基于OBE和BOPPPS的工业机器人技术课程教学实践*

陈昌盛 王霄 杨明 马家庆

贵州大学 贵阳 550025

0 引言

工业机器人技术是贵州大学电气工程学院自动化专业一门综合性较强的课程，涉及机械、电子、控制理论、传感器检测和运动学等[1-2]，单一的理论知识讲授和实践操作，会使授课过程变得相对枯燥，代入感不强，结合OBE教育理念，以产出为导向，将诸如学生实习实践过的企业或中国制造2025等学生身边的例子有机地融入授课中，起到润物细无声的作用，提高教学和高素质人才培养效果。

1 课前准备及分析

本课程在自动化系的授课安排在大三年级，因此需要先对学生已学的知识进行初步分析，这样才可以根据学生的实际情况，开展教学。根据本次教学实践内容，基本分析有以下三点。

1）学生生活经验的分析，如：学生在以往学习和生活中几乎都见过吸盘，也用过直尺和量角器。

2）学生现有认知能力的分析，如：学生已经学习了工业机器人夹持类手部的基本情况和特点等内容。

3）学生的情感和身心特征分析[3-4]，如：这两个典型内容在整个课程学习的中间位置，教师和学生之间已经有了一定的了解，教师对学生的基础情况基本掌握，学生对教师的教学方法、方式也基本适应[4]。学生互相之间也相对比较了解和熟悉，适宜加入小组讨论等轻松交流的传授知识的方式。

2 教学目标及思想

根据OBE理念，制定的毕业要求和课程目标，选定优化本节教目标。比如在知识层面上，可以设定理解工业机器人的气吸附式手部的分类、基本工作原理和掌握工业机器人的气吸附式手部的基本使用和特点及理解工业机器人内部感知系统中典型的接触型和非接触型位置、角度传感器的基本组成、工作原理和掌握典型的接触型和非接触的内部位置、角度传感器的优缺点作为基本知识目标。

以能够分析某实际工程中的半自动手机包装生产线中的不足，运用气吸附式末端操作器（手部）和相关的工业机器人知识，进行自动化升级或改造，解决实际工程问题并通过小组讨论提升学生沟通能力作为能力方面的一个目标；以能够使用典型的内部接触型和非接触型位置、角度传感进行位置和角度解算及掌握典型的位置、角度传感器的特性，将非电量信号转为可以被利用的电信号，并进行功能变换作为能力方面的另一个目标。

围绕立德树人，贯穿以学生为主体[5]，对遵义以晴集团中实际工程场景进行分析，归纳半自动生产线的不足，并尝试进行自动化升级，提高生产效率，“助”力中国制造2025和从气吸附式手部的功能和特性进行延伸，结合2020年春新冠疫情之初五菱汽车生产线快速“转型”的实际案例，让学生了解工业机器人柔性化的特点作为思维上的一个目标；将直线位置传感器和角度传感器之间的物理结构关系，融入思考和讨论，引导学生勇于探索作为另外一个思维目标。

3 教学内容举例

本节课程主要利用实习中某条半自动手机包装生产线中存在的不足，让学生和教师一起对其进行分析，学习气吸附式末端操作器的基本情况，分类和特点等相关内容，解决生产线中的不足，提升自动化程度，“助”力中国制造2025。

还有工业机器人内部常用的两种典型接触型和非接触位置、角度传感器的基本组成和工作原理、特点、位置和角度的解算。和以往不同的是，通过将接触型电阻式位置、角度传感器的相关知识，和非接触型位置、角度传感器的相关知识，有机地联合在一起，重新“串烧”，增加学习效果。

4 教学重点与难点及教学方法

分析出每节的重点与难点[3]。比如气吸附式手部和内部位置角度传感器这两节，教学实践中可以把工业机器人的气吸附式末端操作器（手部）的分类和优势和气吸附式末端操作器的基本使用及工程下吸附力的计算，还有直线位置和旋转角度的解算作为重点。把位置和角度的解算和应用、同一个传感器的扩展应用作为难点，并为之找到较为合理的处理方法，比如授课中采用对未知概念先从相关的已有知识、生活、实习或实践中常见素材入手，引导学生“实际联系理论”，并对相关知识做出解释和说明，从而形成已经经过理解和消化的知识[4]。或者以实际实习和实践中遇到的工程问题，引导学生去思考问题，并提出适当的解决问题的方法[6]，并和学生一起对其分析和探讨，纵向联系先行知识点、横向比较类似相关知识点的异同加深对难点的理解[4]。

最后选择较为合适的教学方法。以注重教学效果的BOPPPS模式开展教学（BOPPPS教学模式闭环示意图如图1所示），结合工程教育认证理念中的以产出为导向[7-8]（制定较为合理的培养目标和教学目标），以学生为中心（多种教学方法和教学手段让学生参与到学习之中）的要求，持续改进（反思与改进），形成闭环，不停地优化学生的学习效果以及提高教学效果。

图1 BOPPPS闭环示意图

5 教学实践举例

5.1 气吸附式手部典型教学实践举例

1）导入、回顾及前测环节。这个环节的教学内容是通过实际工程任务引入本节教学实践内容：以遵义以晴集团生产实习基地中某条手机包装生产线为引入，提出在半自动生产线中，工人将手机或充电器放入传送带上面的包装盒里，升级为全自动方式，如果选用工业机器人来完成，则需要给工业机器人选择哪类手部（也称末端操作器）的问题导入，让学生一起回顾、思考并回答。然后变换工艺要求，如果完成贴条形码标签工序升级呢？传统人工贴码如图2所示。

此环节的设计意图为：将学生熟悉的红色基地作为切入点，并提出一个相对简单的问题让学生思考，然后变换工艺要求，让学生进一步思考和分析，进而激发学生对本次课的学习兴趣。

2）目标展示环节。根据理解、掌握、逐层加深的原则选定符合毕业要求和本门课程的教学目标，尽量具有一定的高阶性部分；并让学生对课程重心做到“心中有数”，便于掌握重点和难点，尽量让学生能在课堂中将最好的精神状态用在把握重点内容和知识点上。

3）参与式对比/分析式学习及试验环节。其教学内容主要为：通过对比已学知识，引导学生分析并学习气吸附式手部的相关基础知识，然后归纳出按形成压力差的方法分类中三种情况的特性。

①通过和前期学过的夹持类手部、仿生灵活手指的简要对比，提出吸附类手部中气吸附式手部。

②然后对基本组成进行学习，并提出具有这种结构就能完成标签吸取和粘贴么？

③进入按形成压力差的方法分类中的三种情况学习，同时进行特性分析和试验对比，看哪一种可以解决标签的吸取和粘贴。

④通过动画和伯努利简化方程解释为什么气流负压可以完成吸附。

⑤归纳出按形成压差的方式分类中三种情况的特性。

借助生活中学生熟悉的且与本课程知识相似的图片，再配合试验动画图形，运用PPT手段或短视频和板书进行讲解，让学生从总体上了解和理解气吸附式手部的基本组成。通过融入学生熟知的，如中国高铁车站的黄色安全线的由来引导学生进入其按负压形式而分类的相关内容学习。

试验测试参与环节为根据先前的分析和归纳，进行气流负压式吸附标签工程试验测试。①根据试验室已有材料打印条形码标签。②结合试验室的工作台，给工业机器人进行简洁的路径规划、吸盘处理和工业机器人编程。③运行测试吸附标签效果。测试图片如图3所示。

图3 工业机器人贴码试验图

结合PPT和实际试验测试，让学生能够更直观地进行理解和掌握，并发现其中的优势和不足，更好地融入“助”力中国制造2025的思想。

4）举一反三。进一步分析如果要完成外形怕挤压、表面怕划伤的物体搬运，应该采用哪种末端操作器（手部）更合适呢？

主要从下三个方面进行。

①被搬运物体特性分析。

②末端操作器对比。

③吸附力在工程中使用和计算。

然后从气吸附式手部的功能和特性进行延伸，结合2020年春新冠疫情之初五菱汽车生产线快速“转型”的实际案例，让学生了解工业机器人柔性化的特点和中国特色社会主义的优势。期间尽量以学生为主体，让学生思考如何完成该要求下的物体搬运。再加入工程下吸附力的计算，进一步加深学生对气吸附式手部的学习和具体应用。特别是国产汽车生产线之所以能够在几天内转换为口罩生产线，不仅依托于工业机器人柔性化的特点，更是中国特色社会主义下，审批流程快的体现。

5）后测。给出相应例题并锻炼学生归纳能力。

①分小组讨论，并写出解决方法和合理性分析结果。

②讨论增大吸盘面积的方法。

③小组讨论并归纳出气吸附式末端操作器的主要适用吸附对象和使用注意事项，并提交简要文档说明。

适当变换被吸附物体的特性，运用问题思考和小组讨论，让学生将本讲知识运用其中，从而让学生对知识得到巩固和锻炼。尝试锻炼学生分析总结的科学探索思维能力。

6）小结。以总分的形式回顾本节课的主要知识点，归纳课程中解决的工程任务，帮助学生回顾和梳理本节课的核心知识点，加深学生对重、难点的理解程度，布置与工程实际问题紧密相关的适量的课后作业。

5.2 内部位置、角度传感器典型教学实践举例

1）导入、回顾及前测环节。通过案例引入本节内容：首先简要回顾前期课程中学过的工业机器人的机械结构系统和驱动系统，然后引导学生回忆高中常用长度和角度测量工具：直尺和量角器，进而提出已经配有机械结构和驱动装置的工业机器人如何知道自己的小臂移动了多少距离呢？引出本节传感器内容，如图4所示。将学生熟悉的场景作为切入点的教学安排，可以调动学生对本次课的学习兴趣，进而引出下面将非电信号转换为工业机器人可识别的电信号量的相关知识学习。

图4 小臂内部位置检测传感器工作示意图

2）目标展示环节。介绍教学目标：①理解工业机器人内部感知系统中典型的接触型和非接触型位置、角度传感器的基本组成和工作原理；掌握典型的接触型和非接触的内部位置、角度传感器的优缺点。②能够使用典型的内部接触型和非接触型位置、角度传感进行位置和角度的解算；掌握典型的位置、角度传感器的特性。③通过部分传感器之间的功能可以相互转换的案例，培养学生辩证思维，很多事物的功能并不是唯一的，要善于思考，勇于探索和发现。

3）对比/类比参与式学习环节。从下面几个方面进行工业机器人内部感知系统中典型的接触型和非接触型位置、角度传感器的基本组成和工作原理的学习。

①首先以工业机器人小臂的伸缩为例，分析如何测量出小臂伸缩的距离（其示意图如图5），进行典型的接触型电阻式电位计位置传感器的学习。

图5 电阻式位置传感器应用示意图

②思考利用本节课刚讲过的知识可以完成工业机器人关节的角度测量么？进行典型的接触型电阻式角度传感器的学习。

③通过分析上述接触型角度传感器的优势与不足，引出典型的非接触型角度传感器，并进行相关知识的学习。

结合随堂提问，让学生思考如何利用典型的直线位置传感器完成角度的测量？进而培养学生的探索精神。

4）应用举例和后测环节。设置2～3个位置和角度计算的例题，巩固学习效果。

5）发散讨论学习环节。其主要讨论内容为：①典型的非接触绝对型光电角度编码器可以测量直线位置么？如果可以，请简述如何实现。②可以利用典型的非接触型光电角度编码器实现角速度的测量么？如果可以，请给出示意图或文字描述。本节尽量以学生为主体，让学生思考，发挥主观能动性，培养学生辩证思维，很多事物的功能并不是唯一的，要敢于思考，善于发现。

6）小结。借助板书和PPT以总分的形式回顾本节课的主要知识点，归纳课程中解决的工程任务，帮助学生回顾和梳理核心知识点，加深学生对重、难点的理解程度，最后布置适量的课后作业。

6 结束语

以改进某半自动生产线的实际工程应用或者生活中常见现象为切入点，以解决工程问题为产出，结合BOPPPS授课模式，逐步引导学生完成以解决实习场景中工程实际问题的课堂教学实践环节。有机融入科学探索、安全操作、柔性化生产等案例，帮助学生有效掌握相关知识，提高学生对专业的认同感，最终培养出全方面发展的综合型工程技术类“匠人”。