浅析机械类专业工业机器人技术课程创新及教学改革

杜尊令，王炳丹，林荣庭，陈建辉

（1.肇庆学院机械与汽车工程学院；2.肇庆学院学生工作部，广东 肇庆 526061）

1 前言

智能制造被誉为第四次工业革命，已经成为各国发展抢占的制高点，而机器人等新兴技术是推动现代制造业智能化升级的核心驱动力。机器人被誉为“制造业皇冠顶端的明珠”，其研发、制造、应用是衡量一个国家科技创新和高端制造业水平的重要标志。目前，机器人不仅在制造业广泛应用，还扩展至医疗健康、资源勘探、救灾抢险、商贸物流、教育娱乐、农业生产、军事工业和航空航天等领域。机器人替代和协助人们从重复枯燥、脏累危险、有毒有害等工作中解放出来，取代了人的职能和拓展了人的能力。近年来，为了发展机器人产业，我国投入了大量的资金资源，制定各类重要的国家级产业规划和政策，使我国机器人产业得到了蓬勃发展，产业规模快速增长，技术水平持续提升，重点产业集群优势逐步显现。

机器人产业蓬勃发展，市场规模快速增长的同时，机器人领域人才供需矛盾已经显现，尤其是工程技术人才短缺已成为制约智能制造领域高质量发展的一大难题。工业机器人人才培养成为机器人领域和教育部门的关注热点话题。机器人是多学科深度交叉融合的数字化装备，对人才需求门槛高，综合能力要求高。培养工业机器人高端技术人才，为智能制造领域注入新鲜活力，高等院校除开设机器人专业外，对机械类专业开设工业机器人课程也是缓解机器人人才短缺的有效途径。机械类专业《工业机器人技术》课程确定知识-能力-素养三位一体培养目标成为课程建设的首要任务。本文以肇庆学院机械设计制造及其自动化专业为例，探索《工业机器人技术》课程在应用型本科教学中的目标定位、存在问题及解决方案，为其他应用型本科机械类专业开设工业机器人课程提供借鉴。

2 课程教学目标

通过企业调研和文献检索，将工业机器人产业链分为上游、中游和下游产业，如图1所示。工业机器人产业链上游产业为核心零部件生产，主要包括高精密减速机、伺服电机、驱动器、控制器和传感器等，相当于机器人的“大脑”，占据机器人总成本的70%～80%，是制约机器人成本降低的主要因素，目前，这些核心零部件主要依靠进口，例如，机器人用的高精密减速器占到机器人总成本的30%，而全球75%的市场被日本两家企业占据，包括四大家族等国际一线品牌均有它们供货。产业链中游为工业机器人本体制造，主要包括焊接机器人、搬运机器人、码垛机器人、涂装机器人和装配机器人等，机器人本体制造占据机器人成本的20%～30%；产业链下游为应用领域系统集成，主要包括汽车制造、3C电子、仓储物流、医疗服务、航空航天和军工等领域，系统集成占据总成本的5%左右，而国内公司多集中在该领域。

图1 工业机器人行业产业链结构图

根据工业机器人行业产业链结构和人才需求分析，结合机械类专业特点，课程教学团队建立了《工业机器人技术》课程知识、能力、素养三位一体的教学目标，如图2所示。

图2 课程培养目标

（1）知识目标。课程构建全面的工业机器人技术体系知识框架，了解工业机器人分类、特点、发展动态及学科前沿研究进展；掌握工业机器人基本结构组成和控制系统等基本通用理论及应用技术；理解和掌握工业机器人主要参数、操作编程及运行维护的通用方法及流程；掌握工业机器人选型、系统集成等技术和方法；了解工业机器人焊接、搬运、码垛、喷涂与装配等多种实际应用及周边设备。

（2）能力目标。培养学生在工业机器人及自动化系统集成等领域发现问题、分析问题和解决问题的能力；培养学生在工业机器人技术方面理论联系实际、机器人选型、系统集成、现场轨迹编程、离线编程软件等实践操作能力；培养学生自主学习、扩展获取信息的渠道及创新思维的能力；培养学生评价工业机器人系统集成合理性和集成过程中项目管理的能力；具备设计焊接、搬运、码垛、喷涂与装配等应用工作站布局的能力。

（3）素养目标。培养学生树立正确的三观、家国情怀和民族自豪感；让学生认识到工业机器人技术在智能制造中的重要性，领略科技进步给生活和世界带来的巨大改变，激发学生为国学习、为国创新、造福国家、改变世界的使命担当；通过工业机器人的高新技术，培养学生关心科技、热爱科学、勇于探索的创新责任意识；通过机器人系统集成和各类应用，培养学生具有良好的心理素质、职业道德以及高度责任心和良好团队合作能力；搭建理论联系实际的桥梁，培养学生精益求精的大国工匠精神，鼓励学生为成为工业机器人技术的创新型人才而努力。

3 工业机器人技术课程学情分析

以肇庆学院机械设计制造及其自动化专业为例，《工业机器人技术》课程为第七学期开设的专业选修课程，课程共计32学时，其中理论讲解24学时和实验操作8学时。目前，课程在教学环节中主要存在以下不足。

（1）课程内容知识面广、更新快、涉及领域众多。工业机器人是机电一体化先进数字智能装备，是面向工业领域多关节或多自由度的机器人，是机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多学科深度交叉融合的高新技术。而《工业机器人技术》这门课程不仅学习工业机器人的分类、结构组成、运动控制、性能指标、手动操作、在线编程、离线编程等共性通用的理论技术，还涵盖搬运、焊接、码垛、喷涂和装配等应用，每种具体应用均涵盖了多学科的知识架构。随着智能制造技术在各领域的广泛推广，工业机器人的需求量迅速增长，为了抢占市场，工业机器人制造企业在理论、技术等层面迅速革新。为了满足工业机器人技术发展的需要，避免发生高校课堂教学内容与企业实际新技术产生脱节现象，课程教学内容也要随新技术进行更新，给工业机器人课程教学带来了一定的难度。

（2）“双师双能型”师资欠缺。课程内容既涵盖了工业机器人分类、结构、操作编程等通用理论技术，还包含搬运、焊接、码垛、喷涂和装配等多种实际应用操作。教学内容与企业生产联系十分密切，例如，搬运、焊接、码垛、喷涂和装配等应用均来自企业实践，对于参与、接触过工业机器人相关企业实践项目的技术人员，能够更好地引导、启发学生的认知。而目前高等学校缺乏具有工业机器人工程应用经验的“双师双能型”教师，教师在企业工业机器人实践经验和创新能力有待提升。

（3）学生学习主动性和积极性不高。课程开设为第七学期，学生面临着就业、考研、考公务员等职业选择和准备工作，分散了学生的学习热情和注意力，致使一部分学生学习专注性不高，学习自觉性、自制性和创新性等意志品质差，导致学习效率不高，教学质量不佳。

（4）实践平台严重匮乏。工业机器人实践设备平台价值量相对较高，由于机械类专业学生众多，采购多套多种类的实践设备给学校带来了较大的资金压力，尤其是机械类专业在首次开设工业机器人课程时，实验设备匮乏成为制约课程教学开展的一大短板。目前，肇庆学院机械设计制造及其自动化专业仅有ABB焊接工作站1台、伯朗特20kg六轴工业机器人1台和人机协作机器人1台，由于实验平台短缺，给工业机器人实验教学带来了较大的挑战。

4 工业机器人技术的课程创新及改革

针对课程教学过程中存在的诸多问题，对工业机器人技术课程创新及改革采取以下举措。

（1）案例导入及师资培训。工业机器人涉及多个学科，课程内容涵盖机器人技术及搬运、焊接、码垛、喷涂和装配等多种应用，课程内容多、更新快，给学生学习、理解和掌握课程相关知识带来了一定的难度。为了让学生便于接受、梳理课程内容，教学过程中导入了机器人及搬运、焊接、码垛、喷涂和装配等应用的视频案例，便于学生在学习中更加直观、感性上认识机器人的理论及应用，也提升学生在课程中的参与程度，同时，将工程实际案例引进理论课堂，例如，搬运应用中机床上下料模块、输送模块、检测模块，料仓模块等部分，为学生展示了经典的工业机器人搬运应用场景。

为了强化任课教师工业机器人课程知识结构体系、应对工业机器人技术的快速革新，课程团队从优秀案例分享、教学经验交流、参加学术会议、企业技术交流、慕课、网络等多渠道获取学科前沿信息，并将学科前沿与已有经验（专业知识）相结合，实现课程团队教师全面创新升级、不断加强任课教师团队的业务水平。

（2）任课教师进驻企业。工业机器人技术课程知识面极其广泛，任课教师的实践经验及知识结构有限，需要广大教师走进企业，接触机器人的实际应用，提高自己的知识结构及认知，并将实际应用带回课堂，从而将课堂教学变得更加丰富多彩。上课过程中，我们充分结合产学研合作项目，将实际项目经验成果引入到课程教学，同时聘任企业导师，选聘企业一线技术人员承担部分教学任务。

（3）竞赛驱动。为了提高广大师生课程参与度，采用竞赛驱动的方式调动大家学习主动性，竞赛分为课堂内竞赛和课外竞赛两类。课内竞赛以翻转课堂的形式呈现，由任课教师对学生进行分组（3～5人/组），每次课程预留1～2个专业话题（例如，工业机器人的发展概况、工业机器人的分类、RV减速器、谐波减速器、工业机器人的性能指标、工业机器人的运动控制、AGV搬运车、搬运手爪等知识点），分配给相应组别准备，下次课程时由分组成员进行讲述，讲述结束后，由教师和学生对课程状态进行评价，提高了学生课程参与程度。课外竞赛以互联网+、挑战杯为主，并成立了“工业机器人及自动化应用创新小组”，依托拟建立的工业机器人实践与创新实验室，开展实践和创新活动，为广大师生参加相关竞赛提供场地、设备。同时，在竞赛过程中获得的经验成果可以反补教学，使教学变得更加生动，更加贴近实际应用。

（4）“虚实”结合一体化实践教学。由于工业机器人实践设备的严重短缺，致使学生对真实的机器人缺乏感性认识，且大型机器人在操作过程中存在一定的危险等状况，课程引入了虚拟仿真技术，利用计算机图形学技术，可以有效地达成机器人的相关操作，使教学易懂、易学，完成教学的目标。

5 结语

智能制造被誉为第四次工业革命，工业机器人等新兴技术是推动现代制造业智能化升级的核心动力之一。本文以肇庆学院机械类专业工业机器人技术为例，探索了课程创新和教学改革。

（1）建立了机械类专业工业机器人技术课程的知识、能力和素养三位一体教学目标。

（2）分析了课程教学过程中存在的内容知识面广、更新快、“双师双能型”师资缺乏和实验设备匮乏等问题。

（3）提出了案例导入、教师进驻企业、竞赛驱动和“虚实”结合一体化实践教学等方法，对课程进行教学改革。