袁庆丹，刘　军，安　军

(佛山科学技术学院　机械与电气工程学院，广东　佛山　528000)



机器人创新项目教学法在数控技术课程中的应用

袁庆丹，刘军，安军

(佛山科学技术学院机械与电气工程学院，广东佛山528000)

摘要：数控技术课程是机电专业一门重要的专业课程，传统的教学方法无法培养具有工程素养和创新思维的技术人才。将机器人替换数控机床作为教学载体，引入创新项目教学法是一种积极的尝试。实践证明机器人创新项目教学法取得了良好的教学效果，也为机电专业卓越工程师人才的培养提供了思路。

关键词：机器人；数控技术；项目教学法

近年来，数字控制技术已经广泛应用于工业生产的各个领域,尤其是在机械制造业中,普通机械正逐渐被高效率、高精度、高自动化的数控设备所代替。企业对高层次应用型人才的需求明显增加，统计显示数控专业人才的缺口在六十万左右,人才需求每年以30%的速度增长。

高校传统的数控技术课程教学模式以课堂讲授为主，辅以6-8课时的数控原理和加工编程实验。但由于数控机床设备昂贵，且考虑实验过程中学生的安全问题，因此实验多以验证性实验为主，缺乏对学生进行工程实践能力和创新意识的培养及训练，因此教学效果始终不理想，难以培养一批能够熟练掌握数控技术的高技能人才，满足当地制造企业的实际需求。

机器人是一种具有感知、决策、执行能力的综合智能系统，集成了机械、电子、传感、控制等多种交叉学科知识[1]，它是数控技术课程进行创新实践的理想载体。本文介绍以机器人创新项目为核心，对数控技术课程进行教学改革的应用实例，这对机电专业创新应用人才的培养有一定的指导意义，也是对2010年教育部启动的“卓越工程师教育培养计划”的一种响应。

一、将机器人作为课程教学载体

数控技术课程的教学内容主要有插补原理及控制算法、位置检测装置、伺服驱动装置、机械本体的结构与传动、数控加工编程等几个部分，这些内容均能以机器人作为实践对象进行理论教学。将机器人作为数控技术课程的教学载体主要有以下优点。

1. 有利于激发学习兴趣及培养动手能力

数控机床一般体积庞大不便于携带，教师难以将其作为教具带入课堂进行教学展示，只能通过图片或视频的形式进行介绍，或者通过数控机床仿真软件，简单模拟数控加工的切削过程，数控机床所应用的数控技术难以涉及。而数控机床又是一种对操作者素质要求较高的数控设备，为避免安全事故的发生，制定了严格的操作规程，因此即使是现场教学，学生与数控机床仍然会产生距离感，缺乏对数控技术的感性认识，学生的参与意识不强，教学效果较差。

机器人种类繁多、形态各异，将一些小型的机器人产品带入课堂，学生通过触摸、感知、装配和拆卸，能很快拉近与数控技术的距离，增强求知欲和动手实践的动力。

2. 教学内容可以做到无缝过渡

如前文所述，数控机床和机器人两者所应用的数控技术内容上是基本相同的，比如插补原理在数控机床中主要用于工件或刀具的运动轨迹运算，在机器人中则多用于机械手等执行部件的运动轨迹运算，两者基本没有什么区别。数控机床上的检测装置主要有光电编码器、光栅、激光测距传感器等，这些传感器也广泛应用于机器人上。数控机床上使用的伺服驱动装置，如步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机等也是机器人主要的动力部件。数控装置是数控系统的核心，机器人和数控机床的数控装置在硬件架构上非常类似。日本的发那科(FANUC)公司是世界顶尖的数控机床操作系统、自动化生产线、数控装置的制造商，20世纪70年代以来它又成为了世界工业机器人制造领域的龙头。所以说数控技术课程的教学对象完全可由数控机床无缝过渡到机器人。

3. 可借鉴国外先进的教学经验

美国一些知名大学从20世纪末就开始将机器人作为学习平台，并逐渐应用于大学的多门课程中。如俄勒冈州立大学，分别在电子设计、数字逻辑设计、信号与系统、机械设计课程中使用 TekBots 机器人作为学习平台并对课程进行整合，把课堂上学习的理论应用到机器人中，加深学生对理论的理解。美国麻省理工大学、宾夕法尼亚大学等在机械工程、电气工程、航空航天等专业使用了机器人教学平台，用以提升专业课程的教学效果[2]。

二、以创新为目的的项目教学

项目教学法是通过实施一个完整的项目而进行的教学活动,目的是在课堂教学中把理论与实践教学有机地结合起来,充分发掘学生的创新潜能,提高学生解决实际问题的综合能力。本文此处论述以机器人项目为纽带，串联数控技术课程的教学内容，从而培养学生创新能力的具体措施。项目教学法可分为项目确定、项目实施和项目评价三个阶段。

1. 项目确定阶段

佛山是广东乃至全国首屈一指的制造业基地，其制造业生产总值接近2万亿，全国排名第五，其中家电、陶瓷、汽车制造、有色金属等行业拥有众多全国知名品牌。机器人创新项目的确定充分考虑地方产业特色，将企业与高校的资源进行整合，一方面高校可依托企业的设备和人力资源，另一方面企业也迫切需要高校的创新团队促进其技术革新[3]。项目的确定在数控技术课程的前期进行，由授课教师带领学生进入当地知名制造企业进行参观，与聘请的企业导师进行座谈，使学生对企业的机器人应用情况深入了解，充分明晰项目需求。结合课程的理论教学内容和校企协同的资源优势，我校的机器人创新项目主要集中在以下几个方面：

表1　机器人创新项目表

授课教师和企业导师在这个阶段要帮助和指导学生分析选题，全方面考虑可能出现的技术难点，制订项目实施的多套方案，细化方案的各个环节。以讨论课的形式组织学生对方案的可行性进行论证，由授课教师和企业导师一起对项目的创新性做出评估[4]。对于学生提出较好的创新项目积极引导和重点培育，鼓励参加全国大学生的课外科技竞赛。

2. 项目实施阶段

李克强总理在2014年夏季达沃斯论坛提出了“万众创新为中国经济版发力”的理念[5]，但如何实施创新项目是摆在教育工作者和企业管理者面前的难题，本校在机器人创新项目的实施过程中主要把握了以下三点：

(1)实践是创新的基础

脱离实践而空谈创新，无异于无水之源、无本之木。以两轴自动喷涂机器人这个项目为例，该机器人是一种可根据上位机设定的轨迹要求进行自动喷涂的数控设备，可实现对铝型材、五金件、板式家具等的自动喷漆，通过该项目要求学生掌握数控插补原理。在完成具体创新目标之前，通过实践来实现这种机器人的基本功能是关键一步。

授课教师可在课堂上有针对性地讲授几种经典的插补算法和步进电机驱动的相关知识，要求学生利用设备组件搭建喷涂机器人平台，编写上位机和下位机程序，实现对喷嘴的轨迹控制。在这个阶段，教师不急于要求学生实现创新点，而是要让学生在实践中吃透基本理论，增强动手能力。教师可以引导学生逐渐去发现存在的问题和不足，并记录下来为下一步的创新工作提供思路，切忌直接给出答案。创新是一种厚积薄发，是需要在实践中去领悟的。

(2)团队是创新的保证

为保证机器人创新项目在数控技术的成功应用，需要组建相应的教师团队和学生团队。教师团队由授课教师、实验教师和企业导师组成。实验教师负责实验室开放、实验设备管理和实验技能评价等工作。企业导师来自于相关企业的一线资深工程师，将全程参与项目从确定、实施到评价的各个环节，企业导师丰富的工作经验会给学生带来全新的学习体验，引入企业导师参与数控技术教学工作本身也是一种创新。学生团队由学生根据项目任务自主组建，团队责任人负责将任务分解、细化，把握项目进度。学生团队定期召开项目讨论会，对前期团队成员的所学所做以及项目进展做出汇报，制订下一个周期的目标任务，不同团队之间互相沟通交流，形成良好的学习氛围。授课教师和指导教师轮流参与学生团队的项目讨论会，对于学生遇到的问题要给予必要的引导，引导的特点是指明方向而不包办代替，使学生持有一个自由开放的心态，充分发挥主体作用，自我管理，不断地发现问题、分析问题、解决问题，善于利用各种资源完成实践过程[4]。

(3)合理目标是创新的动力

在项目实施过程中，合理目标的制订尤为关键。对于数控技术课程的创新实践而言，短期目标是最务实的目标，短期目标一般划分为功利性目标与发展性目标[6]。以搬运码垛机器人项目为例，该项目采用中科欧鹏公司的教育机器人，学生需运用数控技术实现机器人巡航以及机械手的动作控制，其中使用红外传感器和光电编码器的信号作为反馈，对电机进行伺服控制。在实现基本功能以后，部分学生团队提出了采用机器视觉伺服的创新目标，该目标的创新性很强，但实现的难度较大，由于涉及了机器学习和非线性控制等数控理论，学生感到无所适从，项目进展缓慢。教师应引导学生将目标细化分类，将全局视觉导航作为功利性目标，实现此目标即可通过考核，并鼓励学生参加大学生科技竞赛或申报专利，而将难度较大的机械手视觉伺服作为发展性目标，鼓励学生将其作为研究课题在毕业设计或企业研发中进一步研究。实践证明：学生在获得阶段性成果后，有了强烈的成就感，创新动力明显增强，项目进展比较顺利

4. 项目评价阶段

与传统的教学模式相比，项目教学模式更注重过程。在对学员进行过程性评价时，主要应考查学员在完成整个项目过程获取知识能力、动手能力、团队协作能力、交流表达能力、分析问题与解决问题能力、创新能力等[7]。数控技术课程的评价主体由授课教师、实验教师和企业导师共同承担，采用的创新项目教学的评价体系如表2所示，一方面学生之间的技术交流可以随时得到教师的指导，另一方面教师对学生可以实施有效的监督和考核，避免以往仅凭书面报告的工整程度和最终结果进行考核评分。

表2　创新项目教学的评价体系

三、教学效果

机器人创新项目教学法在数控技术课程中的应用从2013年9月开始实施，经过2年多的不断尝试和摸索，取得了不错的教学效果，主要体现在以下三个方面。

1. 学生的学习兴趣和自信心明显增强

通过学生座谈会和问卷调查的形式反馈教学效果，结果表明79 %学生对数控技术的理解更为深入，激发了较强烈的学习兴趣并愿意从事相关职业。65%的学生理解了创新的含义，并表示通过机器人创新项目的训练，使自身具备了创新的勇气和一定的创新思维。

2. 学生的表达能力和团队意识显著提高

累计超过9成的学生作为项目讨论会的主讲人完成了15分钟的讲演，展示了近期资料查询或学习的核心内容，以及项目的最新进度。多数学生表示逐渐敢于在公众场合表达自己的想法，并学会了聆听团队成员的设计思路，通过沟通达成共识，具备了较强的团队荣誉感。

3. 学生课外竞赛成绩突出

将学生在本课程创新项目的作品进行筛选和修改，可直接参加大学生课外科技竞赛。近两年我系学生在全国机械创新设计大赛、中国教育机器人大赛、“北斗杯”全国青少年科技创新大赛等比赛中共获得全国一等奖7项，二等奖3项，共获批“广东省大学生创新创业计划项目”4项，学生参与申报专利7项，软件著作权2项。

四、结束语

数控技术课程是机电专业一门重要的专业课程，采用传统的教学方法教学效果始终不理想，将机器人作为教学对象，采用创新项目教学法是一种积极的尝试，实践证明取得了较好的教学效果，也顺应了我校近年倡导的“以学生为主体，以教师为主导，以实验项目教学为主线，以培养卓越工程师为目标”的工程教育体系。机器人创新项目教学法在数控技术课程中的应用经验也将为机电专业实践教学改革提供一种思路。

(责任编辑：徐建平)

参考文献：

[1]许林. 机器人课程在智能专业本科教学中的探索[J]. 计算机教育, 2012(18): 78-81.

[2]王益，张剑平. 美国机器人教育的特点及其启示[J].现代教育技术，2007，17(11):108-112.

[3]袁庆丹，刘军，唐东炜. 测试技术实验教学的特色创新实践[J]. 实验室科学,2013,16(1):89-91.

[4]衷克定，刘海欧. 基于“主导—主体”教学模式的机器人教学研究[J]. 中国电化教育，2008(11)：84-88.

[5]中国新闻网. 李克强倡导“万众创新”为中国经济版发力[EB/OL].北京：中新社，2014. http://www.chinanews.com,2014.

[6]王兴波，麦伟强.创新行为的特质分析暨工科大学生创新活动引导方式的思考[J]. 科技导刊，2012(6):240-242.

[7]齐晓慧，李永科，甄红涛. 项目教学模式在科技创新活动中的应用实践[J]. 实验科学与技术,2013(6):134-137.

Application of Robot’s Creative Project Teaching Method in Numeric Technology Course

YUAN Qing-Dan, LIU Jun , AN Jun

(School of Mechanical and Electrical Engineering, Foshan University,Foshan 528000, China)

Abstract：Numeric technology course is an important professional course in mechanical and electrical specialty. However, traditional teaching methods can not cultivate technical talents with professional attainment and creative thinking. It is a positive attempt of introducing creative project teaching method , in which robots assist teaching as educational carrier, instead of numerical control machine. Experience proves that good teaching effect has achieved using robot’s creative project teaching method，which provide an idea on how to cultivate outstanding engineering talents of mechanical and electrical specialty.

Key Words：robot;numeric technology;project teaching method

基金项目：广东省高等教育教学改革工程项目(g411907)；广东省质量工程建设项目“‘材料力学’精品资源共享课”。

收稿日期：2015-10-13修稿日期：2015-11-09

作者简介：袁庆丹(1978-)，男，湖北黄梅人，硕士，讲师，研究方向为智能传感器与精密测量技术。

中图分类号：G642.4

文献标识码：A

文章编号：1671-9719(2016)1-0051-03