学模式研究（项目编号：XGH21235）

作者简介：王晋鹏（1982— ），男，汉族，山西晋城人，博士，副教授，研究方向：大型齿轮传动振噪分析、机械基础类课程教学改革。