席佳樂(lè) 霍亞光

摘要：文章在新工科背景下，對(duì)智能機(jī)器人實(shí)訓(xùn)課程的現(xiàn)存問(wèn)題進(jìn)行剖析，從多學(xué)科交叉融合、虛擬與現(xiàn)實(shí)結(jié)合、課程與工程接軌三個(gè)方面出發(fā)，建設(shè)課程體系，搭建課程平臺(tái)，并采用項(xiàng)目式教學(xué)方式分專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的課程項(xiàng)目，提出相應(yīng)的評(píng)價(jià)體系，更好地發(fā)揮機(jī)器人作為典型機(jī)電一體化系統(tǒng)的特色和優(yōu)勢(shì)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和解決工程問(wèn)題的能力。

關(guān)鍵詞：新工科；智能機(jī)器人；多學(xué)科交叉；項(xiàng)目式教學(xué)

近年來(lái)，為提高我國(guó)在全球化、智能化、數(shù)字化產(chǎn)業(yè)變革中的競(jìng)爭(zhēng)力，滿(mǎn)足現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展對(duì)人才的多元化需求，國(guó)家在人才培養(yǎng)方面提出了一系列全面且具有深度的舉措。2017年2月，教育部大力推行新工科建設(shè)，旨在培養(yǎng)學(xué)生的綜合應(yīng)用能力，對(duì)接未來(lái)工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，培養(yǎng)出具有工程設(shè)計(jì)、實(shí)踐、創(chuàng)新的卓越工科人才。

智能機(jī)器人是典型的機(jī)電一體化系統(tǒng)，以其為載體開(kāi)展實(shí)訓(xùn)課程對(duì)工科專(zhuān)業(yè)學(xué)生具有重大意義。然而，隨著新工科相關(guān)舉措的深入推進(jìn)，現(xiàn)有的智能機(jī)器人實(shí)訓(xùn)課程已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足社會(huì)工程產(chǎn)業(yè)的需求。

一、智能機(jī)器人實(shí)訓(xùn)教學(xué)現(xiàn)狀分析

為使學(xué)生深入了解智能機(jī)器人的控制系統(tǒng)和工作原理，多所高校相繼開(kāi)展了有關(guān)機(jī)器人的實(shí)訓(xùn)課程。然而，智能機(jī)器人實(shí)訓(xùn)課程對(duì)平臺(tái)要求高，實(shí)訓(xùn)難度較大。筆者認(rèn)為，目前的智能機(jī)器人實(shí)訓(xùn)課程主要存在三類(lèi)問(wèn)題。

第一，專(zhuān)業(yè)教學(xué)與實(shí)訓(xùn)課程無(wú)法有機(jī)結(jié)合。學(xué)生無(wú)法將實(shí)訓(xùn)課程和專(zhuān)業(yè)知識(shí)融會(huì)貫通，實(shí)訓(xùn)課程無(wú)法起到強(qiáng)化和輔助專(zhuān)業(yè)課程的作用。當(dāng)前，機(jī)器人實(shí)訓(xùn)課程主要面向機(jī)械、自動(dòng)化、信息等大類(lèi)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生開(kāi)展，實(shí)訓(xùn)課程過(guò)于強(qiáng)調(diào)普適性教學(xué)，忽視了不同專(zhuān)業(yè)學(xué)生知識(shí)框架的差異性，課程設(shè)計(jì)比較籠統(tǒng)、單一，缺乏專(zhuān)業(yè)特色。

第二，實(shí)訓(xùn)內(nèi)容與工程應(yīng)用不匹配。開(kāi)展實(shí)訓(xùn)課程是為了讓學(xué)生將所學(xué)內(nèi)容與真正的工程問(wèn)題聯(lián)系起來(lái)，提高對(duì)知識(shí)的理解和應(yīng)用能力。高校設(shè)置的智能機(jī)器人實(shí)訓(xùn)課程多以演示如何控制智能機(jī)器人為主，缺乏對(duì)智能機(jī)器人實(shí)際工程問(wèn)題的探索，學(xué)生經(jīng)過(guò)實(shí)訓(xùn)后無(wú)法形成由實(shí)訓(xùn)內(nèi)容向工程應(yīng)用的轉(zhuǎn)化，也無(wú)法搭建完整的工程思維框架。

第三，實(shí)訓(xùn)課程學(xué)生參與度低。本科教學(xué)的整體課程任務(wù)增多，教學(xué)計(jì)劃中縮減了實(shí)訓(xùn)課程的時(shí)間，短時(shí)間內(nèi)開(kāi)展的智能機(jī)器人實(shí)訓(xùn)課程缺乏可探索性，難以調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，無(wú)法實(shí)現(xiàn)高水平的教學(xué)目標(biāo)。

二、智能機(jī)器人實(shí)訓(xùn)課程整體建設(shè)

筆者認(rèn)為，在新工科背景下，智能機(jī)器人實(shí)訓(xùn)課程的建設(shè)應(yīng)聚焦實(shí)際工程問(wèn)題。本文從課程體系和課程平臺(tái)兩個(gè)方面著手，從多學(xué)科交叉融合、虛擬與現(xiàn)實(shí)結(jié)合、課程與工程接軌三個(gè)方向，探索關(guān)于智能機(jī)器人實(shí)訓(xùn)課程的整體建設(shè)，如圖1所示。在課程體系建設(shè)上，高校應(yīng)注重實(shí)訓(xùn)課程的多適配性，使實(shí)訓(xùn)課程成為專(zhuān)業(yè)課程與工程問(wèn)題之間的橋梁，同時(shí)以工程問(wèn)題為導(dǎo)向設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)教學(xué)內(nèi)容，以培養(yǎng)學(xué)生解決工程問(wèn)題的能力。在課程平臺(tái)搭建上，高校搭建的實(shí)訓(xùn)課程平臺(tái)必須集合虛擬與實(shí)操等多項(xiàng)實(shí)訓(xùn)設(shè)備，以滿(mǎn)足整體課程體系的需求。

（一）多學(xué)科交叉融合

多學(xué)科交叉融合意指打破學(xué)科間的界限，整合多個(gè)專(zhuān)業(yè)的基礎(chǔ)知識(shí)，以滿(mǎn)足不同專(zhuān)業(yè)的實(shí)訓(xùn)需求。智能機(jī)器人實(shí)訓(xùn)課程體系需要分專(zhuān)業(yè)進(jìn)行設(shè)計(jì)，一方面，將智能機(jī)器人實(shí)訓(xùn)課程按照專(zhuān)業(yè)分模塊拆開(kāi)，并依據(jù)專(zhuān)業(yè)特色有側(cè)重地設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)教學(xué)內(nèi)容，整合出面向不同專(zhuān)業(yè)的特色智能機(jī)器人課程，為各相關(guān)專(zhuān)業(yè)提供可以靈活搭配的課程菜單；另一方面，設(shè)計(jì)綜合實(shí)訓(xùn)內(nèi)容，且綜合實(shí)訓(xùn)內(nèi)容以比賽形式進(jìn)行，設(shè)計(jì)融合多類(lèi)專(zhuān)業(yè)知識(shí)的比賽項(xiàng)目。

由于智能機(jī)器人實(shí)訓(xùn)課程計(jì)劃面向機(jī)械、自動(dòng)化、信息化三大類(lèi)專(zhuān)業(yè)開(kāi)展，所以在搭建課程平臺(tái)時(shí)，高校需要考量各類(lèi)專(zhuān)業(yè)的實(shí)訓(xùn)重點(diǎn)。例如，自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)要求學(xué)生自行完成各種電控元器件的組裝，因此需要配備相應(yīng)的電控搭建和測(cè)試平臺(tái)，信息化專(zhuān)業(yè)需要配備相應(yīng)的通信調(diào)試軟件，機(jī)械專(zhuān)業(yè)則需要配備相應(yīng)的設(shè)計(jì)和調(diào)試平臺(tái)，以滿(mǎn)足對(duì)機(jī)器人零部件的設(shè)計(jì)需求。

（二）虛擬與現(xiàn)實(shí)結(jié)合

首先，學(xué)生需要依托虛擬仿真平臺(tái)，通過(guò)線(xiàn)上課程熟悉虛擬仿真過(guò)程，并在仿真軟件中設(shè)計(jì)、模擬智能機(jī)器人運(yùn)行姿態(tài)。其次，教師通過(guò)線(xiàn)下課程手動(dòng)操作控制智能機(jī)器人對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證和調(diào)試，在培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力的同時(shí)，幫助學(xué)生構(gòu)建起解決工程問(wèn)題的思維框架。最后，虛擬與現(xiàn)實(shí)的完美結(jié)合，需要搭建一個(gè)完善的課程平臺(tái)，且課程平臺(tái)必須配備實(shí)訓(xùn)智能機(jī)器人、仿真模擬軟件和相關(guān)測(cè)量調(diào)試設(shè)備，并利用網(wǎng)絡(luò)信息與交流平臺(tái)，提高平臺(tái)的開(kāi)放性和互動(dòng)性，為學(xué)生提供更好的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。

（三）課程與工程接軌

在建設(shè)課程體系、設(shè)計(jì)課程內(nèi)容時(shí)，高校需要關(guān)注企業(yè)對(duì)人才的需求，通過(guò)校企合作的方式，依托實(shí)際工程項(xiàng)目，和企業(yè)共同完成智能機(jī)器人實(shí)訓(xùn)課程的設(shè)計(jì)。課程與工程接軌也為課程平臺(tái)的搭建提出了新思路。首先，高校需要在校內(nèi)搭建小型教學(xué)產(chǎn)線(xiàn)，使學(xué)生在產(chǎn)線(xiàn)上掌握智能機(jī)器人在實(shí)際生產(chǎn)中的工作方式，了解其工作原理。其次，高校通過(guò)與企業(yè)合作，讓學(xué)生了解智能機(jī)器人在實(shí)際生產(chǎn)中的具體應(yīng)用，以及亟待解決和探索的問(wèn)題，讓學(xué)生能夠帶著問(wèn)題進(jìn)行學(xué)習(xí)。最后，學(xué)生利用所學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)、改造智能機(jī)器人，對(duì)其功能進(jìn)行優(yōu)化。

三、課程內(nèi)容設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)體系

依托長(zhǎng)安大學(xué)現(xiàn)代工程訓(xùn)練中心平臺(tái)，智能機(jī)器人實(shí)訓(xùn)課程設(shè)計(jì)四個(gè)部分的內(nèi)容，其中前三個(gè)部分的內(nèi)容分別圍繞Boe-Bot（一種可以使用程序控制的智能小車(chē)）機(jī)器人、AGV移動(dòng)機(jī)器人、六軸工業(yè)機(jī)器人展開(kāi)，分為基礎(chǔ)和進(jìn)階兩個(gè)模塊，基礎(chǔ)模塊設(shè)計(jì)的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目面向多類(lèi)工科專(zhuān)業(yè)學(xué)生開(kāi)展，使學(xué)生通過(guò)參與真實(shí)項(xiàng)目實(shí)踐理解學(xué)科間的關(guān)聯(lián)。

由于智能機(jī)器人實(shí)訓(xùn)課程主要面向機(jī)械、自動(dòng)化、信息三類(lèi)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生開(kāi)展，所以三個(gè)部分的進(jìn)階模塊應(yīng)在保持學(xué)科融合特色的同時(shí)對(duì)相應(yīng)專(zhuān)業(yè)提高難度，加深學(xué)生對(duì)專(zhuān)業(yè)課程的理解。最后一個(gè)部分的內(nèi)容為智能機(jī)器人的設(shè)計(jì)與改造，屬于綜合類(lèi)項(xiàng)目，目的是培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)隊(duì)協(xié)作和解決復(fù)雜問(wèn)題的能力，由于完成該項(xiàng)目需要綜合應(yīng)用前三個(gè)項(xiàng)目的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，所以采用組隊(duì)競(jìng)賽的方式開(kāi)展。

為了更好地評(píng)估學(xué)生的實(shí)訓(xùn)所得，指導(dǎo)教師須綜合考量過(guò)程和結(jié)果，動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力，以及實(shí)際工程意義，給出綜合能力評(píng)價(jià)與建議。此外，對(duì)于組隊(duì)進(jìn)行學(xué)習(xí)的項(xiàng)目，評(píng)價(jià)體系應(yīng)分為隊(duì)內(nèi)自評(píng)、各組互評(píng)、教師評(píng)價(jià)。

（一）基于Boe-Bot機(jī)器人的實(shí)訓(xùn)課程

Boe-Bot是美國(guó)Parallax公司制造的智能機(jī)器人，采用BASIC Stamp 2（一種具有24個(gè)引腳的微控制器名稱(chēng)）微控制器作為機(jī)器人的大腦，基于BASIC（初學(xué)者通用符號(hào)指令代碼）語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)。其語(yǔ)法簡(jiǎn)單，容易上手，非常適合作為工科專(zhuān)業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)的入門(mén)機(jī)器人。基于其設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)模塊項(xiàng)目包括機(jī)器人的基本巡航、機(jī)器人的胡須導(dǎo)航、機(jī)器人的紅外線(xiàn)導(dǎo)航、機(jī)器人的尋光測(cè)試。

進(jìn)階模塊項(xiàng)目主要面向自動(dòng)化類(lèi)專(zhuān)業(yè)學(xué)生開(kāi)展，要求學(xué)生綜合應(yīng)用Boe-Bot機(jī)器人的基礎(chǔ)功能，繪制電路圖并搭建電路，在設(shè)有障礙物的校園地圖上規(guī)劃軌跡路線(xiàn)，測(cè)量路線(xiàn)距離，計(jì)算脈沖數(shù)，使Boe-Bot機(jī)器人在校園地圖上通過(guò)循跡和避障的方式完成要求的打卡點(diǎn)數(shù)。

（二）基于A(yíng)GV移動(dòng)機(jī)器人的實(shí)訓(xùn)課程

移動(dòng)機(jī)器人集成了機(jī)械工程、電子信息、人工智能等領(lǐng)域的研究成果，是一個(gè)集環(huán)境感知、動(dòng)態(tài)決策與規(guī)劃、行為控制與執(zhí)行等多功能于一體的綜合系統(tǒng)。它可以根據(jù)外界環(huán)境的變化，進(jìn)行自主識(shí)別、推理和判斷，在一定程度上自行修改程序，以達(dá)到最終設(shè)定的目標(biāo)。

在基礎(chǔ)模塊項(xiàng)目中，學(xué)生需要在實(shí)訓(xùn)場(chǎng)地規(guī)劃的三條機(jī)器人軌跡中，通過(guò)測(cè)量實(shí)訓(xùn)場(chǎng)地的路徑和機(jī)器人的整體尺寸，在虛擬平臺(tái)上繪制出機(jī)器人的相應(yīng)軌跡并模擬其運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，再通過(guò)輸入簡(jiǎn)單指令，使機(jī)器人能夠按照要求軌跡完成運(yùn)動(dòng)。

進(jìn)階模塊需要應(yīng)用PLC（可編程邏輯控制器）通信的相關(guān)知識(shí)，主要面向信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)學(xué)生開(kāi)展，具體實(shí)訓(xùn)內(nèi)容為AGV調(diào)度和物料運(yùn)輸，學(xué)生需要調(diào)試并優(yōu)化機(jī)器人姿態(tài)，使用ModbusTCP（一種串行協(xié)議）協(xié)議建立PLC控制平臺(tái)與AGV移動(dòng)機(jī)器人之間的通信，控制移動(dòng)機(jī)器人按照規(guī)劃路徑，以安全高效的姿態(tài)從起始點(diǎn)運(yùn)行到終點(diǎn)并完成物料的運(yùn)輸。

（三）基于六軸工業(yè)機(jī)器人的實(shí)訓(xùn)課程

六軸工業(yè)機(jī)器人是一種可重復(fù)編程、多功能、多自由度的操作機(jī)器人，能夠通過(guò)移動(dòng)旋轉(zhuǎn)等改變姿態(tài)，完成智能產(chǎn)線(xiàn)中夾持、放置工件的任務(wù)。六軸工業(yè)機(jī)器人多自由度、可編程控制的特點(diǎn)使其可以作為理想的機(jī)電一體化實(shí)訓(xùn)設(shè)備。

由于六軸工業(yè)機(jī)器人自由度較大，手動(dòng)操作復(fù)雜，學(xué)生直接對(duì)其進(jìn)行實(shí)際操作存在較大的安全隱患，所以基礎(chǔ)模塊實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目主要采用虛實(shí)結(jié)合的方式開(kāi)展，要求學(xué)生首先使用RobotStudio（一款機(jī)器人仿真軟件）模擬控制六軸工業(yè)機(jī)器人，熟練掌握六軸工業(yè)機(jī)器人單軸、線(xiàn)性、重定位三種運(yùn)動(dòng)模式，調(diào)試六軸工業(yè)機(jī)器人的姿態(tài)和位置，優(yōu)化程序，使六軸工業(yè)機(jī)器人以更為靈活安全的姿態(tài)完成物料的取放。

進(jìn)階模塊的項(xiàng)目主要面向機(jī)械類(lèi)專(zhuān)業(yè)學(xué)生開(kāi)展，學(xué)生需要根據(jù)所提供物料的形狀、尺寸等特點(diǎn)，使用RoboDK（一款機(jī)器人仿真軟件）根據(jù)測(cè)量結(jié)果建立整體設(shè)備的模型，設(shè)計(jì)并組裝機(jī)械臂及手爪，使其能夠抓取一定空間內(nèi)的物料。

四、智能機(jī)器人的設(shè)計(jì)與改造

本項(xiàng)目作為綜合類(lèi)項(xiàng)目，集成機(jī)械、電控、信息等各類(lèi)專(zhuān)業(yè)知識(shí)，目的是讓學(xué)生在實(shí)際工程項(xiàng)目中靈活運(yùn)用各類(lèi)機(jī)器人技術(shù)。項(xiàng)目以團(tuán)隊(duì)競(jìng)賽的方式開(kāi)展，每個(gè)團(tuán)隊(duì)由機(jī)械、自動(dòng)化、信息三類(lèi)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生組成，學(xué)生需要根據(jù)指定的物料特征，合作設(shè)計(jì)、制作一個(gè)具有物流運(yùn)輸能力的機(jī)器人，該物流機(jī)器人需要滿(mǎn)足循跡、避障、抓取物料并精準(zhǔn)投放到指定位置的功能。

總而言之，新工科理念的提出，為工科類(lèi)專(zhuān)業(yè)帶來(lái)了全新的視角和機(jī)遇，也對(duì)多學(xué)科交叉融合的智能機(jī)器人實(shí)訓(xùn)課程提出了更高的要求。

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（作者單位：長(zhǎng)安大學(xué)現(xiàn)代工程訓(xùn)練中心）