CDIO导向的工业机器人安装与调试课程实践教学改革

2022-09-11

一、实践教学中存在的问题和现状

工业机器人安装与调试课程是工业机器人技术专业一门实践性很强的理实一体化课程, 为本专业的一门核心课程。但工业机器人专业是一个高职院校的新兴专业, 发展时间短, 还存在诸多问题, 如: (1) 人才培养计划、课程教学大纲、课程教案、教材等教学资料不够完善; (2) 缺少理论与实践教学质量评价体系; (3) 对适应本教学团队的教师和管理人员选拔与培养力度不够, 教师的科研积极性及其科研水平有待提高; (4) 实训基地建设不够规范; (5) 校企深度合作力度不够深入。[1]

CDIO代表构思 (conceive) 、设计 (design) 、实施 (implement) 和运行 (operate) 。本文基于CDIO工程教育和实践教育改革, 按照CDIO的理念、教学大纲和标准, 根据工业机器人技术专业毕业学生需掌握的知识、能力和素质要求, 提出了一个新的工业机器人安装与调试实践课程体系。

二、基于CDIO的工业机器人安装与调试实践教学体系

(一) 工业机器人安装与调试课程与CDIO思想的关系

工业机器人安装与调试课程对应的岗位工种主要有3个, 即:工业机器人操作应用岗位、工业机器人设计研发岗位、工业机器人维修保养岗位。该课程自身就是一个工程项目, 需要运用工程技术手段对工业机器人进行系统分析与设计、部件选配与调试、控制程序编制、操作使用、维护维修等。该课程用到了工业企业生产中自动控制技术、计算机技术、传感器技术、人工智能、电子技术和机械工程等多种技术, 为了完成这一工程项目, 本课程独立设置了实践性教学环节, 每个环节都制订了详细的考核目标和方案, 各个实践教学环节都以专业核心课程和相应的选修课程之间知识点的相互联系为原则, 强调基于项目的实验构思、设计、实现、运作, 让课程实验真正起到“亲身经历与感受”的作用。

(二) 构建CDIO实践教学体系

根据实践教学体系的关键要素, 为使工业机器人专业学生工程能力和素养得到全面提升, 我们通过对接工业机器人专业的实际职业岗位, 基于CDIO工程教育理念提出了“一个理念、两个指导、三级任务”的实践教学体系[3]。一个理念:即把CDIO工程化能力培养贯穿整个课程教学。把CDIO作为工程教育的环境背景, 建立一个清晰、完整、系统和详细的工程教育理念。两个指导:即每个学生团队有两个导师, 即大学教师和企业工程师。在实践教学中以企业工程师的岗位培训和大学教师的专业理论为指导, 将工程基础知识, 个人能力, 沟通技巧, 团队合作能力以及系统工程的教育与综合性项目相结合。三级任务:是指把教学实验设计成若干个具体的实际工程项目, 每个工程项目分为3级子任务, 1级任务为工程要求, 2级任务为项目的设计与分析;3级任务才是具体的实验内容和试验项目。

三、课程实践环节的设计

(一) 实践教学内容

本课程的主要实践内容包括机器人结构认识与拆装实验和机器人运动控制两部分。其中结构认识与拆装实验要求学生了解工业机器人的主要组成部分, 同时对机器人主要参数进行测量。运动控制实验要求对平面二自由度机器手进行运动规律的分析, 能验证其运动学方程, 能通过多自由度机器的运动学方程, 对机器人实施点位控制。

新实践课程体系的内容是针对专业人才的, 以学生的个性化发展为中心。以上实践性教学内容和目的是通过对机器人系统的感性认识, 以进一步巩固理论教学内容、加深与扩大教学效果为目标, 最终使学生提高灵活应用专业基础知识的能力。

(二) 实践实训设备

本课程依托的校内实训室有:工业机器人实训室、维修电工装配车间、电力电子与电机拖动实训室、电气控制技术实训室、自动化生产线实训室。实训室工位充足、功能齐全, 为工业机器人安装与调试课程实施一体化教学提供了很好的条件。同时, 所有实训室均采用开放式教学, 课程组教师可以利用这些设备和条件, 根据就业岗位工作内容开发实训项目, 开展应用技术研究。

(三) 实践教学方法

在实践教学设计中, 课程组教师非常重视学生的思维能力、动手能力和创新能力等综合素质的培养。由于机器人编程与操作具有严密的逻辑性和严格的科学性, 所以每个学生在进行机器人设计和制作的过程中, 随时都有可能碰到:设计好了程序, 机器人实际运行却不符合实验要求。这就需要学生之间必须经常和及时地开展互助性、探究性的学习和研究, 不断调整机器人的各项参数和传感器的角度, 直到达到设计要求。合作式的探究性学习是在课堂教学中提高教学效率, 提高教学质量的非常重要的方法之一。为了做到这一点, 采用分小组建团队, 以便同学之间搞好合作和探究性学习, 培养团体合作精神, 解决实施中遇到的实际问题, 还可以发挥团体力量, 不断创新, 从而提高课程教学水平。

四、考核评价方式改革

(一) 考核方式

在课程实践教学的过程中我们发现学生们的学习热情很高, 而且动手的积极性也很高, 很多同学在课余时间到图书馆或者利用互联网查阅资料, 个别学生还主动购买电子元件用于组装机器人, 这让我对学生们的可塑性非常重视。在教学的过程中, 穿插了简单机器人制作的知识, 效果显著。由此, 产生了将这门课程改为“论文/制作+理论成绩+平时表现”的过程考核方式[5]。

对于动手能力强的学生, 可以鼓励他们进行机器人的制作与发明, 说明书和图纸就可以作为最后的作业上交;对于思维活跃、喜欢动脑的学生, 鼓励其利用图书馆、互联网等资源, 做一篇关于机器人的科技论文, 作为期末作业上交。

(二) 评价方式

要评估学生的学习效果必须采用灵活多样的考核方法, 在本课程的教学过程中, 我们很注重课程的评价。为使评价内容和方法体现全面化、多样化等特点, 我们把所有学生分为若干组, 每组的学生自由选择并分配两名导师, 每组成员可以在第一年后通过相互选择重新组合。为了发展学生的组织、管理和协调等方面的能力, 每个学年由每位组员必须轮流担任组长。组长负责制定整组以及组员的学习计划和反馈表, 定期检查完成情况, 还要保存两者的学习记录, 每个项目调试结束由两名导师进行考核, 通过实际项目培养学生的CDIO能力。期末结束时, 可由在校生、教师、职工、校友及工业界等与工程教育的直接相关者对一系列教学效果提出他们的需求, 并请工程教育的直接相关者参与并明确对学生所要求的知识与能力目标, 这样能够最大化找出学生工程化过程中的弱项, 使师生能够及时掌握信息, 进一步工程化实践教学, 获得完整的学习效果。

五、结束语

本文基于机器人工业实际需求和CDIO教学标准, 介绍了基于CDIO导向的工业机器人安装与调试课程实践教学改革方法。该课程的实践体系在教学设计上, 突出职业岗位的基本能力, 以职业岗位技能标准为依据, 以学生为主体, 以就业为导向, 深化课程体系和教学内容改革, 在强调教学改革的今天, 高职教育的职业性、技术性、适应性对于教学模式的改革也提出了更高要求:不仅具有“学习”功能, 还具有“塑造”功能和“激励”功能。通过基于CDIO模式的相对独立的板块式实验教学课程改革的探索, 使我们的学生基本达到企业界要求工程师所需具备的知识、能力和态度, 即:1) 了解工业机器人工程基础、工程设计和工程制造过程;2) 具有工业机器人安装与调试工程实践的背景;3) 具有批判性思维和创造性思维、沟通能力与团队工作能力。

摘要：本文基于机器人工业实际需求, 将CDIO工程教育理念引入到工业机器人安装与调试课程的教学实践中, 提出了“一个理念、两个指导、三级任务”的实践教学体系。实践证明, 新的课程体系不仅可以培养该专业学生的工业机器人软、硬件调试能力和及工程应用能力, 还可以使学生具有在生产一线从事工业机器人及其相关机电设备的安装、编程、调试、运行维护和设备管理的能力。

关键词：CDIO实践,工程教育,人才培养