面向智能制造的“机器人技术”课程教学改革探索与研究

黄建 李平

摘 要：随着智能制造的蓬勃发展，机器人行业人才的需求量增加，以及质量要求也逐步提高。为了培养出合格的本科人才，本研究针对目前机器人技术课程在面向智能制造方向本科生教学中存在课时不足、学生动力不足等问题，通过从教学内容、教学方式、增加实验课课时以及考核方式等方面进行改革，经过对学生的回访，教学改革后教学质量得到了明显提升，这也为智能制造方面人才储备奠定了基础。

关鍵词：机器人技术;智能制造;教学改革

1 概述

智能制造是制造业深入实施创新驱动发展战略的重要引擎，是我国由“制造大国”到“制造强国”跨越的必由之路[1]。相对于传统机械制造，智能制造将更加注重多学科的交叉，新学科的融合，涉及信息流、信号处理、物流管理甚至人工智能，而支撑智能制造技术发展的一项有力技术就是机器人技术。在信息科学技术的支撑下，机器人也逐渐智能，不仅能根据人的指令完成相应工作，还自行完成数据探测、自动学习与判断、操作行为控制，因此，机器人技术也朝着更加信息化、智能化的方向发展。

目前，机器人技术已经覆盖了汽车、制造、探测、服务以及医疗等几乎生活中各个领域;另一方面，随着我国老龄化加剧，人工成本的增加，根据联合国欧洲经济委员会和国际机器人联合会的不完全统计[2]，未来机器人技术将有更加广阔的应用空间。而我国是机器人消费大国，人工智能和智能制造将促使我国未来消费在机器人的市场值更大，下图所示为中商产业研究院整理的近几年来关于中国机器人市场规模，可以发现，从2017年至2020年，中国机器人市场规模增大了近3倍。因此，在高校开展与机器人技术相关的课程将会对我国的工业提供促进作用，具有一定现实意义。

同时，2018年教育部在新时代全国高等学校本科教育工作会议上提出“打造金课，淘汰水课”的要求以及全国专业认证大浪潮下[3]，探索如何提升“机器人技术”这门课教学质量，为目前机械类教育带来了新的挑战。因此，针对“机器人技术”这门课程的特点和任务，强化该领域专业人才的培养，为我国工业4.0的发展储备人才，奠定良好的基础。

2 机器人技术课程教学现状分析

2.1 国内高校课程开设现状

首先，受限于师资条件、教学仪器设备以及学科性质，目前工科学校中，开设与机器人相关课程的占比仅为1/5左右[4]，因此，有关机器人技术方面的本科人才较少。另一方面，该课程通常开设在第6学期，总共32学时，实验学时仅4学时，甚至有些学校分配的实验学时为0。同时，该门课程的重点是机器人运动学与动力学，涉及大量的矩阵变换，都是比较抽象的内容，比较难于形象化和理解，需要实际操作对理论知识进行加深理解。

其次，受科研平台、实验平台、资金及其他因素的限制，与发达省份高校的开课内容相比，本校的机器人课程开课时间较晚，因此，在教学方面的教学经验相对薄弱。另一方面，本校机器人方面的科研项目不多，关于机器人技术的前沿领域的涉足相对较少。因此，教学内容与发达省份相比还存在一定的差别。

2.2 学生整体现状

目前教学的学生主要是00后，00后学生主要具有以下特征：

（1）追求独立自主的个性化。无论是价值观还是生活态度，00后都有自己的方式，这些方式和传统的方式有较大不同。因此，在教学方式上需要与他们的生活、学习方式接轨。

（2）具有良好的自主学习能力。00后从小就接触计算机，属于互联网一代，因此，对各种信息的来源将会更迅速，自主学习能力将更强。因此，在教学过程中，可以抛出更多的话题，让学生通过自己查资料而解决。

（3）务实化的生活方式。00后对学习更看重所学知识是否有用，是否对就业能有帮助，考虑到更多的是自己未来职业的发展前景。

2.3 教学现状

对选修了本门课程的绝大多数学生而言，对机器人具有一定的兴趣和好奇心，因此学生对这门课程本身是具有一定的学习兴趣。但是，在教学过程的开展中，部分教师教学方式仍然很老旧，采用填鸭式教学，教师在黑板上推导公式，学生在下面记录，这将导致以下问题：

（1）未给学生留下充足的思考时间。古语有云：学而不思则罔，可见在学习过程中思考的重要性。

（2）由于缺乏思考，将导致学生对后续讲解的内容理解不到位，对于基础较差的学生来说，课程存在完全听不懂的状况，从而导致学生学习积极性显著下降，负面情绪较大。

3 机器人技术课程教学目标

“机器人技术”是机械电子工程、机械设计制造及其自动化专业的一门专业拓展课，是智能制造的核心课程。课程主要包括：绪论、机器人结构设计基础、机器人操作手运动学、机器人操作手动力学、操作机器人关节伺服驱动技术、机器人控制、机器人传感器。注重将机器人基础理论与应用技术相结合，力求反应机器人研究领域的新进展。为后续工厂实践、就业等奠定基础，也为从事与机械相关的设计和技术工作打下基础。

通过本课程的学习应使学生掌握机器人机构设计、运动分析、控制和使用的技术要点和基础理论。首先，了解机器人的特点、结构与分类，理解机器人本体设计的思路，机器人的位置控制、柔顺控制以及机器人的分解运动控制、机器人的轨迹规划问题。其次，机器人的功能模块组成及其在系统中的作用，工业机器人及特种机器人的应用领域，了解机器人的基本控制原则，机器人规划的作用和任务。达到能够运用数学、自然科学、工程基础和专业知识解决复杂机械电子工程问题的目标。最后，针对不同应用领域，了解机器人发展现状及发展需求，最新技术发展和应用需求。达到能够综合运用机械电子工程相关基础与专业理论，根据各种物理现象、机械特性、电控特性，通过文献研究及相关方法，调研、分析复杂工程问题的研究方案的目标。

4 教育改革探索

4.1 教师队伍建设

首先，完善本门课程授课教师整体结构，包括年龄、学历、职称等方面，构成合理的梯队结构。一方面，形成老带新的模式，可以使青年教师在短时间内能发挥老教师传授的经验，在教学中少走弯路，同时对本门课程的教学和计划形成明确的规划。另一方面，不同层次的教师可以发挥各自擅长的领域，可以形成百家争鸣的景象。

其次，坚持师德师风建设。随着高校的发展，国家及社会对高校老师的师德师风提出了更高的要求。良好的师德师风，包括明确的政治立场，正确的育人观念以及正确的学术观，这些品质将会在日常生活中深入学生的人生观和价值观，对培养优秀的学生有重要的作用。

最后，加强教师的教学质量建设。鼓励青年教师多听经验丰富、教学口碑佳的老教师的课程，学习教学中的优点。针对自己教授的本门课程的特点，进行借鉴。同时，可以多参加青年教师说课大赛，提升教学能力。

4.2 丰富教学实例激发学生学习兴趣

很多学生对机器人的认识以及期望停留在科幻电影中，如漫画里的机器猫，或者是《I ROBERT》中的机器人。因此，第一节课可以以此为切入点，让学生围绕话题：你意识中的机器人展开讨论，进一步激发学生学习兴趣。随后，以视频或者图片的方式，配以讲解，给学生展示新型的机器人在军事、服务以及机械等领域的前沿应用。

随后，将实例的重点引入机械中，讲述机器人在汽车焊接、汽车喷涂或者电子元器件装配等领域的应用，这样将本门课和前期学习的机械专业课程结合在一起，进一步消除了学生对本门课程的陌生感，让他们了解本门课程的用途。

授课中，每一节课可以给学生介绍一种新型机器人，并以视频的方式播放。在视频播放过程中，将前期讲授的一些书本上的理论知识点在这些实例的应用突显出来，使学生对抽象的知识能够形象化理解。

随后，教师还可以布置一项作业，让学生课后调研各种新型前沿的机器人，并讲清楚该机器人的使用背景、用途以及特点，并在课堂上让学生互相交流调研的结果，以便学生灵活运用书本知识和理解知识点，并培养学生关注科技前沿的能力。

4.3 改革教学方式提升学期驱动力

虽然学生对本门课程有一定兴趣，但是时间久了难免疲乏，此时，需要充分调动学生的学习驱动力。本门课程采用翻转课堂的方式[5]，即每一节课中，抽取一个很小的知识点，提前让某学生通过查阅资料的方式自学，并对该知识点进行提炼、总结，并准备课件。在下一次课中，请该名学生花大约15分钟来对该知识点进行讲解，并解答同学的疑惑提问。这种上课方式改变了传统教学老师输出学生输入的模式，反过来，让学生像老师一样讲解知识点，这样将会让学生的参与感更强，同时，促使学生在自学时要去弄清知识点中的细节，从而对知识点理解更加透彻。采用此种模式教学，不仅能培养学生的自学能力，同时，还能培养学生语言表达能力、制作PPT的能力以及演讲的能力，对学生综合素质的提升也将有一定帮助。

其次，要突出课程的重难点。本门课程的第一个难点就是机器人运动学，涉及大量的数学变换，特别容易混淆。第二个难点是机器人动力学，涉及受力分析以及矩阵的运算，不仅考验建模的能力，还考验计算的能力。因此，在讲授这两章的时候，尽量将细节细化，避免因为讲得过快，学生未理解而形成知识点的遗漏，进而产生连锁效应，导致后续知识点无法理解。同时增加例題，并对应理论知识点一步一步讲解，从而帮助学生对理论知识的应用。

最后，充分利用网络资源进行课后复习。目前，网络资源众多，有教师直播上课的模式，有学生点播的模式，学生可以随时随地进行学习。其次，慕课的另一个好处是每一节课只讲一个知识点，时间持续10～20分钟，因此方便学生针对某一个不懂的知识点进行学习。然后，慕课等网络资源具有开放性，不限制年龄、国籍甚至职业，绝大多数课程不收取费用，适合于学生使用。最后，慕课是依托很多名校的优秀教师而录制，因此，慕课质量优秀，制作精良，对学生学习帮助很大。

4.4 实验课增加动手能力

机器人技术是一门动手实操能力很强的学科，因此仅仅靠课上的学时无法让学生深入理解。因此，拟将实验学时从4学时提升为6学时。主要目的就是培养学生动手能力，课程中让学生操控华数机器人，编写一定的代码，控制机器人手部，实现空心字的撰写。其中，空心字的复杂程度也影响控制代码的复杂程度。因此，第1～2学时主要利用实物，同时和课堂上的理论结合，介绍机器人的各个部件以及概念，并让学生初步编写代码，完成机器人手部的基本控制。第2～4学时，让学生编写代码，完成简单的空心字“工”的撰写。第5～6学时，增加空心字难度，完成“商”字的撰写。通过循序渐进的实践方式，让学生熟悉机器人的结构、运动学、动力学以及控制部分。

4.5 改革评价方式

期末成绩的组成由30%的平时成绩和70%的期末试卷笔试成绩组成。由于机器人这门课程是一门实际应用的课程，因此要注重课程评价。在30%的平时成绩中，课堂出勤占10%，主要考核学生的学习态度;平时作业占10%，主要考核学生课下的复习;实验课成绩占10%，主要考核学生的动手能力。最后，70%的期末笔试成绩主要考核学生的基础理论、分析计算的能力。

结语

近几年来，智能制造的兴起带动机器人产业的发展，对学校培养机器人方面人才的需求量以及质量也在不断提高。对机械电子工程、机械设计制造及其自动化专业的机器人课程面临的课时不够、学生积极性较差等一系列问题进行了教学改革。通过课后与学生交流，以及与毕业后就业的学生进行回访，教学改革后不仅提升了有限学时内教学质量，而且提高了学生学习驱动力，具有一定的效果，得到了学生的一致好评。最重要的是，通过实验学时的增加和内容的改革，使学生亲自完成了机器人的操作，不仅让学生系统理解了本门课程的内容，达到了教学目标，同时培养了学生创新能力和团队合作能力，进而获得了成就感，对以后就业奠定学术自信也打下了基础。

参考文献：

[1]丁汉.机器人与智能制造技术[A].中国自动化学会.2015年中国自动化大会摘要集[C].中国自动化学会：中国自动化学会，2015：1.

[2]冯大鹏，李涛，修云，雷才洪.“机器人”课程改革探索与实践[J].湖北理工学报，2017，33（05）：67-70.

[3]周浩.《机器人技术基础》线上金课建设研究[J].科技风，2021（14）：56-57.

[4]杨建磊.我国高校机器人教育的现状分析及对策研究[J].江苏科技信息，2013（9）：41-42.

[5]郝万博，赵冰.“翻转课堂”的优势及存在的问题探析[J].教育现代化，2018，5（02）：274-276.

基金项目：重庆市教委重大教改项目，以学科竞赛为载体的地方高校学生国际交流途径探索与模式研究（项目编号：171017）重庆工商大学校级重点教改项目，以创新能力提升为导向的机械基础类课程教学范式改革与实践（项目编号：2018107）

作者简介：黄建（1990— ），男，汉族，重庆人，博士，讲师，研究方向：机器人技术及机器视觉;李平（1977— ）男，汉族，重庆人，博士，副教授，研究方向：机器人技术。