劉 娣 許有熊 朱松青

南京工程學(xué)院 江蘇南京 211167

機(jī)器人技術(shù)是自動(dòng)控制、機(jī)械、電子及人工智能等多學(xué)科領(lǐng)域交叉融合而形成的一種綜合性技術(shù)。目前，各國(guó)各地區(qū)均把機(jī)器人產(chǎn)業(yè)和先進(jìn)制造作為重要戰(zhàn)略目標(biāo)，搶占機(jī)器人技術(shù)和市場(chǎng)制高點(diǎn)已成為世界各國(guó)戰(zhàn)略布局的主要方向。目前我國(guó)正處在由制造業(yè)大國(guó)邁向制造業(yè)強(qiáng)國(guó)的關(guān)鍵時(shí)期，黨的十八大提出了四化協(xié)同、兩化深度融合的戰(zhàn)略，中國(guó)作為制造業(yè)大國(guó)，將成為全球機(jī)器人的最大潛在市場(chǎng)，機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展及對(duì)機(jī)器人人才的巨大需求，迫切要求相關(guān)高等院校對(duì)機(jī)器人課程的教育進(jìn)行深化改革，培養(yǎng)適合社會(huì)需求的高層次機(jī)器人人才。正是基于這一目的，南京工程學(xué)院在2013年招收了第一屆機(jī)器人方向的本科生，本著學(xué)以致用的校訓(xùn)，致力于培養(yǎng)在工業(yè)自動(dòng)化、特別是工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及相關(guān)控制系統(tǒng)領(lǐng)域從事系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)、技術(shù)集成、系統(tǒng)安裝、運(yùn)行、維護(hù)和技術(shù)管理等方面工作的高級(jí)工程技術(shù)人才。為進(jìn)一步提升教學(xué)品質(zhì)、完善教學(xué)策略，在對(duì)國(guó)內(nèi)外機(jī)器人相關(guān)課程教學(xué)大綱進(jìn)行深入研究的基礎(chǔ)上，對(duì)機(jī)器人方向理論課程和實(shí)踐課程的設(shè)置、教學(xué)方案的優(yōu)化進(jìn)行了探索。

1 專業(yè)特點(diǎn)及教學(xué)目標(biāo)

1.1 專業(yè)特點(diǎn)

南京工程學(xué)院機(jī)器人專業(yè)是國(guó)家級(jí)機(jī)電控制類人才培養(yǎng)模式創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)區(qū)，國(guó)家級(jí)特色專業(yè)建設(shè)點(diǎn)，江蘇省“十二五”高等學(xué)校重點(diǎn)專業(yè)，江蘇省重點(diǎn)建設(shè)學(xué)科和特色專業(yè)，也是校級(jí)重點(diǎn)專業(yè)。盡管國(guó)內(nèi)多數(shù)工科院校及綜合性大學(xué)均開設(shè)了與機(jī)器人相關(guān)的理論課程，如機(jī)器人導(dǎo)論、機(jī)器人學(xué)等啟蒙式課程，但將機(jī)器人作為一個(gè)本科專業(yè)方向，系統(tǒng)設(shè)置與之相關(guān)的理論及實(shí)踐課程的高等院校還非常有限。機(jī)器人專業(yè)的先修課程包括電路原理、自動(dòng)控制原理、電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)等專業(yè)課，在此基礎(chǔ)上，設(shè)置與機(jī)器人緊密相關(guān)的理論課程及實(shí)踐環(huán)節(jié)，包括機(jī)器人控制、機(jī)器人編程與操作、機(jī)器人傳感器與檢測(cè)技術(shù)等課程，因機(jī)器人理論教學(xué)與實(shí)際操作的密切聯(lián)系，幾乎所有理論課程都有相應(yīng)的實(shí)踐環(huán)節(jié)，除此之外，還在相應(yīng)學(xué)期開設(shè)了1～4周時(shí)間不等的機(jī)器人認(rèn)知實(shí)習(xí)、機(jī)器人編程與操作實(shí)習(xí)、機(jī)器人系統(tǒng)集成綜合實(shí)習(xí)及工廠實(shí)習(xí)。

在扎實(shí)的理論學(xué)習(xí)及大量的實(shí)際操作實(shí)習(xí)基礎(chǔ)上，學(xué)生才能具備綜合應(yīng)用專業(yè)知識(shí)分析和解決機(jī)器人行業(yè)及相關(guān)控制系統(tǒng)中實(shí)際問題的能力，而不僅僅是簡(jiǎn)單的應(yīng)用、操作，從而成為高層次的機(jī)器人專業(yè)技術(shù)人才，這也是在本科階段開設(shè)機(jī)器人專業(yè)方向的根本目的。

1.2 教學(xué)目標(biāo)

在本科階段開設(shè)的機(jī)器人方向的專業(yè)課程，不同于在研究生階段開設(shè)的偏重理論研究的基礎(chǔ)課程，也不同于高職院校開設(shè)地偏重于操作的機(jī)器人實(shí)訓(xùn)課程。本科階段的機(jī)器人人才培養(yǎng)重視軟硬件相結(jié)合、強(qiáng)弱電相結(jié)合，理論聯(lián)系實(shí)際，以工程項(xiàng)目為背景，在實(shí)際系統(tǒng)集成、應(yīng)用、操作中深入理解自動(dòng)控制、運(yùn)動(dòng)控制、過(guò)程控制等相關(guān)課程的理論知識(shí)，在工程能力培養(yǎng)的同時(shí)掌握電工技術(shù)、電子技術(shù)、控制理論、自動(dòng)檢測(cè)與儀表、信息處理、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等領(lǐng)域的專業(yè)知識(shí)，使學(xué)生具備較高的提出問題、分析問題、解決問題的能力，這也是目前國(guó)內(nèi)外企業(yè)對(duì)機(jī)器人人才的迫切要求。

2 教學(xué)改革措施

2.1 理論教學(xué)方式的改革

與機(jī)器人相關(guān)的理論課程，除了自動(dòng)化專業(yè)傳統(tǒng)課程外，還包括機(jī)器人導(dǎo)論、機(jī)器人控制、機(jī)器人傳感器與檢測(cè)技術(shù)、機(jī)器人機(jī)械基礎(chǔ)、機(jī)器人視覺等核心專業(yè)課程，這些課程涵蓋了從機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)到運(yùn)動(dòng)控制的各方面，涉及一些理論知識(shí)抽象難懂、公式繁雜，若課堂教學(xué)不能做到深入淺出、有的放矢，很有可能讓學(xué)生在學(xué)習(xí)之初便缺乏積極性。因此，即使是理論課程的教學(xué)也要不同程度的加入實(shí)踐環(huán)節(jié)，讓學(xué)生對(duì)機(jī)器人研究?jī)?nèi)容有更加直觀的認(rèn)識(shí)。比如，對(duì)于機(jī)器人控制這門課程，可將一些控制算法與機(jī)器人對(duì)象相結(jié)合，借助MATLAB軟件對(duì)機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的仿真控制，這樣做的目的在于，一方面讓學(xué)生加深對(duì)控制算法的理解，另一方面可大大激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；在講授機(jī)器人機(jī)械基礎(chǔ)這門課時(shí)，應(yīng)同時(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)室的教學(xué)設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)，有了現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)，學(xué)生在理解機(jī)器人的自由度、各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)方式、傳動(dòng)部件、機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)等知識(shí)時(shí)將會(huì)有事半功倍的效果。因此，教師在講授理論課程的時(shí)候，要能對(duì)課程內(nèi)容進(jìn)行分解融合，提煉核心內(nèi)容，運(yùn)用仿真軟件、動(dòng)畫演示、現(xiàn)場(chǎng)認(rèn)知等多種教學(xué)方式輔助完成理論教學(xué)。

六關(guān)節(jié)機(jī)器人

2.2 實(shí)踐教學(xué)方式的改革

實(shí)踐教學(xué)是機(jī)器人培養(yǎng)方案的重要組成部分，我校為培養(yǎng)優(yōu)秀的專業(yè)技術(shù)人才，已與奇瑞埃夫特，南京康尼電子，日本三菱，日本FANUC，ABB等國(guó)內(nèi)外知名企業(yè)達(dá)成合作，共建了具有一定規(guī)模的工業(yè)機(jī)器人實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)和實(shí)習(xí)基地用于教學(xué)研究工作，在相應(yīng)學(xué)期設(shè)置了時(shí)長(zhǎng)不等的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)。實(shí)踐環(huán)節(jié)的教學(xué)將以學(xué)生為主體，引導(dǎo)學(xué)生系統(tǒng)認(rèn)識(shí)機(jī)器人的各組成部分，在教師講解、演示的基礎(chǔ)上，通過(guò)合理的分配讓每位同學(xué)都有機(jī)會(huì)進(jìn)行實(shí)際操作，進(jìn)而讓學(xué)生對(duì)機(jī)器人所具備的功能、涉及的傳感器、相關(guān)的機(jī)械傳動(dòng)部件、控制原理都能有更深刻的認(rèn)識(shí)。在有限的實(shí)踐時(shí)間里，學(xué)生難以對(duì)實(shí)驗(yàn)室所有機(jī)器人設(shè)備都進(jìn)行深入學(xué)習(xí)，因此，在實(shí)踐環(huán)節(jié)，將本著“全面了解，有所側(cè)重”的原則完成教學(xué)工作，在實(shí)踐初期，將由教師帶領(lǐng)所有同學(xué)認(rèn)識(shí)實(shí)驗(yàn)室所有機(jī)器人設(shè)備，大致了解其功能，然后，結(jié)合學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣進(jìn)行分組，安排各小組至不同的機(jī)器人操作平臺(tái)，教師對(duì)各小組提出任務(wù)、引導(dǎo)實(shí)施，要求學(xué)生對(duì)該平臺(tái)機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行深入研究，并進(jìn)行開放創(chuàng)新式的評(píng)價(jià)考核，全面激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性和學(xué)習(xí)興趣。

2.3 實(shí)踐考核方式的改革

對(duì)于一些傳統(tǒng)課程的實(shí)踐考核，一般是要求學(xué)生做出相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并完成相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)報(bào)告即可。機(jī)器人專業(yè)的實(shí)踐考核目標(biāo)，應(yīng)更加注重動(dòng)手能力及創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，實(shí)施“多層次、多模塊、校企銜接”的機(jī)器人專業(yè)實(shí)踐教學(xué)體系。首先，對(duì)于驗(yàn)證性的仿真實(shí)驗(yàn)，不僅要求學(xué)生能實(shí)現(xiàn)大綱給定的算法，還要在此基礎(chǔ)上尋找新算法新思路，創(chuàng)新性的完成指定實(shí)驗(yàn)，用探索性實(shí)踐教學(xué)打破傳統(tǒng)驗(yàn)證性實(shí)踐教學(xué)的封閉性，真正達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維的能力；在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建具有逐層遞進(jìn)式的機(jī)器人開放實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，建設(shè)以機(jī)器人電子設(shè)計(jì)認(rèn)知學(xué)習(xí)、編程應(yīng)用實(shí)習(xí)、系統(tǒng)綜合集成實(shí)習(xí)及工廠實(shí)習(xí)為核心的實(shí)踐教學(xué)體系，各環(huán)節(jié)的考核方式均應(yīng)靈活多變，注重培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，如慧魚拼裝機(jī)器人，在提供機(jī)器人總體設(shè)計(jì)、講授其基本編程方法的前提下，應(yīng)鼓勵(lì)學(xué)生裝配出多種產(chǎn)品，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行編程運(yùn)行，檢驗(yàn)相關(guān)功能，初步掌握機(jī)器人開發(fā)、設(shè)計(jì)的完整流程；最后，為學(xué)生提供參加國(guó)際和國(guó)內(nèi)的各種機(jī)器人大賽實(shí)踐平臺(tái)，機(jī)器人競(jìng)賽要求學(xué)生從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、控制器設(shè)計(jì)、傳感器應(yīng)用到系統(tǒng)調(diào)試等各方面掌握機(jī)器人相關(guān)知識(shí)的綜合運(yùn)用能力，可以很好地鍛煉學(xué)生獨(dú)立分析問題、解決問題的能力，將這一過(guò)程作為實(shí)踐環(huán)節(jié)的輔助考核方式能有效調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性，促進(jìn)同學(xué)之間的相互協(xié)作，最終實(shí)現(xiàn)團(tuán)隊(duì)的共同進(jìn)步。

2.4 提高教師科研能力

機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展日新月異，前沿技術(shù)、產(chǎn)品的更新周期也越來(lái)越短，相對(duì)于前沿技術(shù)來(lái)說(shuō)，教材上的理論及實(shí)踐內(nèi)容較為陳舊，如何實(shí)時(shí)把握最新動(dòng)態(tài)，向?qū)W生傳遞科技前沿是非常緊迫的教學(xué)任務(wù)，這要求相關(guān)任課教師能積極主動(dòng)的提高業(yè)務(wù)水平和科研能力，能緊跟機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的最前沿，讓學(xué)生有置身于先進(jìn)科技行業(yè)之感，這也能在一定程度上提高其自信心，激發(fā)其科技創(chuàng)新能力。為提高教師的科研能力，南京工程學(xué)院已外派5位教師至德國(guó)、美國(guó)等知名大學(xué)進(jìn)行機(jī)器人技術(shù)的進(jìn)修和研究，并將定期派年輕教師到企業(yè)、高校進(jìn)行學(xué)習(xí)進(jìn)修，師資隊(duì)伍的完善是提高教學(xué)質(zhì)量的關(guān)鍵所在。

3 結(jié)束語(yǔ)

機(jī)器人在提升產(chǎn)品質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率、增強(qiáng)企業(yè)和國(guó)家競(jìng)爭(zhēng)力等方面都具有舉足輕重的地位，隨著制造業(yè)的發(fā)展和勞動(dòng)力成本不斷提高等因素的影響，中國(guó)的機(jī)器人需求在近幾年將呈爆發(fā)性增長(zhǎng)，企業(yè)對(duì)機(jī)器人高層次專業(yè)技術(shù)人才的引進(jìn)也將不斷增加，如何培養(yǎng)高質(zhì)量的機(jī)器人專業(yè)技術(shù)人才是相關(guān)高校所面臨的共同問題。通過(guò)對(duì)機(jī)器人專業(yè)課程的優(yōu)化設(shè)置、對(duì)理論課程和實(shí)踐環(huán)節(jié)教學(xué)方法及考核方式的不斷改革創(chuàng)新，為培養(yǎng)機(jī)器人專業(yè)的優(yōu)秀人才打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)；同時(shí)，突出素質(zhì)教育和工程應(yīng)用能力的培養(yǎng)，貫徹知識(shí)、能力和素質(zhì)的協(xié)調(diào)發(fā)展，校企深度合作，進(jìn)一步培養(yǎng)了學(xué)生的工程實(shí)踐創(chuàng)新能力，這些建設(shè)和改革措施可滿足應(yīng)用型本科院校人才培養(yǎng)目標(biāo)的需求和本科教育的發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)機(jī)器人教學(xué)工作起到了一定的促進(jìn)作用。

[1]邱麗梅.應(yīng)用型本科院校機(jī)器人技術(shù)課程教學(xué)改革與實(shí)踐[J].榆林學(xué)院學(xué)報(bào),2015,25(2):61-63.

[2]李慶齡.應(yīng)用型本科工業(yè)機(jī)器人課程教學(xué)改革的探索與實(shí)踐[J].中國(guó)教育技術(shù)裝備,2013(21):93-94.

[3]張曉麗,王鵬,崔東輝,范春鳳,李彩玲.機(jī)器人競(jìng)賽對(duì)學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力培養(yǎng)研究[J].教育教學(xué)論壇,2015(6):87-88.

[4]戴亦宗,陳旭.基于三菱工業(yè)機(jī)器人的實(shí)驗(yàn)室建設(shè)方案設(shè)計(jì)[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù),2015,13(1):194-197.

[5]肖靜,余穎,張道海.立足機(jī)器人競(jìng)賽促進(jìn)創(chuàng)新訓(xùn)練與實(shí)踐教學(xué)改革[J].東華理工大學(xué)學(xué)報(bào):社會(huì)科學(xué)版,2013,32(2):189-192.