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機(jī)器人技術(shù)課程教學(xué)改革實(shí)踐探析

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機(jī)器人技術(shù)課程教學(xué)改革實(shí)踐探析

摘要:在機(jī)器人產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展的背景下,“機(jī)器人技術(shù)”課程顯得愈發(fā)重要,市場(chǎng)對(duì)機(jī)器人相關(guān)人才的需求非常迫切,因此,“機(jī)器人技術(shù)”課程不僅要為學(xué)生打下堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ),也需要將實(shí)際項(xiàng)目與理論結(jié)合起來。在全面深化高等教育教學(xué)改革過程中,課程教學(xué)改革勢(shì)在必行。課題組針對(duì)“機(jī)器人技術(shù)”課程存在的問題,構(gòu)建了課程的改革方案。教改主要通過采用線上線下混合教學(xué)、教學(xué)內(nèi)容和考核方式的調(diào)整來進(jìn)行,確保教改效果。

關(guān)鍵詞:工業(yè)機(jī)器人;機(jī)器人技術(shù);教學(xué)改革;線上線下

0前言

“機(jī)器人技術(shù)”課程是機(jī)械工程、機(jī)器人工程等專業(yè)的學(xué)生需要學(xué)習(xí)的一門十分重要的專業(yè)課程。近年來,機(jī)器人產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展,新興市場(chǎng)迅速開辟,為經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)貢獻(xiàn)了重要力量。我國已成為全球最大的機(jī)器人市場(chǎng),工業(yè)機(jī)器人、特種機(jī)器人、服務(wù)機(jī)器人等在工業(yè)、軍工、民生領(lǐng)域發(fā)揮顯著作用,成為必不可少的設(shè)備[1]。目前,機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)在很多領(lǐng)域得到了應(yīng)用,比如在工業(yè)生產(chǎn)線上利用機(jī)器人技術(shù)執(zhí)行焊接、噴涂、裝配的工序,再比如餐館和賓館中的送餐機(jī)器人、物流行業(yè)中的分揀機(jī)器人以及家庭中的掃地機(jī)器人,機(jī)器人技術(shù)早已與日常工作和生活融為一體[2]。據(jù)統(tǒng)計(jì),我國工業(yè)機(jī)器人在2015—2019年的產(chǎn)量逐年增加。2019年為18.7萬臺(tái)(套),比2018年同期增長(zhǎng)27%,增速比2016年和2017年有所放緩,這兩年增速分別為120%和81%。工業(yè)機(jī)器人銷量方面,2018—2019年我國工業(yè)機(jī)器人銷量呈下滑趨勢(shì)。2017年我國市場(chǎng)共銷售工業(yè)機(jī)器人15.9萬臺(tái),2018年約銷售15.6萬臺(tái),同比下降1.89%[3]。從整體上看,市場(chǎng)對(duì)機(jī)器人相關(guān)人才的需求是非常迫切的。因此,“機(jī)器人技術(shù)”課程不僅要為學(xué)生打下堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ),也需要理論聯(lián)系實(shí)際,為學(xué)生在有限的課時(shí)中設(shè)置合適的實(shí)踐內(nèi)容[4-7]。在全面深化高等教育教學(xué)改革中,對(duì)該課程教學(xué)改革勢(shì)在必行,鑒于此,課題組針對(duì)“機(jī)器人技術(shù)”課程教改進(jìn)行探討。

1課程現(xiàn)狀

“機(jī)器人技術(shù)”課程是一門綜合性課程,與之相關(guān)的課程有電工電子學(xué)、單片機(jī)原理與應(yīng)用、傳感器技術(shù)、PLC原理與應(yīng)用等。在智能制造的背景下,對(duì)工業(yè)機(jī)器人的技術(shù)人員提出了更高的要求。因此,課程必須實(shí)現(xiàn)與相關(guān)實(shí)際工作內(nèi)容的呼應(yīng),讓學(xué)生學(xué)有所成,學(xué)有所用。對(duì)“機(jī)器人技術(shù)”課程的教學(xué)情況進(jìn)行總結(jié),表現(xiàn)出以下幾方面的問題。

1.1教學(xué)方式傳統(tǒng)

在教學(xué)的實(shí)施過程中,部分教師沒有脫離傳統(tǒng)的教學(xué)模式,采用傳統(tǒng)的“灌輸式”教學(xué)。在這個(gè)教學(xué)模式中,學(xué)生在學(xué)習(xí)中遇到困難時(shí),是請(qǐng)教老師進(jìn)行解決,而不是自己想辦法去解決問題,這種情況造成了學(xué)生的自主能力較差,責(zé)任感也不強(qiáng)。1.2理論與實(shí)踐教學(xué)脫節(jié)由于缺乏必要的實(shí)踐條件,教學(xué)過程中只能把時(shí)間主要集中在理論教學(xué)上,實(shí)踐教學(xué)的時(shí)間往往很短,基本上只能算是走過場(chǎng),難以達(dá)到應(yīng)有的實(shí)踐教學(xué)效果。而理論教學(xué)失去了實(shí)踐教學(xué)的支撐,成了無本之木,造成理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)脫節(jié)現(xiàn)象嚴(yán)重。

1.3實(shí)踐教學(xué)與實(shí)際工程聯(lián)系不緊密

學(xué)生缺乏對(duì)企業(yè)情況的認(rèn)知,對(duì)企業(yè)發(fā)生的各種問題缺乏考慮。這種情況就導(dǎo)致學(xué)生在做設(shè)計(jì)時(shí),一方面,由于對(duì)企業(yè)的實(shí)際情況不熟悉,不能很好地設(shè)計(jì)作品;另一方面,對(duì)本身的設(shè)計(jì)作品認(rèn)識(shí)不足,設(shè)計(jì)出來的作品不切實(shí)際,不能得到很好的應(yīng)用。

2教學(xué)改革措施

通過本教改課題的實(shí)施,解決原有的“機(jī)器人技術(shù)”課程實(shí)踐內(nèi)容不夠豐富、理論與實(shí)踐部分脫節(jié)、實(shí)踐教學(xué)投入不足的問題,以基于“知識(shí)膠囊”式實(shí)踐教學(xué)法的教學(xué)理念,設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)要求和教學(xué)方案。在此基礎(chǔ)上,重新修訂理論教學(xué)大綱、課程教學(xué)方案以及考核評(píng)價(jià)體系來對(duì)專業(yè)課程進(jìn)行深入改革,并最終實(shí)現(xiàn)專業(yè)理論課程與實(shí)踐教學(xué)的深度對(duì)接?!爸R(shí)膠囊”這個(gè)概念最早來自于豆瓣時(shí)間和喜馬拉雅等平臺(tái),這類平臺(tái)提供諸如電影解析類、歷史解讀類等的課程,讓人們能夠利用碎片時(shí)間來掌握知識(shí)。對(duì)于大學(xué)課程來說,“知識(shí)膠囊”的模式可以加以借鑒,由于課時(shí)有限,老師把機(jī)器人實(shí)操和一些知識(shí)點(diǎn)錄制成視頻或音頻,上傳至MOOC或SPOC平臺(tái)以方便學(xué)生查看。從實(shí)質(zhì)上說,這是對(duì)教學(xué)方式和教學(xué)關(guān)系的一種重塑,課程不再局限于教室,這對(duì)老師提出了更高要求,不但要把握課堂時(shí)間,進(jìn)行理論知識(shí)的傳授,而且要以通俗易懂的語言,把復(fù)雜的實(shí)際案例錄制成視頻或音頻,讓學(xué)生能夠輕松理解。“知識(shí)膠囊”作為一種重新定義的微課,能夠從多方面、多維度吸引學(xué)生,讓學(xué)生對(duì)知識(shí)有選擇性,并且知識(shí)也更具有針對(duì)性和便捷性。教師的教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生的學(xué)習(xí)行為共同決定了課程質(zhì)量,課堂學(xué)習(xí)和線上學(xué)習(xí)都具有一定的特點(diǎn)。其中,課堂學(xué)習(xí)的優(yōu)勢(shì)在于面對(duì)面的有效互動(dòng),缺點(diǎn)在于學(xué)生被動(dòng)接受知識(shí),不利于培養(yǎng)學(xué)生的自主思考意識(shí);而線上學(xué)習(xí)的優(yōu)勢(shì)在于時(shí)間的自由、資源的豐富,缺點(diǎn)在于人與人之間的聯(lián)系較弱。兩者相結(jié)合才能夠發(fā)揮出更大的優(yōu)勢(shì)。因此,在“機(jī)器人技術(shù)”課程的改革中,在原基礎(chǔ)上轉(zhuǎn)型升級(jí),將整塊時(shí)間轉(zhuǎn)為碎片化時(shí)間,通過雨課堂對(duì)學(xué)生進(jìn)行課前和課后管理。在一個(gè)章節(jié)完成時(shí)發(fā)送提前錄制好的視頻和音頻,進(jìn)行線上線下聯(lián)動(dòng),學(xué)生需要在線上查看視頻并完成題目,視頻觀看情況和答題情況會(huì)折算成平時(shí)成績(jī),通過這種方式培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力。在課堂的基礎(chǔ)上,教師對(duì)知識(shí)再進(jìn)一步深加工,使知識(shí)的傳授不局限于課堂,保證知識(shí)的實(shí)時(shí)更新和有效鏈接,更好地配合學(xué)生進(jìn)行理論和實(shí)踐的結(jié)合。各章節(jié)知識(shí)的“知識(shí)膠囊”安排如表1所示,與各個(gè)章節(jié)結(jié)合,使之具有較強(qiáng)的連續(xù)性。通過以上方案的實(shí)施,達(dá)成了一些學(xué)習(xí)效果,具體內(nèi)容如下:1)加深對(duì)工業(yè)機(jī)器人的認(rèn)知。如工業(yè)機(jī)器人分類、工業(yè)機(jī)器人的組成,了解工業(yè)機(jī)器人技術(shù)發(fā)展過程、典型機(jī)器人產(chǎn)品和前沿技術(shù),激發(fā)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)熱情。經(jīng)過課程的學(xué)習(xí),使學(xué)生掌握機(jī)器人的基本概念,并學(xué)會(huì)通過ABB、Fanuc、庫卡和新松等公司網(wǎng)站查看設(shè)備型號(hào)和參數(shù)。2)掌握工業(yè)機(jī)器人的環(huán)境感知技術(shù)。工業(yè)機(jī)器人感知系統(tǒng)通常由多種傳感器組成,用于感知自身狀態(tài)和外部環(huán)境,通過信息來決策和控制工業(yè)機(jī)器人完成任務(wù)。通過學(xué)習(xí),學(xué)生掌握姿態(tài)傳感器、力覺傳感器、觸覺傳感器、壓覺傳感器、接近覺傳感器和視覺傳感器的工作原理和應(yīng)用場(chǎng)合。3)掌握工業(yè)機(jī)器人的通信技術(shù)。工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、通信網(wǎng)絡(luò)和自動(dòng)控制技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物。工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)了企業(yè)信息集成系統(tǒng)和管理控制一體化系統(tǒng)發(fā)展的需要,是IT技術(shù)在自動(dòng)控制領(lǐng)域的延伸,是自動(dòng)控制領(lǐng)域的局域網(wǎng)。工業(yè)機(jī)器人作為智能設(shè)備在編程、調(diào)試、運(yùn)行、維護(hù)的過程中需要通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù),為了和PLC等其他工業(yè)設(shè)備進(jìn)行系統(tǒng)集成,需要DeviceNet、Profibus、Profinet、Ethernet/IP等工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信接口。通過課程學(xué)習(xí),學(xué)生掌握這些接口的物理層接口和協(xié)議層的設(shè)置。4)掌握工業(yè)機(jī)器人的控制技術(shù)。工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)用于對(duì)設(shè)備的控制,以完成特定的工作任務(wù),基本功能包括記憶功能、示教功能、與外圍設(shè)備聯(lián)系功能、人機(jī)接口、傳感器接口、位置伺服功能、故障診斷安全保護(hù)功能。5)掌握工業(yè)機(jī)器人的編程。工業(yè)機(jī)器人編程方式主要經(jīng)歷三個(gè)階段:示教再現(xiàn)編程階段、離線編程階段和自主編程階段。對(duì)各種實(shí)用性機(jī)器人來說,示教再現(xiàn)編程具有諸多優(yōu)點(diǎn),是功能實(shí)現(xiàn)的最佳途徑。錄制使用的機(jī)器人為一臺(tái)Fanuc六軸并聯(lián)機(jī)器人,如圖1所示,以及一臺(tái)ABB串聯(lián)機(jī)器人。錄制在一定程度上解決了設(shè)備數(shù)量不足、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中學(xué)生參與度低的問題。通過線上學(xué)習(xí),每位學(xué)生都能夠身臨其境地參與設(shè)備的使用。并聯(lián)機(jī)器人系統(tǒng)由電氣部分與設(shè)備模塊組成。電氣部分包括:PLC模塊單元、觸摸屏模塊單元、變頻器模塊單元、電源模塊單元、操作箱按鈕單元、接線端子排和各種傳感器等。設(shè)備模塊包括:輸送線模塊、物料存儲(chǔ)模塊、視覺支架模塊、整體框架承載臺(tái)。ABB機(jī)器人型號(hào)為IRB120,具有六自由度,平臺(tái)除機(jī)器人外還包括加工單元、裝配單元、分揀單元、輸送單元和碼垛單元。在這兩套設(shè)備的基礎(chǔ)上制作了部分音頻和視頻材料。課程的考核方式從原來的平時(shí)成績(jī)40%和期末考試60%,調(diào)整為平時(shí)成績(jī)50%和期末50%,其中平時(shí)成績(jī)由線下成績(jī)和線上成績(jī)組成。

3結(jié)語

通過線上與線下的結(jié)合,讓學(xué)習(xí)不局限在教室中,學(xué)生可以利用課余時(shí)間,到線上平臺(tái)觀看課后教師上傳的視頻和音頻。在這個(gè)過程中,教師要多進(jìn)行啟發(fā),激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的熱情,這同時(shí)也能提高課堂上學(xué)生的參與度,提高教學(xué)質(zhì)量。課程對(duì)2017級(jí)、2018級(jí)機(jī)械工程專業(yè)學(xué)生進(jìn)行了兩輪的教學(xué)改革實(shí)踐,重新設(shè)計(jì)了課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式和教學(xué)方法,專業(yè)理論課程與實(shí)踐教學(xué)方案深度對(duì)接,線上與線下教學(xué)相結(jié)合,不斷完善成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)體系,使課程的改革建設(shè)取得良好成效。經(jīng)過課程學(xué)習(xí),學(xué)生申報(bào)學(xué)生項(xiàng)目的熱情得到提高,競(jìng)賽獲獎(jiǎng)情況改善,學(xué)生評(píng)教分?jǐn)?shù)提升,對(duì)課程滿意度高。

作者:鄭旸初 王文安 單位:溫州理工學(xué)院智能制造與電子工程學(xué)院