喬貴方 劉娣 張穎 溫秀蘭 萬其

摘? 要 首先針對“工業(yè)機器人控制技術”實踐教學中存在的問題展開分析，然后以六自由度模塊化機器人作為實踐教學平臺，基于遞進式項目教學理念設計“工業(yè)機器人控制技術”實踐教學環(huán)節(jié)，使學生能夠在實踐教學中由被動變?yōu)橹鲃?，從而達到增強實踐教學效果的目的。

關鍵詞 工業(yè)機器人控制技術;機器人工程;實踐教學;項目化教學

中圖分類號：G642.3? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2019）06-0126-03

Design of Progressive Project-based Teaching for Practical Course

of Industrial Robot Control Technology//QIAO Guifang， LIU Di， ZHANG Ying， WEN Xiulan， WAN Qi

Abstract Firstly， the existent problems existing in the practical tea-ching steps of the Industrial Robot Control Technology are analyzed in this paper. Secondly， the practical course of Industrial Robot Control Technology based on the concept of the progressive project-based teaching and the practical teaching platform of six degree-of-freedom modular robot is designed presented. This can enable the students to transform passivity into initiative in practical teaching. The purpose of improving the effect of practical teaching can be achieved.

Key words industrial robot control technology; robot engineering; practical teaching; project-based teaching

1 引言

《中國制造2025》[1]以智能制造為主攻方向，指出將大力推動機器人與高檔數控機床等重點領域的發(fā)展，研究開發(fā)高效、精密的基礎制造裝備。工業(yè)機器人作為智能制造裝備的代表，高端制造業(yè)發(fā)展的焦點，其研發(fā)、制造與應用成為衡量一個國家科技創(chuàng)新水平的重要標志。隨著機器人技術的不斷發(fā)展，社會對高層次機器人工程師的人才需求也越來越迫切。

為適應社會發(fā)展的需要，教育部于2016年設立機器人工程專業(yè)，其主要目的是培養(yǎng)從事機器人工作站設計、裝調與改造，機器人自動化生產線的設計、應用及運行管理等相關崗位工作，具有較強綜合職業(yè)能力的高素質應用型專門人才，也是為適應經濟發(fā)展。“工業(yè)機器人控制技術”作為機器人工程專業(yè)人才培養(yǎng)方案中的核心課程，理論教學與實踐教學的有機融合能夠有效地提高教學質量。南京工程學院于2013年招收了第一屆自動化（機器人）專業(yè)方向的本科生，于2017年招收了第一屆機器人工程專業(yè)的本科生[2]。

應用型本科院校培養(yǎng)應用型創(chuàng)新人才是國家賦予的使命，應用型創(chuàng)新人才要求具有較強的實踐能力和創(chuàng)新能力，因此，實踐教學是應用型本科院校人才培養(yǎng)過程中非常重要的教學環(huán)節(jié)。本文針對專業(yè)核心課程“工業(yè)機器人控制技術”的教學目標，結合南京工程學院“學以致用”的人才培養(yǎng)理念，設計基于遞進式項目化教學的實踐教學環(huán)節(jié)，使學生能夠在團隊環(huán)境中進行探究性的知識學習和技能訓練，能夠在實踐教學中由被動變?yōu)橹鲃?，從而達到理論聯系實際的教學目標，最終實現應用型創(chuàng)新人才的培養(yǎng)目標。

2 課程特點及教學目標

“工業(yè)機器人控制技術”是機器人工程專業(yè)人才培養(yǎng)方案中的核心課程，課程的教學目標是通過對工業(yè)機器人控制系統(tǒng)基本理論和最新進展的介紹，使學生能夠掌握工業(yè)機器人運動學和動力學模型、機器人控制基礎、機器人軌跡規(guī)劃及機器人智能控制技術等。該課程包含理論教學和實踐教學，其中實踐教學環(huán)節(jié)著重培養(yǎng)學生的實踐操作能力和知識應用能力，使學生能夠在學習機器人專業(yè)理論知識的基礎上，更加深刻地理解機器人的系統(tǒng)組成及工作原理。

機器人控制技術是自動控制、計算機和機械工程等多學科的交叉融合，要求學生具有完整的知識體系。在應用型本科院校中，與研究生階段的相關課程相比，“工業(yè)機器人控制技術”課程更注重實踐應用能力的培養(yǎng)，要求學生能夠掌握機器人系統(tǒng)結構與常規(guī)的控制方法，了解智能控制方法;而與高職院校的相關課程相比，“工業(yè)機器人控制技術”課程更注重理論知識的講解，要求學生能夠更好地掌握控制理論基礎知識，具備提出問題、分析問題和解決問題的能力。而實踐教學設計的合理與否將影響學生技能的訓練與知識的掌握，進而導致應用型本科院校的教學特點缺失。

3 傳統(tǒng)實踐教學模式的問題分析

實踐教學是培養(yǎng)學生實踐能力的主要途徑和措施，是應用型本科院校實現人才培養(yǎng)目標的重要教學環(huán)節(jié)。目前，實踐教學主要分為實驗、課程設計、實習和畢業(yè)設計等多種形式，但多年來在高等教育中一直存在“重理論輕實踐”的觀念，出現許多問題[3-4]。

課程方案中對實踐教學環(huán)節(jié)突出不足? 實踐教學環(huán)節(jié)突出不足，首先體現在其在課程方案中所占的課時與學分比例較少;其次在于傳統(tǒng)教學模式的觀念導致教師和學生對實踐教學不夠重視，教師對實踐教學模式與內容設計單一，無法引起學生的興趣，導致學生主動參與意識不強。

實踐教學和理論教學目標及社會需求存在偏離? 實踐教學的內容不能與理論教學目標相互呼應，從而導致學生無法通過實踐教學進一步理解理論教學的重難點;應用型本科院校的實踐教學中應更好地體現當前社會與相關企業(yè)的人才需求，從而提高學生的就業(yè)競爭力。但由于實踐教學資源的不足，教師的工程實踐能力不足，都導致實踐教學與社會需求的偏離，進一步降低學生的積極性。

4 遞進式項目化教學的實踐教學設計

為解決以上提出的問題，本文以“工業(yè)機器人控制技術”為例，基于遞進式項目化教學理念設計該課程的實踐教學環(huán)節(jié)[5]。

實踐教學平臺概述? “工業(yè)機器人控制技術”的實踐教學環(huán)節(jié)主要利用圖1中的六自由度模塊化機器人所搭建的機器人實驗平臺，該機器人系統(tǒng)主要包括機器人本體一臺、電氣控制柜一臺、機器人控制軟件一套。六自由度模塊化機器人采用模塊組合式串聯開鏈結構，機器人各連桿由旋轉關節(jié)模塊串聯連接，各模塊的傳動采用可視化結構，由錐齒輪、同步齒型帶和諧波減速器等多種傳動結構配合實現。機器人的各個關節(jié)模塊采用步進電機或伺服電機驅動，通過Windows環(huán)境下的軟件對機器人進行控制，使機器人任意組合成2～6自由度機器人，能夠在其相應的工作空間完成指定工作任務。該機器人的技術參數如表1所示，能夠完成六自由度工業(yè)機器人的基本作業(yè)功能，滿足實踐教學的需要。

遞進式項目化實踐教學設計? 遞進式項目化實踐教學依據“工業(yè)機器人控制技術”的理論教學重難點的層次，分為初級階段、中級階段與高級階段三個層次的項目，三個實踐教學階段共規(guī)劃10項不同難度和類型的項目，如表2所示。每個階段的項目都支撐著不同的理論教學重難點。

初級階段的項目以教師引導為主。通過教師的教授，系統(tǒng)地為學生介紹工業(yè)機器人系統(tǒng)結構、技術參數以及相關的數學基礎，使學生能夠建立本課程的基本知識框架。學生對六自由度模塊化機器人示教編程、協(xié)作裝配等操作，能夠進一步了解工業(yè)機器人操作方法與運動特點，為后續(xù)理論學習與實踐操作打下基礎。

教師在中級階段的項目中逐漸擺脫主導地位，在實踐教學過程中突出學生的主體作用，實踐教學內容向更高層次的知識與工程應用擴展。在初級階段的基礎上進一步完成機器人關節(jié)空間控制與運動學正逆解編程。中級階段的實踐教學內容主要支撐理論教學中的機器人線性控制方法、DH模型以及運動學正逆解計算。

學生的主體作用在高級階段進一步加強。實踐教學中的項目規(guī)劃應注重學生綜合能力的培養(yǎng)，同時要支撐理論教學中關節(jié)空間與笛卡爾空間的軌跡規(guī)劃方法。在實驗平臺所提供的軟硬件資源上實現直線插補、圓弧插補以及點到點運動等編程項目。通過本階段的學習，學生能夠理解工業(yè)機器人控制系統(tǒng)的實現方法。

遞進式項目化教學組織與考核? 在項目化教學過程中，項目組結構、項目任務分配以及考核管理的合理性將影響實踐教學的效果。

1）項目組的結構。以六套機器人實驗設備為基礎，單個班級的學生有40個，將學生分為兩個批次，每個項目組由一個負責人、2～3個組員構成。每個小組一般由不同類型的學生構成，形成異構的組內成員，以保證其組員的多樣性。

2）項目組任務分配。在實踐教學實施過程中，應充分考慮學生的自身特點以及項目支撐的理論知識點進行任務分配。其中，初級與中級階段的項目要求所有學生必須完

成;而高級階段項目應根據組員在前期項目的完成效果和效率進行任務分配，并且每個項目組至少完成其中一個項目。不同組完成相同項目時，其具體的技術指標應不同。

3）項目組考核。隨著實踐項目階段的逐漸推進，項目的完成難度和所占比重也逐步遞增，在實踐考核中的比重也應該進行調整。各個階段應重點考慮過程考核，其中實踐操作與答辯驗收各占30%。具體的項目階段考核以及實踐總評如表3所示。

5 結語

本文基于遞進式項目化教學理念設計“工業(yè)機器人控制技術”的實踐教學環(huán)節(jié)。遞進式項目化教學的開展能夠使學生進一步理解工業(yè)機器人控制技術的基本概念，深化理論教學的重難點，引導學生能夠將相關理論知識應用于項目開發(fā)，充分鍛煉學生的綜合分析與知識應用能力，有效地提高實踐教學的質量。與此同時，提高學生的自學、文獻調研與整理等方面的能力。■

參考文獻

[1]工信部裝備工業(yè)司.《中國制造2025》推動機器人發(fā)展[J].機器人技術與應用，2015（3）：31-33.

[2]劉娣，劉坤，溫秀蘭.應用型本科工業(yè)機器人控制課程教學改革[J].中國教育技術裝備，2017（4）：97-99.

[3]劉扭參.地方應用型本科高校實踐教學問題研究[J].吉林省教育學院學報，2017，33（1）：31-33.

[4]聶立新，趙明利.高校工科專業(yè)實踐教學問題的分析與研究[J].中國現代教育裝備，2010（3）：153-155.

[5]郭亮，張建新，王俊茹.遞進式《傳感器原理及應用》課程項目化改革與實踐[J].價值工程，2018，37（3）：256-258.