机器人链接下机电类课程一体化教学模式探索

邱学晶 夏晶 邝林娟 李曼

摘要：针对现有机电类课程具有离散化、独立化特点，学生学习缺乏系统性和整体性的问题，以机械电子专业为试点，研究探索机器人链接下机电类课程一体化教学模式改革，开展机器人链接下机电类课程一体化教学改革实践。机器人课程综合性极强，与机械设计基础、传感测试技术、机械工程控制技術等机电类课程有密切的联系。探索机器人课程链接机电类课程一体化教学模式，应在教学中充分体现理论与实践有机融合的工程教育理念，结合机器人技术制定机电类课程大纲和实践教学大纲，设计或引进适用于机电类课程一体化教学的机器人平台，更新专业课教学内容，形成鲜明特色的机电专业培养方案，使理论结合实际更紧密，教学内容更具有工程性和实用性，有利于学生工程素质和实践能力的培养。

关键词：机器人;机电类课程;一体化教学

中图分类号：G642;TH-39文献标识码：A文章编号：2095-6916（2021）17-0098-03

机器人是当今前沿高技术研究最活跃的领域之一，很多发达国家把发展机器人技术上升为国家战略[1]。机器人产业面临巨大挑战的根本在于专业人才，机器人行业真正的人才缺口在于高层次研发人才和工程技术人才的培养[2]。近年来国内一些高校相继开设机器人本科课程，在研究生一级学科下自主设置机器人学科方向，呈现出机器人研发和人才培养的热潮。

机器人是一个融基础性、综合性、前沿性、开拓性于一体的先进性创新平台，涉及机械设计基础、机械控制工程、传感检测技术及机电一体化系统设计等，具有综合性和实践性较强的特点，与传统的机电类学科有着千丝万缕的联系[3]。可以说机器人技术涉及整个机电专业的知识，而机器人本身就是机电专业应用的典型实例。因此，可以由机器人这一主线链接机械电子工程核心课程，设计以“机器人认识+课程学习+机器人设计”的三级学习方式组织教学，形成机器人链接下的机电类课程一体化教学模式，以解决现行基于学科体系课程设置所存在的知识分散、缺乏关联和实践等问题。虽然国内一些高校已开展机器人教学，但课程内容体系并不完善，缺乏与先导课程的联系，如何以机器人为载体将机电类课程联系在一起还需探索和研究。

一、背景分析

机电类专业课作为工程知识学习的主要内容，在教学中必须遵循工程知识所具有的综合性、实践性、关联性和递进性特点。在现有的以学科体系为基础的课程设置中，工程知识分散在各个个体课程中，缺乏工程实际情境化的有效的联系，学生所面对的是一门门独立的课程，知识的学习停留在点上，没有延伸到线和面，很难构成较为完整的知识体系。工科课程体系中存在着学科之间的交叉和融合，课程内容之间存在着知识的关联和融合[4-6]。要促进知识点向知识面延伸，建构知识体系，就需要将分散的个体课程通过工程实际有机地连接起来，使学生在一个情景化的主线引导下进行知识的学习、知识的综合和与工程实际的关联。

本团队前期曾探索了机电综合实验链接下的机电类课程一体化教学模式，机电综合实验是集机、电、液、测、控多门课程知识于一体的综合性实验教学环节，实验平台为典型的机电一体化系统。这一课程教学模式一定程度解决了传统教学中教师各自为战，课程离散化、独立化，学习缺乏系统性和整体性的问题，但其实验的设置依旧相对独立和繁杂，无法像机器人技术一样完美地将机电类课程知识点融为一体，无疑，机器人是链接机电类课程知识的最佳载体。

机器人作为典型的机电一体化系统实例，通过探索和实践机器人链接下的机电类课程一体化教学模式，可以更新现有教学理念、知识结构、教学内容，确保机电类课程教学系统性和整体性，有效地训练学生科学思维方式，使学生更好适应时代发展要求。

二、机器人与机电类课程间的关联分析

机器人是一门综合性极强的课程，具有多学科交叉的特点，兼具机械工程、电气工程及其自动化以及计算机类专业等课程内容。在硬件方面，需要具备《机械设计基础》《传感检测技术》等相关专业的知识，在电气控制方面，需要具备《机械工程控制技术》等课程的知识，除此之外，还需要《机电一体化系统设计》等专业知识。本文以哈工大研发的五指灵巧手机器人作为实例分析它与机电类课程间的联系[7]。

（一）机器人与机械设计基础

五指灵巧手机器人采用模块化手指设计，每个手指涉及外观件、支撑件、传动系统等机械结构的设计，同时还涉及轻量化、小型化和模块化的机械设计思路。可见，机器人设计需要扎实的机械设计基础、较强的创新力。目前，机电专业机电类课程中《机械设计基础》这门课程主要在于培养学生基本的机械设计能力和现代设计意识，内容全面而具体，但是该课程忽略了“少”“精”“博”“通”之间的关系。“少”指的是重点突出，使学生能举一反三、触类旁通;“精”指的是重点通透;“博”指的是知识面广博;“通”指的是在解决实际工程问题时能浮想联翩、应对自如。以机器人为实例引入《机械设计基础》课程，可以很好地处理这四者的关系，有利与学生创新意识、能力的培养。

（二）机器人与传感测试技术

机器人感觉系统是实现机器人智能化的基础，包含大量传感器和测试技术的应用。《传感检测技术》作为信息技术的基础，详细地讲述了多种传感器的基本理论、信号检测的方法和手段。如图1所示，五指灵巧手机器人中每个手指包含了多种位置和力矩传感器，此外，触觉、滑觉等多种新型传感器及检测技术也被应用到五指灵巧手机器人上。可见，机器人是《传感检测技术》课程最好的载体，学生可以更加深入地理解《传感检测技术》课程的知识点，同时还可接触到传感检测学科前沿的最新发展情况，开阔自己的视野。

（三）机器人与机械工程控制技术

控制系统是机器人的大脑，是决定机器人功能和性能的主要因素。《机械工程控制技术》为机器人的运动提供了经典控制理论和方法。该课程突出基本概念，阐明了基本知识及方法，但偏重理论缺乏实践，导致知识点过浅，理论层次不够清晰，学生无法将《机械控制工程》的知识合理运用到机器人控制中，造成理论和实际脱节。五指灵巧手机器人除采用传统的位置控制方式外，还采用柔顺控制以防止抓坏物体。以机器人的控制为例，有助于学生对机械系统自动控制理论的理解和应用。

（四）机器人与机电一体化系统设计

《机电一体化系统设计》是工业生产领域智能控制的基础学科，与机器人的课程存在交叉重合的知识点。机电一体化系统设计也是融机械、电子、控制、检测和计算机技术的多学科交叉专业课。通过该课程学习，使学生掌握机电一体化系统设计的基础知识和总体思路，掌握机电一体化系统中各组成要素的设计和机电有机结合设计的理论与方法，能够针对机械电子工程领域的实际需求完成机电一体化系统方案设计，具备机电一体化系统设计与研究的初步能力。五指灵巧手机器人的电气系统涉及电机的驱控、总线通信、传感检测等知识，是机电一体化系统设计的典型案例。

（五）机器人与机器人学

《机器人学》作为一个新兴工科课程，其实践性很明显。然而该门课程沿袭传统的传授方法，教学内容偏于理论，侧重于机器人数学模型的构建，如机器人运动学、静力学和动力学的模型，课程内容虽然涉及机械、感知和控制，但这些内容默认以在前期的先导课程中学习过，因此不再详细地讲解，这导致学生在学习《机器人学》时感觉知识过于抽象，无法和实践相联系。

三、机器人链接下机电类课程一体化教学模式探索

要实现机器人链接机电类课程一体化教学需要解决如下问题：机器人技术和机电类课程各知识点和教学模式的融合问题;满足机电类课程一体化实践教学要求的机器人平台设计问题。因此，将采用如下措施解决以上问题。

（一）结合机器人技术制定机电类课程大纲和实践教学大纲

在进行教学模式设计时，要着重研究机械电子专业课程学习与机器人之间的关系，探寻与机电类课程内容有效结合的实施方法，重新制定机器人技术的机电类课程大纲和相应的实践教学大纲，保证课程之间知识的衔接性和完整性。在机器人技术的机电类课程大纲的指导下制订实践教学大纲，选择和设计相应的机器人平台用于一体化教学的实践环节，解决现有机器人无法直接进入课堂的问题，使理论和实践相结合。

（二）设计适用于机器人链接下机电类课程一体化教学的机器人平台

目前常用的工业机器人，其重量大、速度快、造价高、培训时间长，既不直观也存在危险，不利于学生进行学习实践，很难直接引入课堂。为了解决这个问题，提高实践教学质量，需要注重学生工程应用能力的培养，在新制定的实践教学大纲指导下，设计适用于机器人链接下机电类课程一体化教学的机器人平台，以满足教学的特殊需求（轻量化，高性价比，方便观察，安全等）。教学机器人平台可分为认知实践和综合实践两类，有助于让学生充分了解工业机器人的基本概念和工作原理，掌握機器人硬件设计和控制原理的基础知识，强化机器人技术应用能力的培养。

（三）开展机器人链接下机电类课程一体化教学模式改革和研究

以“机器人认识+课程学习+机器人设计”的方式组织教学过程，形成机器人驱动，相互促进、理论和实践相结合的教学法，激发学生兴趣、引导学生思考，并通过机器人强化和巩固学生对机电类知识的掌握。

首先，在主干专业课教学中，可以以机器人系统为引导，链接机械设计基础、机电一体化系统设计、测试技术与信息处理、计算控制技术、机器人技术与电气控制等多门专业课程，构成机电类课程链。以“机器人认识+课程学习+机器人设计”的方式组织教学过程，构成机器人链接下的一体化课程教学模式，如图2所示。

其次，要应用创新理论的思维与方法开展教学改革。进入课程教学前，安排2～4学时的机器人认识实验，以了解机器人系统组成和基本工作过程，使学生对机器人典型机电一体化系统有一个初步认识。课程学习时，将机器人系统中相应的环节纳入课程教学案例。教学中多门课程联动，通过机器人平台将知识链接起来。在专业课程学习完成之后，通过集中两周机器人综合设计，进一步强化学生对知识的系统掌握和应用。这一课程教学模式解决了传统教学中教师各自为战，课程缺乏系统性和整体性的问题，学生既学习了通用知识又学习了机器人方面的知识。

五、结语

针对现有机电类课程离散化、独立化，学生学习缺乏系统性和整体性的问题，以机械电子专业为试点，研究探索机器人链接下机电类课程一体化教学模式改革符合新时期高等教育理念，紧密结合高级工程技术人才培养实际情况，具有较强的科学性和前瞻性。着眼于新时代对机电类专业人才的新需求，结合机器人技术，探索机电类课程改革，将会对形成具有特色的机械电子专业教育培养模式，完善现行应用型人才培养体系，保障机电综合性人才培养质量起到显著的促进作用，具有较高的推广价值。

参考文献：

[1] 周进，安涛，韩雪婧.国际机器人教育研究前沿与热点——基于Web of Science文献的可视化分析[J].开放教育研究，2018（4）.

[2] 蒋正炎，檀祝平.高职工业机器人技术专业课程教学资源开发路径研究[J].中国职业技术教育，2018（11）.

[3] 单以才，段向军.校企共建高职工业机器人技术专业教学质量保障机制研究[J].中国现代教育装备，2017（1）.

[4] 刘菊.以机器人技术为载体的应用型人才培养的研究[J].信息记录材料，2019（5）.

[5] 王仲民，刘朝华，祁宇明，等.机器人及机电一体化创新教育的研究与实践[J].中国现代教育装备，2014（7）.

[6] 周萌，曹政才.基于虚拟仿真平台的科教融合拔尖创新人才培养方案探索——以机器人控制技术为例[J].高等工程教育研究，2020（6）.

[7] 刘伊威，金明河，樊绍巍，等.五指仿人机器人灵巧手DLR/HIT Hand II[J].机械工程学报，2009（11）.

作者简介：邱学晶（1986—），女，汉族，黑龙江海林人，西安科技大学助理工程师，研究方向为教育管理。

夏晶（1984—），男，汉族，陕西旬阳人，单位为西安科技大学，研究方向为机器人技术。

邝林娟（2000—），女，汉族，湖南郴州人，西安科技大学本科学生，研究方向为机械电子。

李曼（1964—），女，汉族，陕西周至人，西安科技大学教授，研究方向为机器人技术。

（责任编辑：朱希良）