新工科背景下移動(dòng)機(jī)器人項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)教學(xué)的探索

鄺禹聰

摘 要：在新工科背景下，使用移動(dòng)機(jī)器人模擬工業(yè)AGV的實(shí)際應(yīng)用，以此開(kāi)展實(shí)驗(yàn)教學(xué)。從實(shí)驗(yàn)資源的配置、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)考核三方面，描述了實(shí)驗(yàn)課程的情況，并實(shí)現(xiàn)了教學(xué)實(shí)踐，達(dá)成了初步的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：實(shí)驗(yàn)教學(xué);新工科;移動(dòng)機(jī)器人

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract：Under the background of Emerging Engineering Education，using mobile robot to simulate the practical application of industrial AGV，in order to carry out experimental teaching.This paper describes the situation of the experimental course from three aspects：the allocation of experimental resources，the design of experimental contents and the examination of experiments，and realizes the teaching practice，achieves the preliminary teaching effect.

Key words：experiment teaching;new engineering;mobile robot

1 新工科背景下的課程要求

2017年，教育部提出了新工科的建設(shè)愿景[1]，鐘登華院士、鄭慶華教授均對(duì)建設(shè)新工科的內(nèi)涵進(jìn)行了解析，并就“如何建設(shè)新工科”提出了見(jiàn)解[2][3]。新工科的建設(shè)，對(duì)機(jī)電專業(yè)的課程提出了新的要求：（1）培養(yǎng)多元化的創(chuàng)新型人才。（2）積極面對(duì)與適應(yīng)時(shí)代的科技變化。（3）多學(xué)科融合。面對(duì)這樣新的挑戰(zhàn)，學(xué)校機(jī)械工程學(xué)院的工業(yè)自動(dòng)化強(qiáng)化訓(xùn)練課程做出新的設(shè)計(jì)，新增移動(dòng)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。為適應(yīng)社會(huì)的科技發(fā)展，針對(duì)物流行業(yè)里的AGV（Automated Guided Vehicle）的應(yīng)用情況，以及分析了AGV行業(yè)的人才需求，將AGV的應(yīng)用場(chǎng)景引入到移動(dòng)機(jī)器人項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。

結(jié)合新工科的建設(shè)背景，對(duì)移動(dòng)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)課程的要求是：實(shí)驗(yàn)課程能應(yīng)對(duì)時(shí)代的發(fā)展，能體現(xiàn)實(shí)際的工程需求，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能夠鍛煉工程能力，訓(xùn)練學(xué)生多元思考，培養(yǎng)創(chuàng)新思維，人才培養(yǎng)注重過(guò)程，并在考核上體現(xiàn)出來(lái)。

以下將從實(shí)驗(yàn)資源的配置、實(shí)驗(yàn)課程的設(shè)計(jì)以及課程考核方式這幾方面，對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行探索。

2 實(shí)驗(yàn)資源的配置

圍繞課程的建設(shè)，搭建實(shí)驗(yàn)資源，包括實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)使用的指導(dǎo)書(shū)、實(shí)驗(yàn)用到模塊的產(chǎn)品用戶手冊(cè)、以及實(shí)驗(yàn)過(guò)程中用于實(shí)驗(yàn)記錄以及實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)的能力考核手冊(cè)。

移動(dòng)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的主體由鋁型材搭建而成，組裝靈活，方便安裝各個(gè)模塊，也為后續(xù)的機(jī)構(gòu)改進(jìn)、創(chuàng)新設(shè)計(jì)留下空間。在對(duì)AGV的企業(yè)進(jìn)行了工程應(yīng)用的調(diào)研后，為移動(dòng)機(jī)器人設(shè)計(jì)的主要功能定位為一臺(tái)磁導(dǎo)航的點(diǎn)到點(diǎn)搬運(yùn)機(jī)器人，能實(shí)現(xiàn)手動(dòng)模式與自動(dòng)模式的切換。機(jī)器人的功能模塊參考了實(shí)際的工程應(yīng)用，主要分為PLC與人機(jī)界面控制模塊、RFID定位模塊、激光雷達(dá)避障模塊、磁導(dǎo)航模塊、電機(jī)與驅(qū)動(dòng)動(dòng)力模塊。移動(dòng)機(jī)器人主體以及功能模塊如下圖所示。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，可以整體調(diào)試，也可以單獨(dú)使用模塊調(diào)試。

移動(dòng)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)圖圍繞上述的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，開(kāi)發(fā)了實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)，實(shí)驗(yàn)的實(shí)施由下節(jié)敘述。模塊中使用到的工業(yè)產(chǎn)品，由學(xué)生直接查閱相關(guān)的用戶手冊(cè)，鍛煉工程師閱讀手冊(cè)的能力。最后，能力考核手冊(cè)由學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)記錄，收集數(shù)據(jù)，指導(dǎo)老師在其上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)評(píng)定。

3 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)與考核

3.1 實(shí)驗(yàn)實(shí)施

在3周的教學(xué)時(shí)間內(nèi)，共需要完成一次設(shè)備認(rèn)知講授、十一個(gè)實(shí)驗(yàn)、兩個(gè)綜合任務(wù)，如下表所示。其中，實(shí)驗(yàn)零為設(shè)備認(rèn)知，由指導(dǎo)老師負(fù)責(zé)進(jìn)行講授，全面講解整體設(shè)備、分模塊介紹，以及下發(fā)實(shí)驗(yàn)資源。學(xué)生負(fù)責(zé)對(duì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行全面認(rèn)知，了解實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的使用。十一個(gè)實(shí)驗(yàn)由學(xué)生自主完成，主要對(duì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的每個(gè)功能模塊進(jìn)行控制、操作。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中可以自學(xué)、小組討論、與指導(dǎo)老師探討，形式多樣。兩個(gè)綜合任務(wù)由學(xué)生對(duì)整車進(jìn)行調(diào)試，是對(duì)每個(gè)模塊的綜合應(yīng)用。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，直接在能力考核手冊(cè)中記錄實(shí)驗(yàn)過(guò)程，留下實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)課程結(jié)束后，應(yīng)提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告書(shū)一份。

3.2 考核方式

對(duì)于學(xué)生的考核，分為課堂評(píng)定與任務(wù)驗(yàn)收兩種。

（1）課堂評(píng)定，即對(duì)要求完成的實(shí)驗(yàn)，指導(dǎo)老師做出完成情況的評(píng)定，指出完成不好的地方以及需要改進(jìn)的地方，并在學(xué)生的能力考核手冊(cè)上進(jìn)行批注。以實(shí)驗(yàn)二為例，要求學(xué)生掌握觸摸屏設(shè)計(jì)軟件的操作，完成一個(gè)基本的控制界面。實(shí)驗(yàn)評(píng)定時(shí)，指導(dǎo)老師對(duì)界面細(xì)節(jié)作出改進(jìn)意見(jiàn)，對(duì)未完成的界面作出批注。這樣，學(xué)生可以根據(jù)指導(dǎo)老師的意見(jiàn)，進(jìn)行完善，即學(xué)生有繼續(xù)完成該實(shí)驗(yàn)的機(jī)會(huì)。在接下來(lái)的整個(gè)課程中，指導(dǎo)老師可以根據(jù)此次實(shí)驗(yàn)課堂評(píng)定的批注，關(guān)注學(xué)生是否有對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行了學(xué)習(xí)，是否有進(jìn)步。

（2）任務(wù)驗(yàn)收，即對(duì)要求完成的綜合任務(wù)，進(jìn)行工程甲乙方式的驗(yàn)收。學(xué)生的角色類似乙方工程師，指導(dǎo)老師類似甲方客戶。任務(wù)驗(yàn)收時(shí)，由乙方對(duì)完成的任務(wù)進(jìn)行講解，按照任務(wù)的性能指標(biāo)，逐項(xiàng)向甲方進(jìn)行展示匯報(bào)。匯報(bào)過(guò)程中，甲方可以隨時(shí)提出自己的問(wèn)題，乙方需要一一解答。匯報(bào)結(jié)束后，由甲方給出驗(yàn)收意見(jiàn)。

以上兩種評(píng)定，均由指導(dǎo)老師將意見(jiàn)記錄在能力考核手冊(cè)中。學(xué)生在完成課程后，需要撰寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告，記錄整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程。學(xué)生的課程成績(jī)，最后根據(jù)能力考核手冊(cè)以及實(shí)驗(yàn)報(bào)告書(shū)綜合給出。

4 課程創(chuàng)新與展望

圍繞新工科理念建設(shè)移動(dòng)機(jī)器人項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)課程，該課程在機(jī)械學(xué)院2016級(jí)的課堂上進(jìn)行了教學(xué)實(shí)踐，效果理想。課程實(shí)現(xiàn)了以下創(chuàng)新：

（1）實(shí)驗(yàn)平臺(tái)貼合工程實(shí)際，模擬了AGV的實(shí)際應(yīng)用，直接使用工程中使用的激光避障傳感器等元件，能夠讓學(xué)生直接體驗(yàn)科技在當(dāng)前工業(yè)中的應(yīng)用，縮短了“實(shí)驗(yàn)室”到“工程現(xiàn)場(chǎng)”的差距。

（2）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容分等級(jí)進(jìn)行，分為認(rèn)知、應(yīng)用、設(shè)計(jì)以及綜合，層層推進(jìn)，逐步學(xué)習(xí)，符合學(xué)習(xí)的規(guī)律。根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)等級(jí)，對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)方式、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)也會(huì)相應(yīng)調(diào)整。

（3）實(shí)驗(yàn)的方式先模塊后整體，在此過(guò)程中，能體會(huì)到工程師研發(fā)、設(shè)計(jì)、制造的過(guò)程，培養(yǎng)學(xué)生多元思維。模塊應(yīng)用相當(dāng)于工程師研發(fā)過(guò)程，熟悉每個(gè)工業(yè)產(chǎn)品元件的使用情況。然后是設(shè)計(jì)，將各元件綜合起來(lái)，設(shè)計(jì)出一個(gè)完整的AGV產(chǎn)品，并且自行完成整車的電氣搭建，熟悉了產(chǎn)品的制造過(guò)程。

（4）課程考核注重課堂評(píng)測(cè)，關(guān)注學(xué)生平時(shí)的積累與成長(zhǎng)。對(duì)于學(xué)生的成績(jī)，不再是以最后的大作業(yè)去評(píng)價(jià)。而綜合任務(wù)的考核，則讓學(xué)生從整個(gè)項(xiàng)目的角度去思考問(wèn)題，并且需要通過(guò)個(gè)人的表達(dá)能力，去展現(xiàn)自己的產(chǎn)品。

展望未來(lái)，課程還有提高的方向，提出以下兩點(diǎn)：

（1）可以結(jié)合人工智能，實(shí)現(xiàn)學(xué)科交叉融合。當(dāng)今科技的發(fā)展，人工智能是一個(gè)熱門(mén)方向。人工智能+機(jī)器人，更是工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域里面，很有應(yīng)用前景的學(xué)科融合。例如，結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人的路徑自主規(guī)劃，增加行走路徑精度等。

（2）增加實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，對(duì)移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)。在實(shí)驗(yàn)等級(jí)中，新增創(chuàng)新設(shè)計(jì)，使用三維設(shè)計(jì)軟件，對(duì)AGV的機(jī)構(gòu)，提出自己的構(gòu)想，新增牽引式、背馱式、潛伏式等AGV類型所必須的機(jī)構(gòu)。例如，牽引式的AGV需要設(shè)計(jì)一個(gè)升降機(jī)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)拖拽平板車的功能。

參考文獻(xiàn)：

[1]“新工科”建設(shè)行動(dòng)路線（“天大行動(dòng)”）[J].高等工程教育研究，2017（02）：24-25.

[2]鐘登華.新工科建設(shè)的內(nèi)涵與行動(dòng)[J].高等工程教育研究，2017（03）：1-6.

[3]鄭慶華.新工科建設(shè)內(nèi)涵解析及實(shí)踐探索[J].高等工程教育研究，2020（02）：25-30.