新工科驱动的“机器人编程与应用”课程改革与实践

仲训杲,杨贵志,付 荣

(厦门理工学院 电气工程与自动化学院,福建 厦门 361024)

1 课程改革背景

我国现有机器人数量离全球平均水平还相距甚远,制造业每万名生产工人拥有工业机器人数量不及日、韩、德、美等国家[1]。伴随工业机器人数量的增长,工业机器人在制造业市场中潜力巨大,在未来十年,我国将需要大量的具有一定技术水平的工业机器人技术人员。因此,高等院校开设机器人相关专业或课程势在必行[1]。

当前,本科院校聚焦教育部提出的“四个回归”教育理念,持续深化教育教学改革,提升本科生培养质量,着力打造一流本科教育,其重要举措是着眼人才培养模式改革,将人才培养建立在实践实验能力培养之上,并从课程和专业建设促进本科教学质量建设[1]。为此,本文以实践教学为导向,突出课程教学的实用性与针对性,围绕一流课程建设探索“机器人编程与应用”课程的教学设计与实践改革。

2 课程改革主要举措

2.1 课程现状分析

工业机器人正向智能化、模块化和系统化方向发展,而现有机器人教学课程,主要以工业机械臂为教学重点,结合工程力学和机械设计方法,企图引导学生掌握机械零件设计原理[3],并且机器人相关课程的设置侧重于理论知识教学,实践教学环节相对薄弱。这种侧重理论的教学方式、枯燥的理论知识、烦琐的数学推导严重影响了学生学习的积极性,达不到提高学生实践能力的目的[4]。考虑到市场对工业机器人应用技术及维护人才需求逐年大幅增加,因此有必要加强对机器人应用人才的培养力度。

另一方面,随着生产技术的不断发展进步,工业机器人已涉足国民经济的各行各业,如港口码头搬运、汽车焊接、产品分拣、柔性装配和打磨抛光等。现有的机器人相关课程教学大多忽略了工业机器人典型应用背景分析、工业机器人运动轨迹程序编写及调试、典型工业机器人应用案例教学,影响了学生工业机器人应用能力的提高。因此,本文积极探索课程建设与教学改革。

2.2 教学改革举措

项目导入,任务驱动的教学法的改革探索:为了改变“机器人编程与应用”课程教学过程中讲授者唱“主角”,学习者当“配角”的被动接受知识的状况,在课程教学过程中有必要引入任务驱动教学法,全新编排教学内容、开发工业机器人仿真任务、增加工业机器人工程编程教学。

在“机器人编程与应用”课程教学改革过程中,本课程着力打造以任务为向导,以项目为驱动,施教根本的教学模式。以工业机器人任务编程和典型应用场景为辅,以学生完成给定的任务为主线,在整个课程学习过程中强调学生学习的主动性、创造性和积极性。本课程使学生在完成机器人编程任务过程中理解工业机器人的基础知识,如机器人驱动和控制系统;掌握工业机器人示教编程方法,使学生对工业机器人应用技术从软件、硬件等方面有全面的认识和理解。课程建设通过增加工业机器人应用案例,结合大学生机器实践创新活动,进一步完善“机器人编程与应用”课程教学改革,以适应“双一流”应用型高校建设与人才培养的需求。

强化教师交流与培训,改善教学效果的改革探索:机器人工程人才培养是基于工程教育的创新教育新形式,以工程教育为最终目的,借助创新教育的形式,将工程教育的目标进行科学整合。机器人工程人才培养应面向行业、面向企业市场需求,通过校企合作,孵化产学研创新项目,促进学生的实践能力和创新能力,增强学生的工程素养和创新创业意识。

机器人系统是科学、技术、工程、数学等多学科知识的综合应用,对专任教师的素质要求高于传统的信息类专业,为适应智能制造发展,有必要配以教师培训机制与团队建设,同时吸引企业专家指导,促进教师交流与再培训,从而将知识技能、创新创业能力、团队核心力量发挥到最大。

3 课程组织实施

本课程通过项目导入,任务驱动的实施手段,主要分析工业机器人的发展、组成、工作原理,介绍搬运、涂胶、码垛、焊接等机器人典型应用,其目的是使学生学习掌握工业机器人的基本编程和操作知识,使学生对机器人工作站及周边设备运动等多种配合使用有深刻认识。本课程培养学生在机器人编程方面具备分析与解决问题的能力,培养学生在机器人操作方面的动手能力。

本课程通过理论教学和实践教学环节,使学生了解工业机器人的工作原理、系统组成及基本功能;掌握工业机器人运动学、动力学基本原理;掌握工业机器人RobotStudio 软件的离线编程方法;掌握工业机器人搬运、涂胶、码垛、焊接等运动特点及程序编写,能使用工业机器人基本指令正确编写搬运、涂胶、码垛、焊接等控制程序;了解工业机器离线编程的意义以及智能化发展的必然性。

教学项目由简单到复杂,由单项能力训练到综合能力训练。另外,具体实施过程中先进行仿真教学,在实际操作之前,学生能够对工业机器人建立直观印象,明确操作规程、操作方法等,最终使学生在学习过程中能力不断强化。在课程建设投入方面,学校需要具备的实验平台包括焊接机器人、搬运机器人、码垛机器人、包装装配机器人、3D 视觉分拣机器人等,同时还需建设机器人虚拟仿真实验室,使之满足本课程的教学需求。

4 课程特色与持续建设思考

“机器人编程与应用”课程特色在于项目导入,任务驱动,实践操作验证理论教学法,以机器人工程应用为背景,引入智能机器人先进技术,并结合教师的科研经历和项目成果,激发学生学习兴趣,并且开设学生创新项目,挖掘学生学科竞赛潜力。本课程在分析“机器人编程与应用”课程特点和教学现状的基础上,通过构建机器人教学和实验平台,在课程教学中增加创新实训实践性教学环节,培养学生的创新思维和动手能力、解决实际问题的能力和创新设计能力。

本课程持续创新改革与思考:(1)由于机器人属于新兴课程,学生对于这门课程的背景知识比较薄弱,对机器人系统集成与应用的认识层面比较浅,所以需要持续完善学生的机器人基本知识,与激发他们的学习积极性,这是课程教学中需要克服的难点;(2)明确课程定位,同步完善教材建设与实验室建设很重要,也很困难。另外一方面,理论教育应该联合企业力量,提供有针对性的机器人师资培训,为课程的开展提供有效的技术保障,也是课程建设的难点之一。

5 结语

本文对自动化专业“机器人编程与应用”课程的教学改革进行了探讨。在遵循工程教育OBE 模式的基础上,从课程的改革背景、课程改革主要举措、教学内容、教学方法和课程持续建设思考几方面阐述了该课程的教学设计与实践教学措施,为持续改进课程建设,提升教学质量指明了方向,课程注重科研与教学的转化,旨在打造一流本科教育,培养能创新、能解决复杂工程问题的高新技术人才。