王丹 陳雷 韋翠華
摘??要:在對“工業(yè)機器人系統(tǒng)集成”課程教學現(xiàn)狀及問題分析的基礎上,提出基于“雙創(chuàng)”背景下的課程改革方案,包括教學內容,競賽機制,教學手段,考核方案四方面內容;其次,根據(jù)課程改革方案,完成課程改革實踐,主要包括綜合性項目設計和創(chuàng)新性項目設計;通過改革和實踐,在師資隊伍建設方面,提升了工業(yè)機器人系統(tǒng)集成領域教師實踐能力;在教學效果方面,提高了學生的興趣,同時幫助其搭建了知識體系,培養(yǎng)了創(chuàng)新能力與團隊協(xié)作能力。
關鍵詞: 雙創(chuàng);工業(yè)機器人;課程改革;
中圖分類號:G642.0 ?? 文獻標識碼:?A
Curriculum?reform?and?practice?of?industrial?robot?system?integration?under?the?background?of?"entrepreneurship?and?innovation"
WangDan?ChenLei?WeiCuihua
Guangdong?University?of?Science?&Technology??GuangDongDongguan?543002
Abstract:?Based?on?the?analysis?of?the?current?teaching?situation?and?problems?of?"industrial?robot?system?integration",?this?paper?puts?forward?the?curriculum?reform?scheme?under?the?background?of?"mass?entrepreneurship?and?innovation",?including?teaching?content,?competition?mechanism,?teaching?means?and?assessment?scheme.?Secondly,?according?to?the?curriculum?reform?plan,this?paper?completes?the?curriculum?reform?practice,?mainly?including?comprehensive?project?design?and?innovative?project?design.?Through?reform?and?practice,?the?practical?ability?of?teachers?in?the?field?of?industrial?robot?system?integration?has?been?improved?in?the?construction?of?teaching?staff.In?terms?of?teaching?effect,?it?improves?students'?interest,?helps?them?build?a?knowledge?system?and?cultivates?their?innovation?ability?and?teamwork?ability.
Keywords:?Mass?entrepreneurship?and?innovation;?Industrial?robot;?Curriculum?reform
“工業(yè)機器人系統(tǒng)集成”是機器人工程專業(yè)的一門專業(yè)課,是實踐性、綜合性和創(chuàng)新性均要求較高的課程[1]。它主要解決工業(yè)機器人系統(tǒng)方面相關問題,該課程的教學改革問題是智能制造類相關領域學者廣泛關注的問題[2]-[3]。2015年3月,國家總理提出把“大眾創(chuàng)業(yè)、萬眾創(chuàng)新”打造成推動中國經濟繼續(xù)前行的雙引擎之一[4],雙創(chuàng)教育在此背景下,應運而生。雙創(chuàng)教育是以學生為主體,以教學模式改革為內容,實現(xiàn)提升學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力為目標的教育理念[5]。本文從課程教學現(xiàn)狀及雙創(chuàng)背景下的課程改革方案與實踐詳細介紹我校機器人專業(yè)“工業(yè)機器人系統(tǒng)集成”課程改革與實施經驗。
1?課程教學現(xiàn)狀
我校機器人工程專業(yè)于2018年開始招收第一屆本科生?!肮I(yè)機器人系統(tǒng)集成”課程首次設置于《2018版機器人工程專業(yè)本科生培養(yǎng)方案》中,為我校機器人工程專業(yè)專干專業(yè)課之一。在培養(yǎng)方案中,本課程總學時48學時,均為理論學時,授課時間安排在大四第一學期。本課程于2021年7月參與校企協(xié)同育人“人職匹配”項目,目前存在的問題有:
(1)課程教學內容有待優(yōu)化。在本課程教學中,根據(jù)教學大綱安排,48學時主要對工作站組成,工作站應用進行認知性學習,缺乏創(chuàng)新性、綜合性的引導實踐內容的教學。
(2)課程教學方法主要為理論教學,雖然在理論教學中融入了案例教學法,啟發(fā)式教學,但總體以理論教學為主,輔助設備為投影儀和視頻動畫,教學手段比較單一,學生學習效率較低。且由于沒有引導性實踐項目,學生對理論知識容易產生畏難情緒。
(3)課程考核方式側重期末考試成績??偝煽?平時成績*40%+期末成績*60%。平時成績包括考勤,平時作業(yè),課堂表現(xiàn)等。期末成績主要包括期末閉卷考試。這種模式的課程考核對學生實踐技能和創(chuàng)新性能力要求較低,學生平時學習積極性較弱,會在期末考試前進行突擊,不重視平時學習過程。
(4)師資隊伍實踐能力偏弱。由于本課程屬于實踐性、創(chuàng)新性要求較高的課程,對師資隊伍的實踐能力要求較高,同時工業(yè)機器人系統(tǒng)集成涉及的技能較多,綜合性強。而目前師資隊伍側重于科研和基礎學科方面的教學,與目前“工業(yè)機器人系統(tǒng)集成”課程匹配度偏弱,因此急需要打造一支具有在工業(yè)機器人領域理論和實踐均比較出眾的團隊[6]。
2?課程改革方案設計
2.1?優(yōu)化教學內容
根據(jù)工業(yè)機器人行業(yè)工作崗位需求,構建基于“雙創(chuàng)”的教學內容,結合工業(yè)機器人系統(tǒng)組成與集成設計相關理論和技能[7],對本課程的教學內容進行優(yōu)化。如下圖1為工業(yè)機器人課程方案總圖,本課程針對的是工業(yè)機器人課程總圖中廣義工業(yè)機器人的系統(tǒng)開發(fā)。以工業(yè)機器人簡易工作站設計全過程為主線,從總體布局,元器件選型,電氣設計,軟件設計,綜合運用等5大專題來全面學習工業(yè)機器人集成相關內容,幫助學生搭建工業(yè)機器人集成方向的知識體系,提升學生的實踐能力,同時在項目中融入開放性模塊,培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力。
2.2?引入競賽機制
以項目為導向的課程內容在開展過程中,引入小組競賽的方式[8],提升學生的積極性與參與度。在小組競賽過程中,學生通過自由組隊,分工協(xié)作,提升自身團隊協(xié)作意識和自主創(chuàng)新能力。
2.3?改進教學手段
以“工業(yè)機器人系統(tǒng)集成”領域的企業(yè)案例為基礎,課程師資團隊在5大專題框架下提煉出若干子項目,以實際項目引導學生學習,理論與實踐分別為12學時與36學時,將學時向實踐項目傾斜,大力提升學生實踐能力。
2.4?優(yōu)化考核方式
課程改革采用“項目實施+案例研討+理論考試”方式,實現(xiàn)課堂全過程形成性評價的考核。形成性評價主要是記錄學生參與混合式教學每項教學活動,記錄學生學習軌跡,對這些學習活動做出定性或定量評價。本課程形成性評價主要包括學生課堂表現(xiàn)評價,主題討論評價,課程項目評價,課堂考勤評價。其中課堂表現(xiàn)環(huán)節(jié)形式多樣化,有搶答,競賽,開放式問答,頭腦風暴等形式,充分提供多樣化與個性化的互動模式,盡可能讓同學們都能參與積極參與課堂學習中。結果性評價主要包括期末理論考試和期末實操考試。項目實施過程體現(xiàn)了學生自我解決問題的能力;案例研討過程體現(xiàn)了學生創(chuàng)新能力,團隊寫作能力;理論考試體現(xiàn)了學生理論分析能力。通過三方面的考核,提升學生在工業(yè)機器人領域的綜合能力。
2.5?師資培訓
組織相關師資團隊參與企業(yè)培訓,主題為工業(yè)機器人及機器視覺技術、工業(yè)機器人集成系統(tǒng)開發(fā)、工業(yè)機器人綜合應用等。同時選拔綜合實力較強的老師駐派企業(yè),參與企業(yè)工業(yè)機器人相關的項目研發(fā),為課程改革積累實踐項目經驗。為了激勵教師團隊參與企業(yè)項目,將師資團隊參加企業(yè)培訓與掛職納入年終績效考核。
3?工業(yè)機器人系統(tǒng)集成課程改革實踐
3.1?綜合性項目設計
針對《工業(yè)機器人系統(tǒng)集成》課程中覆蓋的核心技術,根據(jù)由難到易的原則,設計4個專項課題,包括系統(tǒng)認知專題、電氣專題、控制專題、綜合運用專題,如表1所示。課程采用的設備主要由電氣安裝模塊、電機調試模塊、單軸運動控制模塊、雙軸運動控制模塊、三軸運動控制模塊、流水線模塊和底架等部分組成。在各專題中通過細分,共有13項子項目。其中在工業(yè)機器人系統(tǒng)認知、電氣元器件原型、伺服電機三環(huán)調試子項目中融入課程思政內容,讓學生了解我國工業(yè)機器人產業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀,國產核心零部件品牌,國產電機性能優(yōu)勢等。
3.1.1?系統(tǒng)認知專題
該專題共有2個子項目,共4個學時。子項目包括工業(yè)機器人總體架構和電機運動模式。涉及的知識點有:工業(yè)機器人組成、工業(yè)機器人傳感器分類與作用、控制器分類與選型、運動控制環(huán)路組成、電機選型方法、電機運動模式選擇等,學生通過項目學習,掌握工業(yè)機器人系統(tǒng)的總體架構和組成,掌握電機的運動模式,為后續(xù)項目學習做鋪墊。
3.1.2?電氣專題
該專題共有4個子項目,共12學時。通過該專題學習,讓學生掌握工業(yè)機器人集成系統(tǒng)電氣組成,電氣模塊選型,電氣設計,電氣連線,電機三環(huán)調試等內容。在電氣專題,學生需要掌握電子元器件的原理與選型,斷路器與繼電器、控制器和變頻器的接線方式,電氣原理圖繪制方法;運動控制卡的安裝與調試軟件使用方法;在電機三環(huán)調試項目中引入PID控制器對電機參數(shù)性能的影響分析,要求學生利用自動控制原理的理論知識分析實驗參數(shù),有利于提升學生理論與實踐結合的能力,同時提升學生學習理論課程的興趣。
3.1.3?控制專題
該專題共有4個子項目,共12學時。通過該專題學習,讓學生掌握工業(yè)機器人控制系統(tǒng)開發(fā)過程,開發(fā)技術,運動模塊軟件設計等內容。硬件設備主要包括為單軸控制模塊,雙周控制模塊,三軸控制模塊和流水線模塊。
Jog、PT、電子齒輪等運動模式的原理及控制在單軸運控模塊上可實現(xiàn),同時可以通過設定位置指令和標尺比對完成對定位精度的測量實驗。最終學生可以具備獨立完成軸運動參數(shù)、控制器參數(shù)調整和優(yōu)化的能力。雙軸運動控制模塊主要用于進行二軸電子齒輪、點的合成運動規(guī)劃、手輪脈沖運動控制、二軸回零控制程序設計、二軸軌跡插補算法研究、電子凸輪,插補運動等運動控制策略類項目。三軸運動模塊主要用于進行多軸插補運動以實現(xiàn)吸盤對樣件的抓取和激光筆的繪圖實驗;三軸回零程序設計;三軸碼垛軌跡插補運動控制系統(tǒng)設計;三軸激光雕刻控制系統(tǒng)設計;前瞻規(guī)劃優(yōu)化插補軌跡實驗。流水線模塊,學生根據(jù)任務書,完成流水線模塊電氣設計,電氣選型,控制卡選型,控制器資源分配,控制器程序設計,可以掌握運動控制中的控制流程,IO模塊的使用方法,具備綜合解決機器人集成控制系統(tǒng)的基礎開發(fā)能力。
3.1.4?綜合運用專題
該專題有1個子項目,共8學時,該專題需要學生自主完成工藝分析,控制系統(tǒng)模塊化實現(xiàn),通過該項目,學生可以將工業(yè)機器人系統(tǒng)集成的主要技能融會貫通,達到獨立設計簡易集成項目的目的。
3.2?創(chuàng)新性實訓項目設計
工業(yè)機器人系統(tǒng)集成應用平臺由多種模塊組成,包括慣量匹配模塊,傳感器特性模塊,動態(tài)跟蹤模塊,伺服驅動模塊,流水線模塊等。學生根據(jù)實際項目,自由選擇模塊組合,自行確定工藝和控制方案,完成工業(yè)機器人集成系統(tǒng)的單元改造項目。
目前2018級工業(yè)機器人專業(yè)已完成的創(chuàng)新型、開放性項目如下表2,項目為學生自主設計。
4?課程改革效果
4.1?師資隊伍建設
通過該項目,有2位老師申請到參加2020年第一批教育部產學合作協(xié)同育人師資培訓專題項目的機會,項目專題為“智能制造師資隊伍教學能力培養(yǎng)模式探究”。有1位老師成功申報2020年第二批教育部產學合作協(xié)同育人師資培訓專題項目,項目名為“機器人方向師資培訓探索與實踐”。有1位老師駐派企業(yè),參與企業(yè)項目“藍寶石內平面拋光機控制系統(tǒng)設計”。
4.2?教學效果
在專題訓練中,電氣專題中電氣元器件選型項目難度較大,需要學生具備扎實的理論計算功底和實踐經驗,通過本專題訓練,學生將理論知識在實踐中應用,促進了學生理論和實踐兩方面的提升??刂茖n}需要學生將工業(yè)機器人系統(tǒng)集成領域的機械、電氣和軟件各方面綜合應用,對學生的發(fā)現(xiàn)問題,解決問題,邏輯思維能力有較好的訓練。通過綜合運用專題訓練,學生可以完整的理解工作站設計工藝和加工工藝,綜合實踐能力得到提升,同時學生對工業(yè)機器人領域的興趣得到提升。2021年7月,6名同學通過面試,成功參與首屆固高創(chuàng)工場訓練營,18名同學參與校企協(xié)同育人“人職匹配”項目。如下表3為學生參與企業(yè)研發(fā)項目名稱。
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基金資助:2020年廣東科技學院高等教育教學改革項目(CQ2020095);2021年廣東科技學院校級教學質量與教學改革工程項目專項人才培養(yǎng)計劃(GKZLGC2021023)
作者簡介:?王丹(1987—?),女,湖北宜昌人,講師,碩士,研究方向:智能制造控制系統(tǒng)、信號處理。