“三高四新”背景下《工业机器人及其应用》教学改革

罗竹辉 邱显焱 李兵华 汤迎红

摘要：工业机器人是先进制造业的重要技术装备，是衡量国家科技创新的重要指标。为了适应专业发展需求，更好地服务“三高四新”战略，对《工业机器人及其应用》课程目前存在的问题进行了分析，主要有教材内容与课程目标贴合度低，课程体系不完善;课程内容和实践教学未贴近先进制造业实际需求;课时分配不合理，考核方式陈旧。对该课程进行了改革，课程内容更贴近企业实际、课程体系更加完善、采用案例教学方法、改进实践教和考核方式。使学生更为熟练的掌握工业机器人本体的相关知识和利用工业机器人服务先进制造业的知识。

Abstract： Industrial robot is an important technical equipment in advanced manufacturing industry， and an important indicator to measure national scientific and technological innovation.In order to meet the needs of professional development and better serve the strategy of " Three highlands and four new stages" strategy this paper analyzes the existing problems of the course "Industrial Robot and Its Application"， including the low degree of matching between the teaching material content and the course objectives， and the imperfect course system;The course content and practice teaching are not close to the actual needs of advanced manufacturing industry;The assignment of class hours is unreasonable and the assessment method is obsolete.The curriculum has been reformed， the content of the curriculum is closer to the reality of enterprises， the curriculum system is more perfect， the case teaching method is adopted， and the practical teaching and assessment methods are improved.To enable students to more skillfully master the relevant knowledge of industrial robot and the use of industrial robot to serve advanced manufacturing knowledge.

关键词：三高四新;工业机器人;教学改革;案例教学

Key words： "three highlands and four new stages" strategy;industrial robot;teaching reform;case teaching method

中图分类号：G642                           文献标识码：A                 文章编号：1674-957X（2021）17-0251-02

0  引言

打造国家重要先进制造业高地、打造具有核心竞争力的科技创新高地是湖南的“三高四新”战略中的“两高”[1]。工业机器人是先进制造业的重要技术装备，是衡量国家科技创新的重要指标。湖南工业大学机械工程学院于2016年设置了机械工程专业机器人专业方向，2020年开始进行了机器人专业招生，作为机器人专业的核心专业课程，作为湖南地方高校，为了适应专业发展需求，更好地服务“三高四新”战略，为湖南地区、中部地区、长江经济带、全国乃至全世界先进制造业和科技创新企业培养工业机器人研发和应用的优秀人才，需要进行《工业机器人及其应用》课程教学改革。

1  《工业机器人及其应用》课程特点及教学现状

《工业机器人及其应用》是机械设计制造及其自动化、机器人工程专业高年级本科生的一门专业课程[2]。旨在让学生掌握工业机器人基础工作站、典型工业机器人的原理及应用，掌握机器人参数的配置、控制系统设置、工具坐标设定、程序编写，使学生具备设计与操控工业机器人的基本能力，从而更好地适应机器人研发和应用相关岗位的工作。

本课程教学由课堂教学和实践教学两部分组成，教学内容较多，既涉及机器坐标变换、运动学、动力学等数学性较强的知识，又涉及到工业机器人的整机系统、机械等分系统的设计，还涉及到工业机器人在机器人工作站和智能生产线中的应用。工业机器人涉及的學科包括机械工程、自动化、计算机、传感器、人工智能、电子技术等，目前的教学还存在一些问题，主要表现在：

①教材内容与课程目标贴合度低，课程体系不完善。目前选用的教材为《工业机器人及零部件结构设计》，该教材主要侧重于工业机器人机械结构的设计和分析，并未涉及高端装备制造所需的工业机器人应用技术，而其它国内的工业机器人相关方面的教材要么注重机器人数理基础，理论性较强，要么注重工业机器人的编程和操作，不满足本科教学需求，单纯的一本教材无法完成课程目标。正因如此，需要任课教师根据教学目标，综合选择不同教材、论文、实际案例等作为教学素材，这样就导致了教学素材过于零散，难以形成完整的课程教学体系。

②课程内容和实践教学未贴近先进制造业实际需求。主要表现在，第一教学内容不够“先进”，如工业机器人控制系统中仍是传统的控制方法，对先进控制方法讲授较少，当前高速发展的机器人图像识别技术、5G物联网技术等在机器人工作站中的应用讲授较少。第二，实践教学未贴近本地先进制造业，如实践教学中，有一个环节是参观工业机器人的应用场景，目前采用如图1所示的参观工业机器人演示设备，这与实际生产场景仍有一定的差别，学生不能身临其境的感受工业机器人的魅力，不能真正了解工业机器人的使用环境，如工业机器人的工作空间、轨迹规划、防护等级等等。

③课时分配不合理，考核方式陈旧。目前《工业机器人及其应用》课程分为理论课时、上机课时和实践课时，理论课时是36课时，上机和实践课时共4课时，课时分配不合理，上机和实践课时比例过低，另外，实践课时安排太过靠后，应当使学生首先通过实践使学生对机器人及其在先进制造业中的应用有直观的感受，其它通过讲授巩固相关知识的学习，最后再通过上机和实践强化相关内容的学习效果。考核方式陈旧，之前的考核方式分为两部分，一是期末开卷考试，占比为70%，二是平时成绩，包括作业、上机和实践，占比为30%。这种考核方式过于陈旧，容易变成应试教育，甚至有学生认为是开卷考试，疏于学习，课程效果较差。

2  《工业机器人及其应用》教学改革

2.1 教学内容与体系

考虑到在《工业机器人及其应用》课程有一门前置课程《机器人学基础》，因此，削减课程内容中的坐标变换、运动学、动力学、轨迹规划和控制算法，重点在工业机器人总体设计中加人工智能和物联网等技术，重点讲授工业机器人的机械系统及其零部件的设计计算。重点讲解工业机器人在结合湖南地区特别是株洲地区先进制造业中的应用，梳理湖南省先进制造业的主要领域，包括工程机械、轨道交通装备、航空动力三大产业集群，“两芯一生态”、第三代半导体、集成电路、新材料、新型显示等战略性新兴领域的重点企业及现状[3]，深度分析这些产业对工业机器人的需求。在课程内容中讲授智能制造、大数据、云计算、物联网、区块链等技术的不断发展及其与工业机器人的深度融合，新一代智能制造是“数字化+网络化+智能化”的深度融合，并贯穿于产品设计、制造、服务全生命周期的各个环节[4]，在教学过程中，让学生对工业机器人整个生命周期有一个详细的了解，如工业机器人的设计、制造、销售、应用、售后、回收等，便于学生对自己未来如果从事工业机器人相关的职业有初步的思考。梳理教学内容的逻辑关系，提炼逻辑主线，并将逻辑主线反复灌输给学生，根据教学内容和逻辑主线，形成图2所示的一套完整的、面向“三高四新”的课程体系。

2.2 教学方法

原有的教学方法主要是对照教材和课件进行课程内容的讲授，然后布置一定的课后作业，属填鸭式教学，教学效果较差。为了能增强学习效果，采用案例教学法，首先案例的选择采用第一次企业实践参观过的工业机器人应用场景，如北京汽车株洲基地的汽车发动机装配生产线，在参观的时候对应用场景进行讲解的同时，提出问题，使学生产生浓厚的学习兴趣，然后在课堂上教师结合教学内容对案例进行深入的讲解，制定研究学习的目标。然后让学生根据学习目标，消化课堂内容并进行自主学习，完成学习目标，并在课堂上进行小组讨论和结果展示，最后每位學生形成大作业文档中的一个章节。

2.3 实践教学

实践教学方面，首先将实践教学课时由4课时增加为10课时，分为上机（4学时）、校内实验室实践（2学时）和企业实践（4学时）。其次，调整实践教学在整个课程教学中的时间顺序，在导论课程之后，即安排一次工业机器人在先进制造业企业中的认知实践课程，使学生对工业机器人及其应用有个直观的了解，在机械结构设计时，让学生进行三维模型的建模上机，然后回归前置课程内容，让学生进行MATLAB机器人上机实践，分析设计好的工业机器人的运动学方程、轨迹规划等。第三，实践教学紧密围绕湖南省先进制造业，特别是株洲本地制造业，与中国中车、中国航发建立合作关系[5]，成立实践基地，使学生对工业机器人的应用有更为深入的了解。最后，通过大作业的方式将上机、校内实验和企业实践结合起来，提高大作业在期末成绩中的占比，学生需要课外花时间才能完成大作业，增加了学生的自主学习的压力，同时也调动了学生自主学习的积极性。

2.4 优化课时分配，调整考核方式

在总学时不变的情况下，减少理论学时为30学时，增加上机、实践学时为10个学时，并将课程内容与上机、实践学习内容更为精密的结合起来，形成一份系统的“大作业”，并将“大作业”占期末总成绩的比例提高至45%，一方面使学生掌握工业机器人系统的知识体系，包括工业机器人的发展背景、发展趋势、设计、制造、关键零部件、应用等，另一方面锻炼了学生将上机、实践成果写出文件的能力，为毕业设计和以后的工作奠定文档撰写基础。同时期末考试试卷增加开放性题目，考察学生对工业机器人在先进制造业中的应用。

3  结论

工业机器人是先进制造业的重要技术装备，是衡量国家科技创新的重要指标。为了适应专业发展需求，更好地服务“三高四新”战略，对《工业机器人及其应用》课程目前存在的问题进行了分析，从课程内容、课程体系、教学方法、实践教学和考核方式方面进行了改革，使课程更“接地气”，使学生更容易掌握课程内容，提高了学生应用机器人服务先进制造业的能力。

参考文献：

[1]许达哲.为实施“三高四新”战略 建设现代化新湖南提供坚强法治保障[J].新湘评论，2021，4（11）：9-12.

[2]李肇惠，郝昭.工业机器人的技术发展及其应用分析[J].内燃机与配件，2020（001）：249-250.

[3]刘建江，蔡莹，袁冬梅.湖南省智能制造快速发展的推进战略[J].长沙理工大学学报（社会科学版），2019，154（06）：93-101.

[4]廖常浩，吴洪清，万今明.工业机器人风险评估研究及应用[J].机电工程技术，2019，48（01）：27-29，45.

[5]周枫林，余江鸿，廖海洋，等.“新工科”背景下机械类专业校企合作培养模式[J].内燃机与配件，2019（17）.