应用型本科院校机器人课程教学探索

刘 娣 许有熊 朱松青

南京工程学院 江苏南京 211167

机器人技术是自动控制、机械、电子及人工智能等多学科领域交叉融合而形成的一种综合性技术。目前，各国各地区均把机器人产业和先进制造作为重要战略目标，抢占机器人技术和市场制高点已成为世界各国战略布局的主要方向。目前我国正处在由制造业大国迈向制造业强国的关键时期，党的十八大提出了四化协同、两化深度融合的战略，中国作为制造业大国，将成为全球机器人的最大潜在市场，机器人产业的发展及对机器人人才的巨大需求，迫切要求相关高等院校对机器人课程的教育进行深化改革，培养适合社会需求的高层次机器人人才。正是基于这一目的，南京工程学院在2013年招收了第一届机器人方向的本科生，本着学以致用的校训，致力于培养在工业自动化、特别是工业机器人技术及相关控制系统领域从事系统设计与开发、技术集成、系统安装、运行、维护和技术管理等方面工作的高级工程技术人才。为进一步提升教学品质、完善教学策略，在对国内外机器人相关课程教学大纲进行深入研究的基础上，对机器人方向理论课程和实践课程的设置、教学方案的优化进行了探索。

1 专业特点及教学目标

1.1 专业特点

南京工程学院机器人专业是国家级机电控制类人才培养模式创新实验区，国家级特色专业建设点，江苏省“十二五”高等学校重点专业，江苏省重点建设学科和特色专业，也是校级重点专业。尽管国内多数工科院校及综合性大学均开设了与机器人相关的理论课程，如机器人导论、机器人学等启蒙式课程，但将机器人作为一个本科专业方向，系统设置与之相关的理论及实践课程的高等院校还非常有限。机器人专业的先修课程包括电路原理、自动控制原理、电机与拖动基础、运动控制系统等专业课，在此基础上，设置与机器人紧密相关的理论课程及实践环节，包括机器人控制、机器人编程与操作、机器人传感器与检测技术等课程，因机器人理论教学与实际操作的密切联系，几乎所有理论课程都有相应的实践环节，除此之外，还在相应学期开设了1～4周时间不等的机器人认知实习、机器人编程与操作实习、机器人系统集成综合实习及工厂实习。

在扎实的理论学习及大量的实际操作实习基础上，学生才能具备综合应用专业知识分析和解决机器人行业及相关控制系统中实际问题的能力，而不仅仅是简单的应用、操作，从而成为高层次的机器人专业技术人才，这也是在本科阶段开设机器人专业方向的根本目的。

1.2 教学目标

在本科阶段开设的机器人方向的专业课程，不同于在研究生阶段开设的偏重理论研究的基础课程，也不同于高职院校开设地偏重于操作的机器人实训课程。本科阶段的机器人人才培养重视软硬件相结合、强弱电相结合，理论联系实际，以工程项目为背景，在实际系统集成、应用、操作中深入理解自动控制、运动控制、过程控制等相关课程的理论知识，在工程能力培养的同时掌握电工技术、电子技术、控制理论、自动检测与仪表、信息处理、网络技术等领域的专业知识，使学生具备较高的提出问题、分析问题、解决问题的能力，这也是目前国内外企业对机器人人才的迫切要求。

2 教学改革措施

2.1 理论教学方式的改革

与机器人相关的理论课程，除了自动化专业传统课程外，还包括机器人导论、机器人控制、机器人传感器与检测技术、机器人机械基础、机器人视觉等核心专业课程，这些课程涵盖了从机器人本体结构到运动控制的各方面，涉及一些理论知识抽象难懂、公式繁杂，若课堂教学不能做到深入浅出、有的放矢，很有可能让学生在学习之初便缺乏积极性。因此，即使是理论课程的教学也要不同程度的加入实践环节，让学生对机器人研究内容有更加直观的认识。比如，对于机器人控制这门课程，可将一些控制算法与机器人对象相结合，借助MATLAB软件对机器人的动力学特性进行分析，实现对机器人的仿真控制，这样做的目的在于，一方面让学生加深对控制算法的理解，另一方面可大大激发学生的学习兴趣；在讲授机器人机械基础这门课时，应同时结合实验室的教学设备进行现场教学，有了现场教学，学生在理解机器人的自由度、各关节转动方式、传动部件、机构设计等知识时将会有事半功倍的效果。因此，教师在讲授理论课程的时候，要能对课程内容进行分解融合，提炼核心内容，运用仿真软件、动画演示、现场认知等多种教学方式辅助完成理论教学。

六关节机器人

2.2 实践教学方式的改革

实践教学是机器人培养方案的重要组成部分，我校为培养优秀的专业技术人才，已与奇瑞埃夫特，南京康尼电子，日本三菱，日本FANUC，ABB等国内外知名企业达成合作，共建了具有一定规模的工业机器人实践教学平台和实习基地用于教学研究工作，在相应学期设置了时长不等的实践教学环节。实践环节的教学将以学生为主体，引导学生系统认识机器人的各组成部分，在教师讲解、演示的基础上，通过合理的分配让每位同学都有机会进行实际操作，进而让学生对机器人所具备的功能、涉及的传感器、相关的机械传动部件、控制原理都能有更深刻的认识。在有限的实践时间里，学生难以对实验室所有机器人设备都进行深入学习，因此，在实践环节，将本着“全面了解，有所侧重”的原则完成教学工作，在实践初期，将由教师带领所有同学认识实验室所有机器人设备，大致了解其功能，然后，结合学生的学习兴趣进行分组，安排各小组至不同的机器人操作平台，教师对各小组提出任务、引导实施，要求学生对该平台机器人系统进行深入研究，并进行开放创新式的评价考核，全面激发学生的学习主动性和学习兴趣。

2.3 实践考核方式的改革

对于一些传统课程的实践考核，一般是要求学生做出相应的实验结果，并完成相应的实验报告即可。机器人专业的实践考核目标，应更加注重动手能力及创新能力的培养，实施“多层次、多模块、校企衔接”的机器人专业实践教学体系。首先，对于验证性的仿真实验，不仅要求学生能实现大纲给定的算法，还要在此基础上寻找新算法新思路，创新性的完成指定实验，用探索性实践教学打破传统验证性实践教学的封闭性，真正达到培养学生创新思维的能力；在此基础上，构建具有逐层递进式的机器人开放实验平台，建设以机器人电子设计认知学习、编程应用实习、系统综合集成实习及工厂实习为核心的实践教学体系，各环节的考核方式均应灵活多变，注重培养学生的创新能力，如慧鱼拼装机器人，在提供机器人总体设计、讲授其基本编程方法的前提下，应鼓励学生装配出多种产品，对产品进行编程运行，检验相关功能，初步掌握机器人开发、设计的完整流程；最后，为学生提供参加国际和国内的各种机器人大赛实践平台，机器人竞赛要求学生从结构设计、控制器设计、传感器应用到系统调试等各方面掌握机器人相关知识的综合运用能力，可以很好地锻炼学生独立分析问题、解决问题的能力，将这一过程作为实践环节的辅助考核方式能有效调动学生的学习主动性，促进同学之间的相互协作，最终实现团队的共同进步。

2.4 提高教师科研能力

机器人技术的发展日新月异，前沿技术、产品的更新周期也越来越短，相对于前沿技术来说，教材上的理论及实践内容较为陈旧，如何实时把握最新动态，向学生传递科技前沿是非常紧迫的教学任务，这要求相关任课教师能积极主动的提高业务水平和科研能力，能紧跟机器人技术发展的最前沿，让学生有置身于先进科技行业之感，这也能在一定程度上提高其自信心，激发其科技创新能力。为提高教师的科研能力，南京工程学院已外派5位教师至德国、美国等知名大学进行机器人技术的进修和研究，并将定期派年轻教师到企业、高校进行学习进修，师资队伍的完善是提高教学质量的关键所在。

3 结束语

机器人在提升产品质量、提高生产效率、增强企业和国家竞争力等方面都具有举足轻重的地位，随着制造业的发展和劳动力成本不断提高等因素的影响，中国的机器人需求在近几年将呈爆发性增长，企业对机器人高层次专业技术人才的引进也将不断增加，如何培养高质量的机器人专业技术人才是相关高校所面临的共同问题。通过对机器人专业课程的优化设置、对理论课程和实践环节教学方法及考核方式的不断改革创新，为培养机器人专业的优秀人才打下了坚实的基础；同时，突出素质教育和工程应用能力的培养，贯彻知识、能力和素质的协调发展，校企深度合作，进一步培养了学生的工程实践创新能力，这些建设和改革措施可满足应用型本科院校人才培养目标的需求和本科教育的发展趋势，对机器人教学工作起到了一定的促进作用。

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