新工科背景下面向先进制造领域的机器人实践教学方法研究

摘要：为贯彻新工科教育理念，满足先进制造领域对人才的迫切需求，分析当前本科高校在机器人专业和课程教学中的现状及面临的问题，重组实验实践教学资源，组合搭建面向先进制造技术应用的机器人综合实践平台，提出实践教学改革方案，以满足不同层次要求的机器人教学目标，设置从基础操作掌握、技能方法实践、工程应用创新的渐进式能力培养过程和科学管理评价体系。为探索机器人技术实践教学和新工科人才培养提供了经验。

关键词：新工科工业机器人教学改革实践教学

中图分类号：G642.0文献标识码：A

ResearchonPracticalTeachingMethodsforRobotinAdvancedManufacturingUndertheBackgroundofNewEngineering

ZHENGBo*LIXiaoleiXUJingxiaGUOShiruiCUILinlinCUIYinghao

CHENYongqian

SchoolofMechatronicalEngineering，ZhongyuanUniversityofTechnology，Zhengzhou，He’nanProvince，450000China

Abstract：Inordertoimplement thenewengineeringeducationconceptandmeettheurgentdemandfortalentsinthefieldofadvancedmanufacturing，thispaperanalyzesthecurrentsituationandproblemsfacedbyundergraduateuniversitiesinRoboticsmajorandcourseteaching，reorganizesexperimentalandpracticalteachingresources，combinesandbuildsacomprehensiverobotpracticeplatformfortheapplicationofadvancedmanufacturingtechnology，proposesapracticalteachingreformplantomeettheRobotteachinggoalsofdifferentlevelsofrequirements.Aprogressiveabilitytrainingprocessandscientificmanagementevaluationsystemaresetupfrombasicoperationmastery，skillmethodpractice，andengineeringapplicationinnovation，whichhasprovidedexperienceforexploringpracticalteachingofRobotTechnologyandcultivatingnewengineeringtalents.

KeyWords：Newengineering;Industrialrobots;Teachingreform;Practicalteaching

在智能制造技术迅速推广和广泛应用的背景下，机械制造业装备水平不断提升，生产模式不断更新和演化，且呈现出多学科、多领域交叉融合的趋势，这对从业人员的知识结构和专业能力提出了全新的要求。新工科教育旨在应对这些挑战，通过更新教育理念和教学方法，培养能够适应未来技术发展需求的高素质工程技术人才，可应对多学科交叉融合的工程需求[1]。

工业机器人作为高档数控机床和机器人装备技术的一部分，属于“中国制造2025”规划中“制造业十大重点领域”之一[2]，是智能制造体系中的关键环节，其在提高生产效率、保障产品质量及促进制造流程创新等方面发挥着至关重要的作用。在实际生产中，工业机器人的应用不仅需要相关人员具备牢固的工程技术基础，还要求他们具有跨学科、跨领域的综合能力，能够应对工业机器人在特定工作场景中的实际工程问题。。

因此，通过工业机器人及其应用的实践教学，尤其是与特定应用领域相结合，采取研究式、项目式教学方法，可以在综合实践能力方面有效锻炼学生，以及解决复杂工程问题和实现复杂工程目标的能力。在这一教学实践和探索过程中，能够积累多学科交叉融合的人才培养经验，并构建相应的教学模式。有助于提高相关理论课程和实践教学环节的质量，培养学生的工程素养、实践能力和创新精神，满足现代制造业的实际需求。

1机器人教学问题与现状分析

1.1工业机器人教学现状

工业机器人是一门知识领域交叉性较强的学科，涉及的理论知识包括机械原理、机械设计、运动学与动力学、自动控制理论及应用、传感器和检测技术、程序设计相关课程，在理论教学与学习上较为抽象、知识密度大。在实践上，工业机器人实践包含机器人运动示教控制、程序设计编写与调试、作业功能实现等多个目标，实践环节任务复杂[3]。

目前，多数本科高校中，机器人技术教学存在两种模式。一种是将“机器人技术”作为传统机械工程及自动化类专业、下的一门课程进行设置，通常以机器人学导论和机器人学基础课程的形式设置；此外，随着国家对智能制造领域发展的重视，2015—2023年，陆续有367所高校开设专门的“机器人工程”专业[4]。这类专业在课程设置上普遍将机械原理、机械设计、电气自动化、微机原理、高级语言程序设计作为专业核心课程。从单一课程教学和学科专业设置两个层面，机器人教学目标与教学方法的需求呈现多层次的特点。

1.2工业机器人教学存在的问题

随着机器人技术课程、机器人工程专业的广泛设立，教学方面也存在相关问题。对于如何在本科阶段培养具备机器人工程素质背景的人才，还需要专门的探索途径。

目前在本科高校的机器人工程专业和机器人技术课程的教学中，最突出的存在的问题是理论教学与实践环节脱离的情况。在教学上，由于课程设置历史沿革、师资队伍背景等多方面原因，多数机器人工程专业课程侧重对机器人技术理论教学，其主要知识框架基于传统的机器人学体系，主要内容包括机器人运动学、动力学、轨迹规划、控制理论等[5]。学生们通常对工业实际应用中的工业机器人形式、结构和应用方式缺乏了解，也不清楚使用工业机器人能实现哪些作业场景及其具体特征，很难形成面向实践的知识结构体系，被动接受理论知识，无法实现对学生工程思维和创新能力的激发，阻碍了知识水平向工程实践能力的延伸拓展，难以满足制造业对人才的需求。

在实践教学方面，机器人技术课程与专业兼具理论性与实践性，实践部分对于学生理论与实际相联系结合的能力培养具有重要意义。然而，由于工业机器人技术相关的实践部分对实验实践设备与硬件平台存在依赖，而工业机器人设备又具有资产价值高、复杂精密，管理要求细、安全防范要求高等特点，通常作为大型精密仪器设备管理，在本科教学环节的使用受限[6]。实践教学需要投入大量的师资力量、人力资源和管理维护成本，构建完善的实践教学流程和评价体系难度更高。这些因素也阻碍了应用工业机器人广泛开展实践教学[7]。

产教研融合不充分，创新实践能力培养潜能待发掘。在高校中，机器人技术方面多侧重硕士和博士研究生阶段的人才培养，难以满足制造业对大量人才的需求[8]。在本科阶段，相关人才的培养薄弱，对本科教学方面的渗透和影响有限，导致产教研结合程度较低、结合模式不成熟，学生接触实际问题、接触科研前沿的机会少，难以培养学生的工程素养和研究能力[9]。

2教学改革设计

2.1面向先进制造技术的实践教学总体思路

激光加工制造是先进制造技术重要领域之一，本项目所依托教学和科研团队，在该领域积累多年经验，建立了激光智能制造技术实验室，在完成科研任务同时，也承担机械类、材料类学科的本科教学活动，开设了激光加工技术、增材制造技术等相关课程。激光加工具有激光束可控性强、精度高、非接触加工等特点，易与包括机器人在内的智能制造设备结合，实现加工自动化、柔性化，在精密加工、复杂结构加工及批量自动化生产等领域具备明显优势[10]，适合应用于工业机器人实践应用的作业场景。

结合相关教学科研团队在激光加工和机器人应用领域的经验和积累，整合现有实验设备等硬件资源和师资等软件条件，设计了面向先进制造的工业机器人实践项目。旨在通过与先进制造技术相结合，通过任务式、项目式实践环节，让学生对工业机器人在实际生产中的应用方式有实际了解；在此过程中，让学生熟悉以激光制造为代表的先进制造技术，融合思政教育环节，培养学生对制造业前沿探索的兴趣和热情，锻炼学生解决实际工程问题的能力，培养具有多学科交叉能力基础、满足“新工科”人才培养需要。

2.2实践教学内容设计

面向先进制造的工业机器人实践教学体系设计，如图1所示，以满足不同层次的机器人教学培养需求为目标，以理论教学为基础，实践教学为核心，围绕激光制造应用场景，设立多层次实践教学目标体系，旨在培养学生工程创新实践能力。通过科学规范化教学环节和教学评价制度，建立面向先进制造技术前沿的实践教学模式，并为相关领域学科竞赛、产学研融合等活动提供支持。

2.2.1理论教学基础

工业机器人实践培养的学生来自多个学科专业方向，既包括机器人工程专业，也包括机械、机电、自动化等相关专业，呈现多层次培养目标和培养背景的特点。由于学生背景和培养目标各异，需规范、系统地梳理学生在参加实践学习前应掌握的前置理论知识。学生应具备机械原理、机械设计等专业基础课程知识，以及传感检测技术、机电控制、自动化等方面的原理及应用，在专业课程中学习机器人技术基础知识，包括机器人运动学、动力学、机器人控制、轨迹规划、机器人编程等知识。特别地针对实际应用广泛、与实验实践平台相对应的六轴工业机器人进行重点讲解，以建立理论知识和后续实践实验的对应。

2.2.2渐进式能力培养

在理论教学和学习的基础上，通过实践教学目标的层次化设置，对学生能力水平实现渐进式培养，满足不同专业或不同课程对机器人实践的需求。在实践过程中，针对学生能力，设置基础操作掌握、技能方法实践、工程应用创新三个层次的实践目标。

在基础操作掌握层次，学生应重点掌握工业机器人操作的基本方法，熟悉工业机器人的结构及关节等组成部分，了解工业机器人实践实验平台的设备组成、工作原理和作业过程。掌握不同运动模式下机器人的手动操作、编写运动程序、设置坐标系参数、设置I/O信号等基本操作方法。在这一层次，学生应掌握工业机器人操作实践的一般方法，具备在实验实践工作站平台安全、正确操作机器人设备的能力。

在技能方法实践层次，学生应在掌握基础操作能力的基础上，完成实际实践项目中的既定的具体目标。如根据机器人实验实践工作站的设备硬件，读懂电气原理图，连接和配置对应信号，按要求通过示教编程或离线编程进行轨迹规划、控制程序逻辑执行并调试解决运行中出现的可能问题。在这一层次，学生通过对基础操作的能力的综合应用实践，解决实际项目中的某一部分具体问题，锻炼学生在实践中应用基础技能，驱动解决实际问题的能力。

在工程能力应用层次，以项目式实践为手段，向学生提出基于实际工程任务项目的目标，如针对某一零件进行激光加工、激光熔覆，学生以分组形式进行实践活动。针对这一具体任务，分析激光加工工艺要求、零件加工特征等，并将加工工艺要求转为机器人运动轨迹和程序、各设备参数配置和作业环境的调整等。并在实验实践中，根据实际实践情况，分析遇到的问题，找出解决方案优化。通过这一层次的实践活动，学生经历工程项目实践的全过程，锻炼学生综合应用基础技能方法，解决工程实践问题的能力，通过小组共同实践，锻炼通过沟通、交流、合作解决问题、完成任务的能力，培养面向工程实践创新的综合素质能力。

2.2.3综合性实践教学平台搭建

本项目相关团队在激光制造和机器人技术方面具有积累优势，结合应用工业机器人，建设了多种类面向激光加工、智能制造的虚拟仿真教学平台和实验实践硬件平台[11-12]。通过整合现有硬件资源，为学生提供多样化的项目式实践环境。

（1）机器人虚拟仿真实践项目。

基于虚拟仿真引擎技术开发的机器人仿真平台，可设置参数模拟机器人运动姿态，并通过与机器人本体连接通讯，模拟机器人实际运行过程的状态，实现虚实结合孪生仿真，仿真平台软件界面如图2所示。学生通过在该平台的学习，熟悉工业机器人本体结构、运动模式和基础操作，建立直观了解与认识，节省在实机平台学习操作的时间，为正确、安全实践打好基础。

（2）机器人高速激光加工。

高速激光熔覆工作站由6kW国产多模光纤激光器、高速熔覆激光头与喷嘴、FANUCM20-iD六轴工业机器人系统、机器人移动滑轨、3t回转工作台、精密送粉器等设备组成。可实现对轴、辊子等回转零件的表面激光加工与熔覆，工作站及设备组成结构如图3、图4所示。其中，激光熔覆头配备CCD视觉同轴成像系统，可在加工中实时观测路径工艺质量。学生可通过该平台了解工业机器人集成电气控制设备、PLC设备的技术方法，学习机器人、工作站及其他机械设备的电气集成、安装和调试。在学习了解六轴工业机器人机械结构和运动特性的基础上，结合机器人运动导轨、回转工作台的集成，了解工业机器人集成外部轴进行联动作业的方式。通过高速激光熔覆设备，在金属平面基板、金属回转件表面进行激光熔覆操作。通过实践，学生可了解如何制定合理的激光加工参数（熔覆速度、激光功率、送粉量等），并将工艺参数转换为机器人工作站作业参数。通过同轴CCD摄像机和图像软件提供的接口功能，学生可尝试编写程序实现轨迹自动跟踪优化等机器人视觉功能。

（3）机器人宽带激光旁轴熔覆实践。

大功率宽带半导体激光熔覆工作站，由4kW直接输出式半导体激光器、ABBIRB4600-60/2.05型六轴工业机器人系统、两轴工件变位机、三维柔性焊接工装平台、混合送粉器等设备组成，工作站如图5所示。通过该平台，可指导学生如何针对待加工零部件的特征，利用两轴工件变位机、三维柔性焊接工装设计合理的工装方案，学习六轴工业机器人外部附加两轴联动的机电连接方式、运动模式、示教和程序编写等，并应用于复杂表面的异型零件加工任务中。

（4）机器人柔性激光清洗。

柔性激光清洗工作站，由300W激光清洗机、ABBIRB4600-45/2.05型六轴工业机器人组成，工作站如图6所示。学生通过该平台，可实践如何根据待加工零部件特征，利用两轴工件变位机、三维柔性焊接工装平台设计合理的工装解决方案，利用激光清洗机光斑灵活可调的特点，初步了解加工过程中激光特性（扫描频率、脉冲宽度、激光频率等）与加工工艺之间的关系。针对不同特征的零件，通过轨迹规划、示教编程、离线编程等形式，设计合理、高效的清洗路径。

（5）机器人自动化装配工作站。

机器人智能焊接工作站，由搬运码垛机器人、焊接机器人、焊接工作台、板链传送带和电气控制设备组成，可实现零件的自动上料、夹装、焊接、打磨、下料等工序，工作站如图7所示。学生可通过该平台，实践了解工业机器人集成于自动化生产流程的应用，集成机器人实现与传送板链、各类传感器之间的电气集成、信号交互、协同作业等目标，实践多机器人协同的轨迹规划、示教编程、生产节拍调试等工作。

2.2.4科学规范实践教学管理评价

机器人实践教学活动是一个综合性实践教学环节，机器人及工作站、实验实践平台的实践操作本身具备设备组成复杂、操作要求较高的特点。结合激光加工的机器人应用，又增加了一个维度的实践要求，且实践活动设计要求满足从专业级到课程级的不同教学要求，在实践教学不同阶段对学生实践层次要求也各不相同。因此，在机器人实践教学活动中，规范科学、安全、合理的实践教学管理、评价机制尤为重要。

在实践教学的过程管理中，可以通过将实践教学环节分阶段进行详细规划和管理。根据节点控制法，从设定实践目标、实施教学过程、考核评价、反思优化等环节展开管理。关键在于确保实践目标与考核评价相互匹配，实践过程与教学硬件软件环境相适配，以及管理过程与师生之间的互动协调，全面反映实践教学过程。在全过程管理流程中，重视安全实践目标，在实践活动开展前，以理论讲授、现场示范、案例展示等多种形式，向学生强调安全实践的理念，明确实践环节中可能的安全风险点，通过这一过程，培养学生工程素养中的工程安全思维。

在考核评价方面，可以通过学生实践任务准备、实施过程、结果反馈等环节交叉多层次设置实践教学目标，以综合考察学生的实践能力。采取多种方式，鼓励分组实践中各个学生参与实践的积极性，避免小组实践环节学生参与程度不均衡的现象。不以单一的实践考核结果为考核标准，力求考核评价结果反映学生在实践活动中的能力提升水平。

2.2.5思政元素全环节贯通

机器人技术和激光加工技术，是反映先进制造装备和制造技术领域的典型[13-14]，特别是近年来，我国高校、企业在这些领域都取得了突飞猛进的发展，非常适合在教学过程中贯彻思政元素。在实践教学各个环节的指导中，教师可以通过比较国内外机器人装备和激光加工技术的发展情况，引导学生认识到我国制造业的快速发展优势，激发学生的民族自信心和科技报国的热情。在学生实践环节，可引导学生培养积极思考、严谨细致、务实求真的素养品质，与“大国工匠”精神和案例相结合，使学生了解工匠精神对制造业人才的重要性，树立正确的职业价值追求，实现思政教育要求的落实。

2.2.6支持学科竞赛、产学研活动等

通过机器人实践教学活动为先导，逐步建立在创新人才培养、学科竞赛活动和研究性活动方面的人才选拔培养机制。在机器人实践教学中激发学生对深入学习的兴趣和动力，鼓励有能力和高素质的学生参与机器人学科竞赛，同时引导有深造意愿的学生参与机器人技术和激光加工领域的科研活动，为相关领域提供人才基础。

3结语

在工科类高校专业中，机器人技术专业和课程目前处于快速发展阶段，机器人教学与实践由于涉及多学科交叉、教学目标层次多样等特点、面向实践应用特点强、实践教学投资和管理门槛高等特点，在该领域亟待探索出面向制造业迫切需要的人才培养机制。本文结合相关教学和科研团队在机器人技术教学、研究和在先进制造领域应用的突出特点和优势，尝试了一种面向先进制造领域的机器人实践教学方法，力求培养符合新工科人才要求的工程实践能力强、多学科交叉背景丰富、综合创新能力与工程素养高的新型复合型人才，满足先进制造领域、机器人技术领域对人才输送的迫切要求。

参考文献

[1] 教育部.新工科研究与实践项目指南[Z].教育部，2017-06-12.

[2] 国家制造强国建设战略咨询委员会.《中国制造2025》机器人领域技术路线图[J].机器人产业，2015（5）：38-43.

[3] 段晋军，朱瑶丽，赵铮，等.基于项目式教学的机器人工程专业教学改革探索与实践[J].工业和信息化教育，2023（5）：36-40.

[4] 网易.教育部公布全国367所高校成功备案机器人工程专业名单新增25所高校2024年招生[EB/OL].（2024-03-26）[2024-04-11].https：//www.163.com/dy/article/IU6R5E9P0532N2UB.html.

[5] SaeedB.Niku.机器人学导论：分析、控制及应用[M].2版.北京：电子工业出版社，2013：3-19.

[6] 田蓉.大型精密仪器设备面向本科生培养的难点与对策研究[J].中国设备工程，2023（24）：246-248.

[7] 袁林江，戚豪俊，郑洁，等.基于虚实结合的工业机器人实验教学探索与实践[J].实验室科学，2024，27（1）：120-123.

[8] 杨富超，阴伟锋，卫鹏斌，等.机器人工程专业改革与实践：以河南工学院为例[J].工业和信息化教育，2024（2）：48-52.

[9] 崔庆玲，刘善球.中国新工科建设与发展研究综述[J].世界教育信息，2018，31（4）：19-26.

[10]张欣.激光加工：高端装备制造“利器”[J].现代制造，2021（13）：9.

[11]郑博，杜虹，崔陆军，等.基于六轴工业机器人的虚拟仿真教学系统开发与应用[J].中原工学院学报，2019，30（5）：36-41.

[12]崔陆军，郭强，杜虹，等.用于激光清洁的机器人轨迹精度实验研究[J].测控技术，2018，37（11）：59-63.

[13]江敏，杨敏，熊超有，等.“工业机器人现场编程”课程思政教学改革与实践[J].工业和信息化教育，2024（1）：86-90.

[14]高鹏，昝涛，项俊锋，等.智能制造专业先进制造工艺课程建设与教学实践[J].科教导刊，2024（3）：107-110.