高校非理工類專業(yè)工業(yè)機(jī)器人工程實(shí)訓(xùn)教學(xué)改革探索

明顯誠　王國超

摘? 要 目前，重慶理工大學(xué)工業(yè)機(jī)器人工程實(shí)訓(xùn)主要針對機(jī)械類專業(yè)開設(shè)全周期教學(xué)內(nèi)容，對于少學(xué)時的非理工類專業(yè)學(xué)生則普遍采用認(rèn)知實(shí)習(xí)，已經(jīng)不能滿足發(fā)展需求。隨著學(xué)科間交叉融合深入，有必要將工業(yè)機(jī)器人新興教學(xué)內(nèi)容應(yīng)用到非理工類專業(yè)學(xué)生實(shí)訓(xùn)上，因此在課程設(shè)置、考核方式等方面進(jìn)行相應(yīng)改革，通過構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)云平臺、設(shè)計(jì)虛擬仿真在線學(xué)習(xí)系統(tǒng)等多種方式，用于非理工類專業(yè)學(xué)生實(shí)踐教學(xué)。

關(guān)鍵詞 非理工類專業(yè);工程實(shí)訓(xùn);實(shí)踐教學(xué);工業(yè)機(jī)器人;翻轉(zhuǎn)課堂;虛擬仿真在線學(xué)習(xí)系統(tǒng);云平臺;MOOC

中圖分類號：G642.0? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2020）04-0128-04

Teaching Probe of Universities Industrial Robot Practicum for Non Science and Engineering Majors//MING Xiancheng， WANG Guochao

Abstract At present， the industrial robot engineering training in our?school mainly focuses on the full cycle teaching content of the me-chanical specialty， while the cognitive practice is widely used for the non science and engineering students with few class hours， which can no longer meet the development needs. With the deepening of?interdisciplinary integration， it is necessary to apply the new teaching?content of industrial robots to the practical training of non science and engineering students. Therefore， the corresponding reform should?be carried out in terms of curriculum setting and assessment methods.?Through the construction of network learning cloud platform， the design of virtual simulation online learning system and other ways， it can be used for practical teaching of non science and engineering students.

Key words non science and engineering majors; engineering trai-ning; practice teaching; industrial robot; flipped classroom; virtual simulation online learning system; cloud platform; MOOC

1 引言

目前，重慶理工大學(xué)工程訓(xùn)練中的工業(yè)機(jī)器人實(shí)訓(xùn)模塊針對非理工類專業(yè)學(xué)生采取的是認(rèn)識實(shí)習(xí)，主要實(shí)訓(xùn)包括工業(yè)機(jī)器人行業(yè)背景了解、工業(yè)機(jī)器人各個組成部分認(rèn)知、工業(yè)機(jī)器人坐標(biāo)系運(yùn)動方式掌握等基礎(chǔ)內(nèi)容，完成簡單仿真作業(yè)任務(wù)（工具坐標(biāo)系創(chuàng)建、機(jī)器人系統(tǒng)創(chuàng)建、簡單路徑的規(guī)劃等）。教學(xué)方式則采用實(shí)訓(xùn)教師演示的方式。現(xiàn)行的教學(xué)內(nèi)容和方法已經(jīng)不能滿足對于非理工類專業(yè)學(xué)生的實(shí)訓(xùn)要求，主要有下面一些弊端。

1）學(xué)生普遍“走馬觀花”，興趣不高，教學(xué)效果較差。非理工類專業(yè)學(xué)生在進(jìn)入工作站進(jìn)行實(shí)訓(xùn)時，對于工業(yè)機(jī)器人方面是沒有專業(yè)知識背景的[1]，等同于從零開始學(xué)，按照常人的學(xué)習(xí)定律，勢必經(jīng)歷一個漫長的初期艱難過程。因此在短時間灌輸式教學(xué)過程中，學(xué)生很難找到興趣點(diǎn)和切入點(diǎn)，最終提不起學(xué)習(xí)動力，無功而返。

2）隨著新經(jīng)濟(jì)技術(shù)領(lǐng)域的不斷發(fā)展，中心開展的工業(yè)機(jī)器人實(shí)訓(xùn)教學(xué)內(nèi)容也與時俱進(jìn)，不斷增加，層出不窮，卻很少思考怎么應(yīng)用到少學(xué)時的非理工類專業(yè)教學(xué)上來，還是受固有思想的束縛，實(shí)訓(xùn)模式單一，實(shí)訓(xùn)案例簡單粗狂。這兩者之間形成不可調(diào)和矛盾，亟待解決。

3）科學(xué)素養(yǎng)和人文情懷沒有建立[2]。針對非理工類專業(yè)學(xué)生的工業(yè)機(jī)器人工程訓(xùn)練課程還局限于單學(xué)科以及技能訓(xùn)練傳統(tǒng)觀念，沒有做到學(xué)科交叉融合。評價(jià)考核機(jī)制較為單一，除了簡單的仿真任務(wù)評定成績之外，更多的是關(guān)注實(shí)習(xí)完畢之后報(bào)告冊成績評定。這樣不僅嚴(yán)重束縛了學(xué)生個性化的發(fā)展，也抑制了學(xué)科間的互融互通。新經(jīng)濟(jì)對于人才的要求已不再局限于把本專業(yè)知識學(xué)好，非理工類專業(yè)學(xué)生更需要學(xué)習(xí)新技術(shù)新領(lǐng)域，要養(yǎng)成良好的科學(xué)素養(yǎng)，學(xué)習(xí)科學(xué)情懷，具備科學(xué)理念，學(xué)會溝通，善于協(xié)作，協(xié)調(diào)事物能力等。這樣的要求同樣適合于機(jī)械類專業(yè)學(xué)生。

2 針對非理工類專業(yè)工業(yè)機(jī)器人工程實(shí)訓(xùn)教學(xué)改革措施

改革措施實(shí)施需滿足的前提條件

1）在設(shè)計(jì)制作網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)資料和素材的時候，每個知識點(diǎn)信息量不能過大，但覆蓋面要有廣度，要有很多可選性和備選方案[3]。這樣的目的主要是幫助沒有專業(yè)知識背景的非機(jī)類專業(yè)學(xué)生初期更容易找到自己感興趣的切入點(diǎn)或是目標(biāo)點(diǎn)，從而帶著興趣學(xué)習(xí)，提高學(xué)習(xí)動力。如在網(wǎng)絡(luò)在線平臺設(shè)置講解機(jī)器人坐標(biāo)系的時候，除了常用的大地坐標(biāo)系、基坐標(biāo)系、工具坐標(biāo)系以外，不常用的工件坐標(biāo)系也要講解出來。為什么要設(shè)置工件坐標(biāo)系？最大用處是什么？學(xué)生通過學(xué)習(xí)這個寬范圍的知識點(diǎn)，只要找到一個坐標(biāo)系的切入點(diǎn)，學(xué)習(xí)弄懂后，其他幾個坐標(biāo)系自然就會融會貫通。

2）開發(fā)在線教學(xué)系統(tǒng)時，要與傳統(tǒng)教學(xué)手段相比較，不能一味地采用先進(jìn)教學(xué)手段，也必須與傳統(tǒng)教學(xué)手段相結(jié)合，要注重解決傳統(tǒng)教學(xué)手段在教學(xué)過程中無法解決的問題[4]。如傳統(tǒng)黑板、粉筆撰寫板書或PPT教學(xué)時，信息量停留時間較短，學(xué)生不容易完全消化吸收知識點(diǎn);如果采用在線PPT、微視頻、圖片等教學(xué)資源，學(xué)生便能反復(fù)學(xué)習(xí)，思考問題，記憶知識點(diǎn)，領(lǐng)會知識點(diǎn)。

3）學(xué)生是有個體差異的，要體現(xiàn)出學(xué)生的主體性。個性化是培養(yǎng)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力、跨界整合能力的內(nèi)在要求，也是對新時期工程教育對象學(xué)習(xí)和思維習(xí)慣的響應(yīng)[5]。因此必須尊重學(xué)生作為個體“人”的發(fā)展需要，充分考慮每一個學(xué)生的個體差異，給所有學(xué)生以充分的機(jī)會來達(dá)到學(xué)習(xí)成果[5]。在開發(fā)課件資源的時候，教師必須聽取學(xué)生的意見，綜合各種因素的影響。

4）所傳授的知識要點(diǎn)都需要有新意和創(chuàng)意[6]。如在講解如何新建一個工具坐標(biāo)的時候，用到的方法則是“四點(diǎn)法”和“六點(diǎn)法”，完成一個工具坐標(biāo)系的創(chuàng)建。那么可以給出學(xué)生思考性問題，即能否在已知坐標(biāo)參數(shù)的情況，通過輸入各項(xiàng)參數(shù)值來創(chuàng)建坐標(biāo)系？也就是提出一些新的方法和途徑達(dá)到同樣的效果，用多種啟發(fā)性的問題來引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)。

創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)在線教學(xué)信息輔助資源（PPT、圖片、微視頻等）? 對于少學(xué)時非理工類專業(yè)學(xué)生，傳統(tǒng)的“一講二學(xué)三練”的工程實(shí)訓(xùn)教學(xué)方式已經(jīng)不適用。有限的課堂時間必須在這個練字上下功夫，講和學(xué)則要放在課前完成。設(shè)計(jì)在線課程的方式方法遵循MOOC的先進(jìn)理念，通過與微軟公司戰(zhàn)略合作，搭建在線網(wǎng)絡(luò)平臺。而實(shí)訓(xùn)教師則需要將傳統(tǒng)講堂搬到網(wǎng)絡(luò)上來，分階段和步驟來設(shè)置教學(xué)知識點(diǎn)，如表1所示。

微軟與學(xué)校工程訓(xùn)練中心開展戰(zhàn)略合作，共同研發(fā)架構(gòu)實(shí)驗(yàn)及教學(xué)智慧云平臺，中心教師則在平臺上構(gòu)建各種類型的教學(xué)資料，如圖1所示。將學(xué)習(xí)進(jìn)程分為四個階段：基礎(chǔ)型—綜合型—設(shè)計(jì)型—創(chuàng)新型。非理工類專業(yè)學(xué)生全體需要完成基礎(chǔ)型和綜合型項(xiàng)目訓(xùn)練，針對學(xué)生個性化發(fā)展進(jìn)而研發(fā)設(shè)計(jì)型和創(chuàng)新型項(xiàng)目。

圖1-a所示為一個知識點(diǎn)所要完成的學(xué)習(xí)流程，主要包含項(xiàng)目簡介、學(xué)習(xí)目標(biāo)和階段步驟，學(xué)生最喜歡的環(huán)節(jié)在于問答和項(xiàng)目評論，因?yàn)樵u論區(qū)是學(xué)生討論最激烈、思維最活躍的地方，能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動力;而問答環(huán)節(jié)，學(xué)生提出自己的學(xué)習(xí)疑問，教師都會一一在線或事后做出解答。圖1-b所示在階段步驟，學(xué)生根據(jù)項(xiàng)目簡介和學(xué)習(xí)目標(biāo)有計(jì)劃地分步驟學(xué)習(xí)，點(diǎn)擊進(jìn)入相應(yīng)的教學(xué)資源鏈接。

在教學(xué)資源設(shè)計(jì)這塊，充分考慮知識點(diǎn)的難易程度而配以不同的教學(xué)媒介和教學(xué)手段，對較為簡單的則附以圖片資料講解，對難度大的知識點(diǎn)則附以教學(xué)視頻指導(dǎo)，對難度適中的則附以PPT+視頻講解的教學(xué)方式。

創(chuàng)建工業(yè)機(jī)器人工程實(shí)訓(xùn)網(wǎng)絡(luò)在線仿真系統(tǒng)（機(jī)器人仿真）? 由于工業(yè)機(jī)器人工程實(shí)訓(xùn)教學(xué)的特殊性，決定了工業(yè)級虛擬仿真在教學(xué)過程中具有不可替代的作用[7]。因此在課前在線平臺學(xué)習(xí)過程中，就必須將所學(xué)知識點(diǎn)通過在線仿真達(dá)到實(shí)踐的目的，這也是本中心云平臺最大的特點(diǎn)和作用之一。與華航唯實(shí)和亞龍教育裝備公司合作研發(fā)構(gòu)建的虛擬仿真在線學(xué)習(xí)系統(tǒng)如圖2所示。學(xué)生需要在階段步驟下的模擬實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)進(jìn)入仿真的鏈接，然后在系統(tǒng)里面按照步驟提示完成模擬實(shí)驗(yàn)。在逼真的仿真操作環(huán)境中，學(xué)生對于知識點(diǎn)的實(shí)踐不再像以往必須在實(shí)訓(xùn)機(jī)房教室學(xué)生機(jī)上通過專門的仿真軟件才可以學(xué)習(xí)，而是不受時間、地點(diǎn)和環(huán)境因素的影響，在學(xué)生宿舍或是其他教室只要連上中心服務(wù)器，進(jìn)入云平臺，就可以隨時隨地練習(xí)。

3 非理工類專業(yè)任務(wù)驅(qū)動啟發(fā)式實(shí)踐教學(xué)活動設(shè)計(jì)

課堂上的教學(xué)活動注重“問與答”和“練”，這種問答并不是傳統(tǒng)教學(xué)中死板的教師問學(xué)生答，而是大膽地將學(xué)生作為課堂的主體，學(xué)生在實(shí)操過程中提出疑問，教師做出解答。解答不是一味地立即給出正確答案，而是有針對性地進(jìn)行引導(dǎo)，啟發(fā)學(xué)生自己在實(shí)習(xí)過程中找尋到問題的答案[8]。

發(fā)散與集中思維教學(xué)? 對于不具備專業(yè)知識背景的非理工類學(xué)生來說，采用發(fā)散思維的教學(xué)方式來激發(fā)課堂上的學(xué)習(xí)興趣，是解決學(xué)習(xí)困難問題的一種有效途徑。為了真實(shí)反映學(xué)生在線預(yù)先學(xué)習(xí)的效果，課堂上就得設(shè)置問答環(huán)節(jié)，甚至有布置課堂作業(yè)，將在線學(xué)習(xí)系統(tǒng)中的知識點(diǎn)一個個滲透到問題中進(jìn)行發(fā)散。課堂上學(xué)生則分成3～5人一小組，完成課堂作業(yè)，回答教師設(shè)置的問題。因?yàn)槭撬季S的發(fā)散，學(xué)生回答的答案必定是多種形式，所以教師不能過早給予評定，而是可以設(shè)置有多種正確答案形式。隨著討論的深入，答案自然就能顯現(xiàn)出來，就形成集中思維定論。當(dāng)然有時候也會出現(xiàn)相反狀況，發(fā)散后不一定能集中，不能水到渠成。

任務(wù)驅(qū)動/啟發(fā)式教學(xué)活動實(shí)施? 以往教師直接在工作站進(jìn)行演示操作教學(xué)，學(xué)生則跟學(xué);教師在課程中設(shè)置任務(wù)，學(xué)生實(shí)操完成。雖然運(yùn)用這種方式，學(xué)生普遍能完成既定任務(wù)，但被動接受知識的方式很少有學(xué)生會主動去思考為什么這樣做？原理是什么？可以有其他更好的途徑或方法完成任務(wù)嗎？少部分沒有跟上教學(xué)進(jìn)度的學(xué)生通常蒙混過關(guān)，大部分完成的學(xué)生依葫蘆畫瓢之后就是一片茫然，談不上學(xué)習(xí)興趣，更別說深入學(xué)習(xí)了。而現(xiàn)在應(yīng)用翻轉(zhuǎn)課堂之后，就采用啟發(fā)式、自我調(diào)節(jié)式和任務(wù)式的實(shí)操實(shí)訓(xùn)教學(xué)[8]。如以工業(yè)機(jī)器人教學(xué)項(xiàng)目模擬自動生產(chǎn)線為例，如圖3所示。

教學(xué)情境中設(shè)置問題1：模擬生產(chǎn)線上傳感器輸入控制信號包含哪些？具體如何配置？讓學(xué)生在現(xiàn)場工作站中找到各路傳感器設(shè)置位置（比如限位傳感器、落料傳感器、傳送到位傳感器等），然后比對機(jī)器人輸入輸出信號設(shè)置表（如表2所示），找到信號的對應(yīng)關(guān)系后，在示教器中進(jìn)行相應(yīng)傳感器輸入信號關(guān)聯(lián)設(shè)置。

問題2：電磁閥布局位置在哪？如何設(shè)置氣動電磁閥控制信號？學(xué)生在該問題的驅(qū)動下在機(jī)器人工作站中找到氣動電磁閥的位置，并連接從電磁閥到氣動夾具的氣動管路。同時，教師讓學(xué)生在示教器中配置電磁閥控制信號DO10-11，并對信號進(jìn)行置1置0操作，觀看信號的變化、電磁閥的控制動作，得以驗(yàn)證變換的原理。

問題3：在機(jī)器人完成傳送帶上物料拾取到儲藏位置堆放過程中，哪些運(yùn)動指令被使用？具體參數(shù)如何設(shè)置？教師有意識地讓學(xué)生去示教機(jī)器人運(yùn)動路徑上的目標(biāo)點(diǎn)，讓學(xué)生邊控制邊體會機(jī)器人是如何完成運(yùn)動的，并根據(jù)不同運(yùn)動指令做出姿態(tài)變化和調(diào)整。

經(jīng)過上述一系列帶引導(dǎo)性和啟發(fā)性的問題，學(xué)生自然就會產(chǎn)生極大興趣。隨著問題的深入，一個個的節(jié)點(diǎn)任務(wù)被獨(dú)立成功完成之后，學(xué)生必將產(chǎn)生成就感和喜悅。伴隨任務(wù)進(jìn)行的是學(xué)生學(xué)習(xí)動力的不斷增加，激發(fā)去探索和研究，意猶未盡，要求教師安排更多的項(xiàng)目任務(wù)。

在項(xiàng)目完成之后的討論環(huán)節(jié)顯得尤為重要，學(xué)生還是由原來的小組形式選取一名匯報(bào)人通過成果展示的方式，向其他小組成員和實(shí)訓(xùn)教師匯報(bào)項(xiàng)目執(zhí)行情況、遇到的問題、實(shí)際解決問題情況等內(nèi)容。最后，實(shí)訓(xùn)教師對各個小組進(jìn)行綜述評價(jià)。通過這種自我展示和討論的方式增強(qiáng)學(xué)生的自信心與協(xié)作能力[9]。

建立完善的學(xué)生評價(jià)考核體系? 以往的評定標(biāo)準(zhǔn)采用“實(shí)操+實(shí)習(xí)報(bào)告”的方式，實(shí)行的是“大包干”的操作，沒能滿足學(xué)生個性化的需求，學(xué)生的綜合能力和素質(zhì)也體現(xiàn)不出來。針對非理工類專業(yè)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)施新的教學(xué)方案、教學(xué)手段和教學(xué)計(jì)劃后，學(xué)生進(jìn)行在線云平臺教學(xué)知識點(diǎn)的預(yù)學(xué)習(xí)、工業(yè)機(jī)器人配件組裝、控制程序編寫調(diào)試、成果材料制作展示等一系列綜合訓(xùn)練，分析問題與解決問題能力、邏輯推理能力、協(xié)調(diào)組織能力等都得以提高[10]。改革后的學(xué)生評價(jià)指標(biāo)不再關(guān)注實(shí)習(xí)報(bào)告冊的撰寫，而是放在學(xué)生的過程實(shí)踐環(huán)節(jié)，分為課前、課中和課后：課前知識自學(xué)能力30%+課中實(shí)操動手能力30%+自我展示表現(xiàn)和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力20%+課后總結(jié)20%。還是以工業(yè)機(jī)器人教學(xué)項(xiàng)目模擬自動生產(chǎn)線為例，展示評價(jià)指標(biāo)，如表3所示。

4 結(jié)語

針對非理工類專業(yè)學(xué)生的工業(yè)機(jī)器人工程實(shí)訓(xùn)教學(xué)模塊進(jìn)行改革，遵循MOOC的理念花大力氣來設(shè)計(jì)云平臺在線學(xué)習(xí)和仿真系統(tǒng)，教學(xué)活動中采用翻轉(zhuǎn)課堂方式，以任務(wù)驅(qū)動和問題為導(dǎo)向來激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動力和興趣，讓其主動尋找不同媒介信息源，進(jìn)行自我調(diào)節(jié)式學(xué)習(xí)，從而進(jìn)行動手實(shí)踐。實(shí)踐證明，通過改革，可以在少學(xué)時情況下達(dá)到同樣的教學(xué)效果，培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題的能力，提高學(xué)生信心、面對新生事物的抗壓承受能力，從而最終培養(yǎng)了工程能力。

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項(xiàng)目來源：重慶市高等教育教學(xué)改革研究重點(diǎn)項(xiàng)目“高等院校應(yīng)用技術(shù)型工業(yè)機(jī)器人工程實(shí)訓(xùn)教學(xué)培養(yǎng)模式建設(shè)研究與實(shí)踐”

（基金編號：172022）;重慶理工大學(xué)校級重大教學(xué)改革培育項(xiàng)目“智能制造背景下高水平應(yīng)用型工程訓(xùn)練教學(xué)改革研究與實(shí)踐”（基金編號：2017ZDJG08）;重慶理工大學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)開發(fā)基金項(xiàng)目“基于IRB120工業(yè)機(jī)器人創(chuàng)新型工程實(shí)訓(xùn)教學(xué)模塊研發(fā)與實(shí)踐”（基金編號：SK201706）。

作者：明顯誠，重慶理工大學(xué)工程訓(xùn)練與經(jīng)管實(shí)驗(yàn)中心，講師，研究方向?yàn)楣I(yè)機(jī)器人、儀器儀表、信號檢測與控制;王國超，重慶理工大學(xué)工程訓(xùn)練與經(jīng)管實(shí)驗(yàn)中心，教授，研究方向?yàn)楣こ塘W(xué)（400054）。