仲訓杲,楊貴志,付 榮

(廈門理工學院 電氣工程與自動化學院,福建 廈門 361024)

1 課程改革背景

我國現(xiàn)有機器人數(shù)量離全球平均水平還相距甚遠,制造業(yè)每萬名生產(chǎn)工人擁有工業(yè)機器人數(shù)量不及日、韓、德、美等國家[1]。伴隨工業(yè)機器人數(shù)量的增長,工業(yè)機器人在制造業(yè)市場中潛力巨大,在未來十年,我國將需要大量的具有一定技術(shù)水平的工業(yè)機器人技術(shù)人員。因此,高等院校開設(shè)機器人相關(guān)專業(yè)或課程勢在必行[1]。

當前,本科院校聚焦教育部提出的“四個回歸”教育理念,持續(xù)深化教育教學改革,提升本科生培養(yǎng)質(zhì)量,著力打造一流本科教育,其重要舉措是著眼人才培養(yǎng)模式改革,將人才培養(yǎng)建立在實踐實驗?zāi)芰ε囵B(yǎng)之上,并從課程和專業(yè)建設(shè)促進本科教學質(zhì)量建設(shè)[1]。為此,本文以實踐教學為導(dǎo)向,突出課程教學的實用性與針對性,圍繞一流課程建設(shè)探索“機器人編程與應(yīng)用”課程的教學設(shè)計與實踐改革。

2 課程改革主要舉措

2.1 課程現(xiàn)狀分析

工業(yè)機器人正向智能化、模塊化和系統(tǒng)化方向發(fā)展,而現(xiàn)有機器人教學課程,主要以工業(yè)機械臂為教學重點,結(jié)合工程力學和機械設(shè)計方法,企圖引導(dǎo)學生掌握機械零件設(shè)計原理[3],并且機器人相關(guān)課程的設(shè)置側(cè)重于理論知識教學,實踐教學環(huán)節(jié)相對薄弱。這種側(cè)重理論的教學方式、枯燥的理論知識、煩瑣的數(shù)學推導(dǎo)嚴重影響了學生學習的積極性,達不到提高學生實踐能力的目的[4]。考慮到市場對工業(yè)機器人應(yīng)用技術(shù)及維護人才需求逐年大幅增加,因此有必要加強對機器人應(yīng)用人才的培養(yǎng)力度。

另一方面,隨著生產(chǎn)技術(shù)的不斷發(fā)展進步,工業(yè)機器人已涉足國民經(jīng)濟的各行各業(yè),如港口碼頭搬運、汽車焊接、產(chǎn)品分揀、柔性裝配和打磨拋光等。現(xiàn)有的機器人相關(guān)課程教學大多忽略了工業(yè)機器人典型應(yīng)用背景分析、工業(yè)機器人運動軌跡程序編寫及調(diào)試、典型工業(yè)機器人應(yīng)用案例教學,影響了學生工業(yè)機器人應(yīng)用能力的提高。因此,本文積極探索課程建設(shè)與教學改革。

2.2 教學改革舉措

項目導(dǎo)入,任務(wù)驅(qū)動的教學法的改革探索:為了改變“機器人編程與應(yīng)用”課程教學過程中講授者唱“主角”,學習者當“配角”的被動接受知識的狀況,在課程教學過程中有必要引入任務(wù)驅(qū)動教學法,全新編排教學內(nèi)容、開發(fā)工業(yè)機器人仿真任務(wù)、增加工業(yè)機器人工程編程教學。

在“機器人編程與應(yīng)用”課程教學改革過程中,本課程著力打造以任務(wù)為向?qū)?以項目為驅(qū)動,施教根本的教學模式。以工業(yè)機器人任務(wù)編程和典型應(yīng)用場景為輔,以學生完成給定的任務(wù)為主線,在整個課程學習過程中強調(diào)學生學習的主動性、創(chuàng)造性和積極性。本課程使學生在完成機器人編程任務(wù)過程中理解工業(yè)機器人的基礎(chǔ)知識,如機器人驅(qū)動和控制系統(tǒng);掌握工業(yè)機器人示教編程方法,使學生對工業(yè)機器人應(yīng)用技術(shù)從軟件、硬件等方面有全面的認識和理解。課程建設(shè)通過增加工業(yè)機器人應(yīng)用案例,結(jié)合大學生機器實踐創(chuàng)新活動,進一步完善“機器人編程與應(yīng)用”課程教學改革,以適應(yīng)“雙一流”應(yīng)用型高校建設(shè)與人才培養(yǎng)的需求。

強化教師交流與培訓,改善教學效果的改革探索:機器人工程人才培養(yǎng)是基于工程教育的創(chuàng)新教育新形式,以工程教育為最終目的,借助創(chuàng)新教育的形式,將工程教育的目標進行科學整合。機器人工程人才培養(yǎng)應(yīng)面向行業(yè)、面向企業(yè)市場需求,通過校企合作,孵化產(chǎn)學研創(chuàng)新項目,促進學生的實踐能力和創(chuàng)新能力,增強學生的工程素養(yǎng)和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)意識。

機器人系統(tǒng)是科學、技術(shù)、工程、數(shù)學等多學科知識的綜合應(yīng)用,對專任教師的素質(zhì)要求高于傳統(tǒng)的信息類專業(yè),為適應(yīng)智能制造發(fā)展,有必要配以教師培訓機制與團隊建設(shè),同時吸引企業(yè)專家指導(dǎo),促進教師交流與再培訓,從而將知識技能、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力、團隊核心力量發(fā)揮到最大。

3 課程組織實施

本課程通過項目導(dǎo)入,任務(wù)驅(qū)動的實施手段,主要分析工業(yè)機器人的發(fā)展、組成、工作原理,介紹搬運、涂膠、碼垛、焊接等機器人典型應(yīng)用,其目的是使學生學習掌握工業(yè)機器人的基本編程和操作知識,使學生對機器人工作站及周邊設(shè)備運動等多種配合使用有深刻認識。本課程培養(yǎng)學生在機器人編程方面具備分析與解決問題的能力,培養(yǎng)學生在機器人操作方面的動手能力。

本課程通過理論教學和實踐教學環(huán)節(jié),使學生了解工業(yè)機器人的工作原理、系統(tǒng)組成及基本功能;掌握工業(yè)機器人運動學、動力學基本原理;掌握工業(yè)機器人RobotStudio 軟件的離線編程方法;掌握工業(yè)機器人搬運、涂膠、碼垛、焊接等運動特點及程序編寫,能使用工業(yè)機器人基本指令正確編寫搬運、涂膠、碼垛、焊接等控制程序;了解工業(yè)機器離線編程的意義以及智能化發(fā)展的必然性。

教學項目由簡單到復(fù)雜,由單項能力訓練到綜合能力訓練。另外,具體實施過程中先進行仿真教學,在實際操作之前,學生能夠?qū)I(yè)機器人建立直觀印象,明確操作規(guī)程、操作方法等,最終使學生在學習過程中能力不斷強化。在課程建設(shè)投入方面,學校需要具備的實驗平臺包括焊接機器人、搬運機器人、碼垛機器人、包裝裝配機器人、3D 視覺分揀機器人等,同時還需建設(shè)機器人虛擬仿真實驗室,使之滿足本課程的教學需求。

4 課程特色與持續(xù)建設(shè)思考

“機器人編程與應(yīng)用”課程特色在于項目導(dǎo)入,任務(wù)驅(qū)動,實踐操作驗證理論教學法,以機器人工程應(yīng)用為背景,引入智能機器人先進技術(shù),并結(jié)合教師的科研經(jīng)歷和項目成果,激發(fā)學生學習興趣,并且開設(shè)學生創(chuàng)新項目,挖掘?qū)W生學科競賽潛力。本課程在分析“機器人編程與應(yīng)用”課程特點和教學現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上,通過構(gòu)建機器人教學和實驗平臺,在課程教學中增加創(chuàng)新實訓實踐性教學環(huán)節(jié),培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維和動手能力、解決實際問題的能力和創(chuàng)新設(shè)計能力。

本課程持續(xù)創(chuàng)新改革與思考:(1)由于機器人屬于新興課程,學生對于這門課程的背景知識比較薄弱,對機器人系統(tǒng)集成與應(yīng)用的認識層面比較淺,所以需要持續(xù)完善學生的機器人基本知識,與激發(fā)他們的學習積極性,這是課程教學中需要克服的難點;(2)明確課程定位,同步完善教材建設(shè)與實驗室建設(shè)很重要,也很困難。另外一方面,理論教育應(yīng)該聯(lián)合企業(yè)力量,提供有針對性的機器人師資培訓,為課程的開展提供有效的技術(shù)保障,也是課程建設(shè)的難點之一。

5 結(jié)語

本文對自動化專業(yè)“機器人編程與應(yīng)用”課程的教學改革進行了探討。在遵循工程教育OBE 模式的基礎(chǔ)上,從課程的改革背景、課程改革主要舉措、教學內(nèi)容、教學方法和課程持續(xù)建設(shè)思考幾方面闡述了該課程的教學設(shè)計與實踐教學措施,為持續(xù)改進課程建設(shè),提升教學質(zhì)量指明了方向,課程注重科研與教學的轉(zhuǎn)化,旨在打造一流本科教育,培養(yǎng)能創(chuàng)新、能解決復(fù)雜工程問題的高新技術(shù)人才。