“专创融合”背景下机器人综合设计课程改革与实践_王蕾.pdf

-59-教学革新创新创业理论研究与实践 2023 年 3 月第 6 期“专创融合”背景下机器人综合设计课程改革与实践王蕾1，伦志新1，陈艳梅1，葛超2（1.唐山学院，河北唐山 063000；2.华北理工大学，河北唐山 063000）摘要：随着创新教育的深入推进，我国高校更加注重创新能力培养与专业能力培养的高度融合，并逐步构建“专创融合”的人才培养模式。在“专创融合”背景下，将项目式教学方法引入机器人综合设计课程中，形成创新教学模式。按照“专创融合”人才培养标准，对课程教学目标、内容、模式、评价与考核指标进行改革。该文介绍了以六轴机械臂为案例的教学实施过程，并指出该教学模式的反思方向，肯定了该模式在今后教学工作中的推广价值。关键词：“专创融合”；项目式教学；机器人综合设计；教学模式；人才培养；教学目标中图分类号：G420;G647.38 文献标识码：A 文章编号：2096-5206(2023)03(b)-0059-03Curriculum Reform and Practice of Robot Integrated Design under the Background of“Integration of Specialty and Innovation and Entrepreneurship”WANG Lei1,LUN Zhixin1,CHEN Yanmei1,GE Chao2(1.Tangshan University,Tangshan Hebei,063000,China;2.North China University of Science and Technology,Tangshan Hebei,063000,China)Abstract:With the further advance of innovative education,Chinese colleges and universities pay more attention to the high integration of innovative ability training and professional ability training,and gradually set up a special integration of personnel training mode.Under the background of specialization and integration,the project teaching method is introduced into the course of robot integrated design to form an innovative teaching model.According to the standard of specialized innovation and integration of talent training,the teaching objectives,contents,models,evaluation and assessment indicators of the course are reformed.This paper introduces the teaching implementation process taking the six-axis mechanical arm as the case,points out the reflection direction of the teaching model,and affirms the promotion value of the model in the future teaching work.Key words:Specialized innovation and integration;Project-based teaching;Robot integrated design;Teaching mode;Personnel training;Teaching objectives基金项目：唐山学院教研项目：基于 OBE 的 模拟电子技术基础 课程专创融合教学改革与实践以电子信息类专业为例（JG21191）；河北省自然基金项目：网络化系统事件触发控制及其在工业机械臂中的应用（F2021209006）。作者简介：王蕾（1980-），女，山东长青人，硕士，讲师，研究方向：控制工程。用多种教学手段，培养具有扎实专业基础知识、较强动手实践能力以及良好工程素养的创新应用型人才。机器人综合设计是自动化专业机器人控制方向开设的一门综合实践专业课程，内容涉及机器人运动学模型分析、控制系统仿真设计以及实物验证等1。传统课程以集中实践为主，教学模式单一，编程环境为设备厂家提供的开发平台，导致对硬件搭建的限制较多，学生创新兴趣不高。根据以上情况，教研组通过调研分析发现，江苏科技大学电气与信息工程学院田会峰坚持以“学生为中心”，采取创新引领、项目驱动、校企协同的教学模式，在实训中融入企业项目开发模式元素，取得良好的教学效果2。南京工程学院自动化学院许有熊提出了虚实结合的三级项目教学体系，构建了虚拟系统的创新实践训练平台，有效提高了学生的实践能力和创新能力3。武昌工学院邱旋提出了 OBE创新教育是“实施科教兴国战略，强化现代化建设人才支撑”的重要基石。高校是创新教育的重要阵地，随着创新教育的深入推进，我国高校更加注重创新能力培养与专业能力培养的高度融合，并逐步构建“专创融合”的人才培养模式。唐山学院为地方应用型本科院校，根据“金课”建设标准和新工科创新人才培养目标，我校开设的机器人综合设计课程的教学目标是利-60-教学革新创新创业理论研究与实践 2023 年 3 月第 6 期教学理念，利用项目教学法对工业机器人综合实训的教学内容进行改革，提高了学生的实践应用能力4。鉴于此，本教研组按照“双创”人才培养目标，结合机器人综合设计专业课程特点，采用项目教学法，在实践中创新教学内容，解决了教学过程中存在的主要问题。项目教学法是指在以教师为主导，学生为主体的教学理念下，由教师引导学生完成一个完整的项目，其目的是指导学生通过项目实施，将专业理论知识应用于实践活动中，是为验证原理的正确性而进行的一项教学活动。通过该教学方法，使学生掌握项目研发基本流程，独立解决实施过程中的难点与问题，并激发学生实践创新的兴趣5-7。1“专创融合”教学模式介绍1.1 教学目标及内容“专创融合”教学模式是引导学生把专业知识应用到创新实践中，即在教学中将对学生“双创”意识的培养与专业课程体系有机结合起来，最大限度地提升学生“专创融合”意识和能力，培养既具备扎实专业知识与技能，又具备“双创”能力的复合型高素质人才8-11。我院自动化专业的机器人综合设计课程以专业人才培养方案为依托，安排了 36 个学时的教学任务，其教学目标是利用多种教学手段培养具有扎实专业基础知识、较强动手实践能力以及良好工程素养的创新应用型人才。该课程是在学生完成了智能机器人、自控控制原理和智能传感器等课程学习后，对基础理论和专业知识的一次综合运用。该课程的教学过程可分为三个步骤，即机器人基础数学建模与运控分析、典型控制模型仿真和实践平台实操验证。该课程的教学内容主要涉及机器人坐标投影和变换、机器人运动学分析（位置、速度、加速度）、机器人轨迹规划、机器人避障控制、机器人跟踪控制等。1.2 教学设计本实践教学过程采用项目教学法，即“任务牵引、教师指导、协作完成、成果验收”的教学过程，旨在培养学生进行系统分析设计、开发与研究的基本能力。每组配备两名指导教师，分别为企业技术导师与学院指导教师。实践题目多为校企合作项目的一个研究模块或教师科研项目的一部分，目的是锻炼学生运用专业知识解决实际问题的能力。按照新工科创新人才培养标准规划教学目标、教学内容和学时分配，按照理论、实践、创新的顺序展开阶梯式教学，达到提升学生知识转化能力和实践创新能力的效果。教研组设计的“专创融合”项目式教学模式如图 1 所示。1.3 评价与考核机器人综合设计课程主要考查学生查找相关参考文献的能力、创新设计方案的研发能力和综合调试能力12-13。该课程成绩的评价分为四个部分，第一部分为平时表现，占总成绩的 20%，主要考查学生出勤情况与设计态度是否端正；第二部分为仿真与实物调试结果，占总成绩的 30%，主要考查学生是否完成设计目标、团队协作效果与作品创新功能设计等；第三部分为答辩质疑，占总成绩的 30%，主要考查学生回答教师提出关于设计过程、作品运行问题情况；第四部分为成果，占总成绩的 20%，主要考查报告内容是否齐全，格式是否规范。2项目式教学实践2019 级自动化专业在 2021-2022 第二学期开设机器人综合设计课程，该课程共设置了 10 个实践方向，主要包括移动机器人运动学模型的建立、移动机器人差值路径规划、移动机器人实时路径规划、移动机器人 PID 控制等。协作小组容量为 4-5 人，根据设计任务要求和时间安排完成模型控制仿真与实物验证环节工作；组内每位学生都要进行质疑答辩，阐述自己在实践中主要完成的工作；同时提交一份完整的成果报告，详细说明实践成果实现的过程、成果的运行效果等。本实践课程以“专创融合”项目式教学模式为指导，不断提升学生自主学习的意识、协作创新的研发能力。本文以“六轴机械臂路径规划”题目为例，简述说明机器人综合设计过程。教师可以在雨课堂平台发布实践任务要求。2.1 运动模型搭建六轴机械臂是多轴机械手臂中最常见的机械臂，其各个关节的分布参照人类的胳膊进行构思。首先，采用 D-H 法建模，给各个关节设定坐标系，六个关节用六个特定的坐标代替，从基底到第一组坐标到六组坐标变换，将它们组合到一起，可以得到整体的变换矩阵。其次，六轴机械臂在空间运动动作很复杂，所以舍去基座的转动关节，对模型进行简化，以便于在平面上进行运动剖析。设计六轴机械臂的逆运动学，目的是决定要达成所需要的姿势设置的关节可活动对象的参数设计过程。2.2 控制模型原理仿真SIMULINK 是 MATLAB 的一个重要组件14，其具有模型仿真、动态系统建模、综合分析等多种功能，因此，选用此组件对六轴机械臂的 PID 控制稳定性进行图 1“专创融合”项目式教学模式-61-教学革新创新创业理论研究与实践 2023 年 3 月第 6 期仿真实验。首先，设计基于 MATLAB/SIMULINK 所做的六轴机械臂仿真系统图，在仿真过程中所用到的元件模块包括 Clock、PID 控制器等；其次，对 PID 控制器的参数 PD 进行调试，P 设置为-1000，D 设置为 P参数的 100 倍，参数调节之后得到运行仿真图，得到末端 x，y，z 方向坐标以及各个关节的运动曲线。最后，学生得到系统 3D 仿真模型，以直观形象地展示 6 个电机转角运动情况。2.3 实物验证创新实践实物验证平台采用以 STM32F103C8T6 单片机为控制核心的六轴机械臂，选择 6V/10A 的开关电源，通过降压稳压模块对舵机供电，搭载 6 路 PWM 舵机接口模块，有效保护舵机等。单片机控制板输出脉冲宽度调制波控制六个舵机的转向和角度，从而实现对六轴机械臂各个关节的控制。其工作过程为：当系统通电后，各个定时器初始化，初始化完成之后，六轴机械臂的六个关节就会进行相对应的动作；PC 与STM32F103C8T6 控制器之间的 USB 接口进行通讯，设置波特率为 115200。3教学反思与总结教研组经过一个学期的实践教学总结，发现在课程建设与改革过程中有效弥补了传统实践学习的缺陷，既充分发挥了学生学习的主体性和自主性，又充分发挥了教师教学的主导性和监控性，具有如下优势：（1）明确学习目标，注重学生创新能力发展。在这种“专创融合”项目式教学模式中，首先，学生突破时间和空间限制，可以对知识体系有完整认知，灵活掌握学习的重点和难点，带着“学什么”的问