机械电子工程专业本科教学改革的创新与实践

王琨 陈海卫 蒋毅 宁萌 周德强 左文娟 张秋菊

[摘 要]机器人是集机械、电子、控制、传感、人工智能等多学科先进技术于一体的现代化机械电子装备，是多学科交叉的产物，对机械电子工程专业人员具有良好的学习价值。该文主旨在于为了进一步提升机械电子工程学生的核心竞争力，对机器人学科提出了新的教学改革方法，目标是培养出具有交叉复合型研究能力和创新能力的智能制造与机器人领域的拔尖创新人才。

[关键词]机械电子;研究能力;创新能力

[基金项目]2017年度江南大学本科教育教学改革研究项目“强化机电产品创新设计能力的核心课程群建设”（JG2017093）;2017年度江南大学本科教育教学改革研究项目教师卓越工程项目“基于虚拟仿真平台的单片机课程教学改革与实践”（JG2017143）

[作者简介]王 琨（1986—），女，湖北黄冈人，博士，江南大学机械工程学院副教授，主要从事仿生机器人研究（通信作者）;宁 萌（1985—），男，山东济南人，博士，江南大学机械工程学院副教授，主要从事康复机器人研究。

[中图分类号] G642.0[文献标识码] A[文章编号] 1674-9324（2020）28-0179-02[收稿日期] 2019-11-05

机械电子工程专业是在机械制造、电子工程和计算机科学等学科的基础上发展起来的，是科技高速发展以及学科相互链接的产物，在工程科学中属于典型的跨学科专业[1-2]。机器人作为典型的机械电子工程产品，正是多学科交叉的产物，其机构设计、电气控制、计算机算法和控制等方面的技术对每一位机械电子工程专业人员都具有示范性的学习价值[3]。因此，越来越多的高等学校机械电子工程学科，面向本科生开设机器人学、机器人控制相关课程，旨在通过机器人创新教育模式以及理论与实践结合的课程体系培养出具有交叉复合型研究能力和创新能力的智能制造与机器人领域的拔尖创新人才。

一、课程定位

机械电子工程专业学生在以往学习机械、电子和计算机专业方面的课程时，由于这些课程具有明显的学科化倾向，不利于对它们进行系统化融合的思考[4]。在机器人技术基础课程中，学生将学习工业机器人的机理和组成，掌握“机械电子”中“机械、电控、算法”等知识内容，以及将其加以有机融合的方法。该课程综合了机械电子专业多门课程的相关知识，是理论、技能培养两者并重并有效结合的一门技术性课程。

课程要求学生掌握机器人的机构、位姿描述和齐次变换、操作臂运动学、操作臂动力学、轨迹规划、操作臂控制、机器人语言和离线编程等内容。使学生在学完课程后，能灵活运用机器人的基础理论并能对相应的机器人机构进行分析和计算，要求学生会用高级语言实现这些课程中的理论算法。学生通过该门课程的学习可以在毕业设计阶段、业余时间或工作后，利用课堂知识结合自己以前所学的各科知识，对多轴（四轴及以上）机器人进行几何学、运动学、动力学建模以及轨迹规划编程，结合机械设计知识完成一般复杂程度的工业机器人设计。

二、注重实践的教学改革方法

为了打造江南大学君远学院卓越工程师，学校在开展理论授课之后，又开设了为期两周的工业机器人实践课程，以巩固学生所学的理论知识和基本概念。让学生通过工业机器人实训平台，掌握国内外典型工业机器人的操作方法，进而熟练掌握机器人应用技术，为后续开展机器人研发及相关工作奠定基础，为“中国智能制造2025”积累技术人才。

工业机器人实训平台由六套主流品牌的机器人系统（包含欧系ABB和KUKA，日系FANUC和YASKAWA，国产STEP和EFORT，如圖1所示）和输送系统组成，既可以将六套主流品牌的机器人系统作为独立单元进行教学实训，也可以将六套机器人与输送系统配合起来进行输送线教学实训，从而将各台机器人系统充分应用于实践教学。

在实训过程中，首先针对工业机器人的特点，结合学生已经学习过的机器人理论知识，介绍工业机器人实训平台的组成（包括机械结构、电气结构、传感器、气动等部分，如图2所示），以及各工业机器人的特点和使用方法。告知学生实训的评分标准和验收准则，着重强调实训过程中的安全操作、安全规程。其次，向学生介绍机器人的简单操作流程和机器人的注意事项，让学生通过阅读教学PPT以及观看教学视频完成操作任务。在学生学会了每台机器人的应用后，结合六台机器人和输送带互相配合完成系统串联应用。最后，让学生根据自己的实训经历提出改进措施（包括机器人结构组成、自动运行程序和手动运行程序的编制、基本操作、控制系统、应用及维护等内容），并提交完整的报告。

三、结语

机器人是集机械、电子、控制、传感、人工智能等多学科先进技术于一体的现代化机械电子装备，经过六十多年发展，已经广泛应用于工业、军事等领域[5]。近年来，中国已成为世界上工业机器人装机数量最多的国家。因此，结合当前科学技术的发展现状和行业发展的趋势，开发先进的教学系统，为教育事业提供最优的教学环境是高校教学改革的目标;提供最新的知识体系和最先进的教学方法，实现教学系统的科学性、先进性、实用性，是机械电子专业教师的首要任务。

参考文献

[1]宁萌，薛必伦，张秋菊，等.机电产品设计课程教学改革的探讨[J].教育教学论坛，2019，（04）：116-117.

[2]徐丹丽.工科专业中线上线下一体化在线课程设计的思考—以机械电子工程专业在线改造为例[J].科技创新导报，2017，14（33）：211+213.

[3]工信部装备工业司.《中国制造2025》推动机器人发展[J].机器人技术与应用，2015，（03）：31-33.

[4]刘娣，许有熊，朱松青.应用型本科院校机器人课程教学探索[J].中国现代教育装备，2015，（21）：84-86.

[5]贺利乐，郑建校.以机器人教学和实验平台为载体培养大学生实践创新能力[J].装备制造技术，2014，（09）：286-288.

Innovation and Practice of Undergraduate Teaching Reform of Mechanical

and Electronic Engineering Major

WANG Kuna，b， CHEN Hai-weia，b， JIANG Yia，b， NING Menga，b，

ZHOU De-qianga，b， ZUO Wen-juana，b， ZHANG Qiu-jua，b

（a. School of Mechanical Engineering， Jiangnan University， Wuxi， Jiangsu 214122， China; b. Jiangsu Key Laboratory of Advanced Food Manufacturing Equipment & Technology， Jiangnan University， Wuxi， Jiangsu 214122， China）

Abstract： The robot is a modern mechanical and electronic equipment integrating mechanical， electronic， control， sensing， artificial intelligence and other multidisciplinary advanced technologies. It is a product of multidisciplinary intersection and has good learning value for mechanical and electronic engineering professionals. The main purpose of this article is to further promote the core competitiveness of mechanical and electronic engineering students， and propose a new teaching reform method for the discipline of robotics. The goal is to cultivate top-notch innovative talents in the field of intelligent manufacturing and robots with cross-compound research and innovation capabilities.

Key words： mechatronics; research ability; innovation ability