新工科背景下应用型本科院校“工业机器人”实训课程教学改革探索与实践.pdf
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1、IM人才培养 Talent Development124 2024年第1期新工科背景下应用型本科院校“工业机器人”实训课程教学改革探索与实践殷欣,吴伟才,张倩(武昌首义学院机电与自动化学院,湖北 武汉 430064)摘要:为了适应新工科背景下应用型本科院校的教学需求,本文从学习难点、教师背景、教材和教学设备等方面分析了当前“工业机器人”实训课程教学现状,提出了从调整学习要求、调整学习内容、成立专业实训室、改革教育教学方法和组建教学团队等方面进行了“工业机器人”实训课程的教学改革,构建了专业级、学科级和综合性的实践教学等多层次的机器人教育贯通式实践教学体系,有效地补充了院校开展实训的手段,加快院
2、校学科建设的进程,培养学生的学习兴趣,拓展学生的创新思维和能力,进而促进工业机器人实训课程的教育教学改革和创新。关键词:智能制造;工业机器人;实践教学;教学设计;课程教学改革中图分类号:G642.3文献标志码:A1引言国家于 2015 年出台了中国制造 2025纲领,这对于我国传统制造业的产业结构调整是一个重要的机会,智能制造作为制造业数字化转型的一个重要标签,自然而然地受到了企业和高校的重视,而具备适应智能化发展需要的复合型人才是确保将中国制造 2025任务得以完成的基础1。发展智慧制造业的一个重要目标便是促进中国的传统制造业朝着高智能领域发展,即是以工业机器人为典型的智能制造领域为重点,大
3、力发展智慧制造业技术与产业,逐步发展形成高端设备制造业和智能机器人等新的产业项目2-3。随着中国制造 2025行动计划的不断深入,中国已经涌现出了一大批工业机器人研发生产、综合运用的先进制造业企业,把工业机器人研究与教育人才的需求推上了新的层次。2017 年以来,我国高等教育主管部门多次组织工作,积极探索新形势下适合于新技术发展的工科培养新途径,积极推动新型工科培养,不断推进中国工程高等教育变革,努力探索建立领先于世界工程高等教育体系的模式与实践,积极助力建设高等教育强国4。新型工科的培养模式将具备以行业发展为主导、体现新时代特征、内容新颖而多样、各学科间贯通、多主体积极参与、面向未来自主发展
4、和全面凸显创新能力的特点5-7。努力构建大学工科建设的基金项目:2020 年湖北高校省级教学研究项目“基于 OBE 理念的地方高校两纵三横新工科特色培养模式探索”(2020727)Talent Development 人才培养IM投稿网站: 2024年第1期 125框架,以促进学校从传统专业引领转为行业应用引领、从学科分割转为跨领域交流结合、从适应服务转为技术支撑引领8-9。“工业机器人”实训是机器人工程专业的专业课,也是机电学科相关专业的核心实践环节。在教学实践中,鉴于理论教学与实践教学环节存在不匹配的问题10-11,本文将重点介绍在金工实训环节中,在“工业机器人”课程实训的实践教学中如何通
5、过虚拟仿真实训和实操实训,以提高学生在适应新工科发展背景下对应用型本科院校智能制造要求的工程教育的实践能力与技术创新能力。2工业机器人课程的教学现状 2.1学习难点分析“工业机器人”课程作为一个交叉性课程,涉及的知识点覆盖面较广,但基础知识却相对抽象,注重将理论和实际运用紧密结合,包括了机器人构造、运动算法、功能设计、控制编程和技术实践等理论,而实际运用则包括了机器人基础认知、机械系统拆装、轨迹示教程序和虚拟仿真实训等。但因为各个专业的本科生所选择的前装学科基础课内容有所不同,使其对课程中各方面的理解与掌握水平产生了差别。比如自动化(智能制造方向)的基础课,没有开展过机器人设计、机械设计方面的
6、有关课程,在选择了自动化机器人装配方向后,由于对机器人系统的基本组成和认识欠缺,实际掌握困难度偏大;但机械、机电类专业学生,在掌握机器人的传感控制技术、操作程序等方面,接受的程度大大不如自动化类专业学生。因此,对于机械、机电类专业,教师应着重加强学生动手编程能力的实训。2.2缺乏具有工程应用背景的专任教师工业机器人作为智能制造领域中的先进技术,从事相关工作的技术人员大多是机电专业出身,而高等院校主要作为培养理论人才的教育机构,缺乏具有实际工程应用背景的有较高理论知识和实践经验的专任教师,虽然可以通过校企合作进行操作培训和假期短期实践,提高教师的实践操作水平,但缺少真正工程项目的直接参与,对工业
7、机器人应用场景的理解停留在表面,授课过程常常浅尝辄止,反而加重学生的学习难度。2.3教材陈旧,重理论轻实践 目前出版发行的含有工业机器人实践内容的教材,一般包含在金工实训教材中,教材内容还是以传统金工实训内容为主,涉及到工业机器人方面的知识内容陈旧,主要偏重机器人应用的简单介绍,或者是着重在理论教学,比如重在机器人运动学、动力学方面等知识的传授,缺少适用于实践型本科生的教材。理论创新是缓慢的过程,加上教材的编写一般都有一定的周期,如果教师按照教材进行讲授,便无法传授工业机器人快速发展的最新技术。另外,教材内容缺乏典型的工程案例,特别是缺乏案例剖析,与学校现有实训实践的设备一般不匹配,过多的是设
8、计方法的粗略介绍,没有涉及到具体的站点设计。2.4缺少可供学生操作的教学设备 鉴于智能制造实训室建设成本较高,除基建成本外,高昂的设备费用令各高校在配置工业机器人时捉襟见肘,在教学过程中仅有理论讲解及视频教学等手段,缺乏实操训练平台,难以激发学生学习新技术的兴趣。3工业机器人课程的教学改革3.1调整学习要求根据不同专业的特点设计出符合学生专业特性的实训方案。比如,针对机械制造、机械电子工程、机器人等机械类专业学生,工业机器人运动学、传感器和控制部分的学习只需作为了解,着重强调机器人编程技术的实际操作应用,如码垛搬运及轨迹描绘等。3.2优化课程内容由于应用型院校的主要培养任务是培养现场技术人员,
9、因此在教学中细化了理论教学内容。以 HSR-JR603为例,在进行机器人应用的讲解过程中,通过着重讲述六轴串联工业机器人运动方式,使学生了解工业机器人的操作流程中各关节动作和末端工作坐标系统位姿变换之间的关联;通过教师对工作坐标系和刀具坐标系的调整确定,使学生逐步掌握工业机器人的工作坐标系确定与操作;通过课堂教学中的工业机器人程序设计,从工作平面上实现电机单元的水平移动过程和平面方块的移动过程,再移植到学习调整工作刀具坐标系并实现斜面移动过程的方法中,进而使学生能够初步掌握智能控制的程序设计。3.3成立专业实训室成立智能制造与工程训练中心,依据新工科专业的人才培养需求,建设工业机器人拆装实训室
10、、工业机器人多功能平台、工业机器人焊接(弧焊)工作站和虚拟IM人才培养 Talent Development126 2024年第1期仿真与实训实训室等。通过在工业机器人拆装实训室进行基础认知的实践,学生能够更加快速地理解工业机器人的基本构造特征、组成、技术参数和使用范围。通过工业机器人多功能实训平台,学生能够完成工业机器人的基本动作操作、坐标系标定、曲线描绘和码垛等基本操作。利用虚拟仿真系统与实训室,学生能够仿真自动化工业机器人的使用环境,从而增加实操人员使用熟练度,并减少实操生产成本。利用工业机器人焊接(弧焊)工作站,学生能够实现自动化机器人焊接工作站的基本操作和工作站方案设计的研究。3.4
11、改革教育教学方法配合课程改革,以成立智能制造与工程训练中心为契机,引入工业机器人企业资源,通过教学内容调整,配合现有教学设施,引入适合本校学生特点的应用型本科教材,配合企业提供的现有机器人实训操作手册,在每次工业机器人授课前,先讲授约 2 课时的理论知识,然后再进行实训操作示范教学。学生实操过程中,遇到问题可随时向老师请教。最后,学生分组进行实操演练和考核,促进全体学生都能够了解基本的机器人理论和实操。例如在机器人拆装虚拟仿真实训中,完成仿真机械拆卸与安装,并完成电气的安装;仿真实训完成后,考评系统对所进行的仿真实训进行考核,记录考核成绩。在完成工业机器人几种典型应用的有关课程学习之后,部分学
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