摘? 要 隨著機器人技術(shù)的發(fā)展，機器人已被廣泛應(yīng)用到生產(chǎn)生活中。為了迎合社會發(fā)展對機器人技術(shù)人才的急迫需要，近年來許多高校相繼開展機器人工程專業(yè)的建設(shè)和招生培養(yǎng)工作。因此，針對機器人工程專業(yè)的特點和人才技能要求，分析機器人工程專業(yè)機械原理課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法等問題，具有非常重要的現(xiàn)實意義。

關(guān)鍵詞 機器人工程專業(yè);機械原理;教學(xué)內(nèi)容;教學(xué)方法

中圖分類號：G642.3? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2019）22-0105-03

Discussion on Teaching Methods of Robot Technology Course//LIU Shanzeng

Abstract With the development and application of robot technology，various kinds of robots are widely used in the national economy and social life. In order to meet the urgent needs of robot technicians forsocial development， many colleges and universities have carried out the construction of robot engineering major and student training in recent years. Therefore， it is of great practical significance to analyze the teaching contents and teaching methods of the mechanical prin-ciple course of the robot engineering major based on the characteris-tics of the robot engineering major and the technical requirements of the robot technicians.

Key words robot engineering major; mechanical principles; teaching content; teaching method

1 前言

機器人技術(shù)是一個正在蓬勃發(fā)展的重要學(xué)術(shù)研究領(lǐng)域，也是一項被世界廣泛關(guān)注的應(yīng)用科學(xué)技術(shù)。機器人技術(shù)的研究和應(yīng)用涉及機構(gòu)學(xué)、機械動力學(xué)、傳感信息技術(shù)、控制理論、計算機、人工智能、仿生學(xué)等廣泛的學(xué)科領(lǐng)域[1]。隨著各種類型或功能的機器人在世界范圍內(nèi)的廣泛應(yīng)用，社會各行業(yè)對機器人技術(shù)人才急迫需求的問題亟待解決[2]?；谇笆鲈颍瑖鴥?nèi)外許多高校相繼開展了新工科機器人工程專業(yè)的建設(shè)和招生培養(yǎng)工作，以及機器人工程專業(yè)相關(guān)課程的設(shè)計和規(guī)劃工作。其中，機械原理課程是機械工程機器人工程專業(yè)的一門專業(yè)主干課程，是機器人技術(shù)專業(yè)后續(xù)專業(yè)課程學(xué)習(xí)的必修課程和極其重要的學(xué)科基礎(chǔ)課。因此，針對機器人工程專業(yè)的特點，開展機械原理課程的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法的研究，具有重要的現(xiàn)實意義[3-4]。

2 教學(xué)內(nèi)容分析

機械原理課程作為國家一級學(xué)科機械工程中機械設(shè)計及理論專業(yè)、機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)、機械電子工程專業(yè)等專業(yè)的一門專業(yè)主干課程，目前一般為60課時左右（包括課堂授課課時和實驗課課時），主要教學(xué)內(nèi)容為機械系統(tǒng)中機構(gòu)的構(gòu)成、機構(gòu)的可動性分析、機構(gòu)的運動分析、機構(gòu)的力分析、機構(gòu)的機械效率、平面連桿機構(gòu)的設(shè)計方法、凸輪機構(gòu)的設(shè)計方法、齒輪機構(gòu)的設(shè)計方法、齒輪系的設(shè)計方法、其他常用機構(gòu)簡介，以及機械的平衡、機械的運轉(zhuǎn)及其速度波動調(diào)節(jié)、機械系統(tǒng)的方案設(shè)計等。

機器人作為一種新型的機械裝置或設(shè)備，其機械結(jié)構(gòu)、單元組成以及運動分析、力分析等的基本原理和方法與其他機械系統(tǒng)沒有本質(zhì)區(qū)別。同時，機器人作為一種特殊的自動化或智能化機械設(shè)備，其機械結(jié)構(gòu)形式、零部件組成、運動分析手段、力分析方法等又顯著區(qū)別于一般機械系統(tǒng)。如在機器人工程專業(yè)課或機器人系統(tǒng)設(shè)計以及畢業(yè)設(shè)計中會廣泛地用到矩陣運算、微分方程分析、三角函數(shù)求解、達朗貝爾原理、拉格朗日方程、牛頓—歐拉動力學(xué)等理論知識，或解析法分析空間運動機器人機構(gòu)的位移、速度、加速度和力分析等問題[5]，而一般在其他機械工程專業(yè)的機械原理課程中的前述教學(xué)內(nèi)容往往較少。因此，為了達到更好的教學(xué)效果，也更好地服務(wù)于如機器人動力學(xué)與控制課程、機器人系統(tǒng)設(shè)計課程等后續(xù)機器人專業(yè)課程的學(xué)習(xí)，有必要對機器人工程專業(yè)機械原理課程的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法進行適當(dāng)調(diào)整。

3 教學(xué)措施

從目前高校機器人工程專業(yè)機械原理課程的課時設(shè)計來看，其總課時（一般為50課時以內(nèi)，包括課堂授課課時和實驗課課時）較機械設(shè)計及理論、機械電子工程等專業(yè)機械原理課程的課時少。因此，根據(jù)《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010—2020年）》《國家中長期人才發(fā)展規(guī)劃綱要（2010—2020）年》、“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”和《中國制造2025》實現(xiàn)制造強國戰(zhàn)略目標的主旨精神，契合國家培養(yǎng)創(chuàng)新能力強、適應(yīng)未來智能技術(shù)發(fā)展的工程技術(shù)人才的現(xiàn)實需要，提出機器人工程專業(yè)機械原理課程的教學(xué)措施。

刪減陳舊知識? 機械原理課程是國家一級學(xué)科機械工程專業(yè)的主干課程，有著悠久的歷史沿襲，也是一門偏理論性的課程。所以，在諸多《機械原理》教材或授課內(nèi)容安排上往往會存在一些較為陳舊的內(nèi)容，或現(xiàn)實機械分析與設(shè)計中早已舍棄的方法，如凸輪機構(gòu)圖解法設(shè)計、機構(gòu)運動或動力分析的圖解法求解等。還有平面連桿機構(gòu)運動分析的瞬心法、平面機構(gòu)的高副低代等內(nèi)容，這些內(nèi)容對于機器人工程專業(yè)的學(xué)習(xí)來講用處不大，所以沒有必要占用太多寶貴的課時時間，在課程教學(xué)時可以舍棄或簡要介紹或安排學(xué)生自學(xué)即可。

壓縮煩冗章節(jié)? 機器人工程專業(yè)學(xué)生的學(xué)習(xí)目標或工作的主要對象是機器人，顯然，在進機械原理課程教學(xué)內(nèi)容設(shè)計時要充分把握這條主線。由于機器人工程專業(yè)是近年剛開設(shè)的新工科專業(yè)，存在《機械原理》教材或教學(xué)內(nèi)容沿用其他相近專業(yè)的情況，且機器人工程專業(yè)機械原理課程的課時又有所壓縮，因此，在機器人系統(tǒng)分析、設(shè)計等學(xué)習(xí)、工作中用得到的重要機械原理知識或方法要多講，反之就應(yīng)少講或略講。如凸輪機構(gòu)、平面四桿機構(gòu)的作圖設(shè)計、蝸輪蝸桿傳動、機械的運轉(zhuǎn)及其速度波動的調(diào)節(jié)等章節(jié)內(nèi)容，都應(yīng)該進行適當(dāng)壓縮或簡化授課。

增添機器人基礎(chǔ)知識? 機器人是人類進入20世紀以來具有代表性的多學(xué)科交叉的邊緣科學(xué)，它包括了機械、電、氣、液、光學(xué)科，以及控制理論、圖像識別、人工智能等廣泛的領(lǐng)域。就機器人系統(tǒng)機械本體的分析和設(shè)計來講，機器人專業(yè)的一些后續(xù)課程如機器人技術(shù)、機器人機械設(shè)計、機器人動力學(xué)分析與控制等，都需要用到高等數(shù)學(xué)、微分方程、數(shù)值分析及現(xiàn)代數(shù)學(xué)知識、理論力學(xué)、分析力學(xué)、矩陣理論等知識，進行機器人機構(gòu)的工作空間、位移、速度、加速度、運動精度、機構(gòu)剛度、運動性能、動態(tài)特性、驅(qū)動力/力矩、運動副反力等的分析研究[6]。為了便于后續(xù)課程的銜接和學(xué)生由淺入深地學(xué)習(xí)，在機械原理課程中適當(dāng)增添相關(guān)前述知識的應(yīng)用分析不失為一種良好途徑。如空間機構(gòu)自由度的計算、并聯(lián)機構(gòu)、柔順機構(gòu)、可重構(gòu)/變胞機構(gòu)、柔性機構(gòu)、欠驅(qū)動/冗余機構(gòu)等，都可以在機械原理課程中引入;平面機構(gòu)運動分析的解析法、凸輪輪廓的解析設(shè)計法、機械系統(tǒng)的動力學(xué)方程的建立及求解等內(nèi)容，都可做適當(dāng)增加講授，以初步引導(dǎo)學(xué)生運用數(shù)學(xué)手段解決機構(gòu)學(xué)問題。也可以直接在機械原理課程中引入一些機器人基礎(chǔ)知識，為學(xué)生后續(xù)課程的學(xué)習(xí)奠定良好基礎(chǔ)。

引入機器人實例? 隨著科學(xué)技術(shù)的進步，機器人技術(shù)也日臻成熟，機器人在工業(yè)制造、資源開發(fā)、環(huán)境監(jiān)測、救災(zāi)排險、醫(yī)療服務(wù)、家庭娛樂、軍事國防和航天航空等領(lǐng)域都得到廣泛應(yīng)用，這些實例機器人為機械原理課程的教學(xué)提供了廣闊的新素材。授課教師可以根據(jù)課堂授課的具體內(nèi)容，選擇能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)主動性和興趣的機器人實例（包括機器人錄像、三維模型和圖片等）進行課堂內(nèi)容的實例分析，通過理論知識與機器人實例相結(jié)合的方式激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，提高教學(xué)質(zhì)量。例如：在講授機構(gòu)自由度計算時，可以引入焊接機器人以及人體手、臂、腿、腰等自由度的計算;在講授機械系統(tǒng)動力學(xué)方程的建立及求解時，可以通過分析平面二自由度繪畫/寫字機器人進行教學(xué)內(nèi)容的闡述分析。

強化實驗與現(xiàn)場教學(xué)? 機械原理的主要內(nèi)容皆是機構(gòu)學(xué)的研究范疇，具有很強的實際工程應(yīng)用背景。機械原理課程則是一門實踐性很強的學(xué)科，課程中的很多內(nèi)容也均來自工程實際或工程經(jīng)驗的總結(jié)，如平面連桿中的曲柄搖桿機構(gòu)、雙搖桿機構(gòu)、曲柄滑塊機構(gòu)、導(dǎo)桿機構(gòu)等，在雷達俯仰的調(diào)整裝置、縫紉機的驅(qū)動裝置、汽車前輪的轉(zhuǎn)向機構(gòu)、汽車發(fā)動機或內(nèi)燃機、牛頭刨機床等機械設(shè)備中存在大量應(yīng)用。因此，在進行機械原理相關(guān)章節(jié)授課時，可以充分利用實驗?zāi)Ｐ汀嶒灥谰呋驅(qū)嶋H工程機械操作等，通過邊演示邊分析邊操作的方式開展教學(xué)，以激發(fā)學(xué)生的求知欲以及實操能力，提升教學(xué)效率。而且，有條件的高等院校也可與相關(guān)企業(yè)開展教學(xué)聯(lián)合基地建設(shè)，在教學(xué)過程中或假期期間進行實際機械設(shè)備的現(xiàn)場教學(xué)或機械操作能力的培養(yǎng)，以達到理論知識與實踐經(jīng)驗的雙提升。

采用啟發(fā)式教學(xué)? 啟發(fā)式教學(xué)是一種創(chuàng)設(shè)問題情境、啟發(fā)學(xué)生思維，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)能力的教學(xué)方法。從大量教學(xué)經(jīng)驗來看，啟發(fā)式教學(xué)是一種比較適合于機械原理課程的授課方法。如通過給出腳踏縫紉機為什么會卡死、搖頭風(fēng)扇如何實現(xiàn)的搖頭、雨傘如何實現(xiàn)的收放等問題，講授平面四桿機構(gòu)及其特性，啟發(fā)學(xué)生思考談?wù)摚偻ㄟ^引導(dǎo)、分析、解答等較好地促使學(xué)生主動思考，并獲取新知識。如前述結(jié)合日常生活中的機械小問題，進行相關(guān)機械原理知識的教學(xué)，對學(xué)生來說也容易理解和接受，可以極大地提升學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動性，從而達到良好的教學(xué)效果。

而且，機械原理課程中的很多知識點看似孤立，其實其中很多基本原理是相通的、一致的，存在必然聯(lián)系。比如壓力角的內(nèi)容，在連桿機構(gòu)、凸輪機構(gòu)、齒輪機構(gòu)等的教學(xué)內(nèi)容中都有涉及，盡管機構(gòu)迥異，但判別各機構(gòu)傳力性能好壞的標準是一樣的，分析或求解各機構(gòu)壓力角的原理方法也是一樣的。在進行凸輪機構(gòu)教學(xué)時，教師根據(jù)學(xué)生已有知識或?qū)嵺`經(jīng)驗（如已學(xué)連桿機構(gòu)壓力角的知識），提出問題（如：平底凸輪機構(gòu)和滾子凸輪機構(gòu)哪種機構(gòu)的傳動平穩(wěn)性好），通過學(xué)生回答或討論的方式，促使學(xué)生積極思考、獲取新知識。總之，啟發(fā)式教學(xué)能夠使機械原理課堂呈現(xiàn)出濃厚的探討氛圍，易于建立師生之間的互動聯(lián)系，可以達到良好的教學(xué)效果。

4 結(jié)語

針對機器人工程專業(yè)的特點，進行機器人工程專業(yè)機械原理課程教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法等問題的分析，提出一些具體教學(xué)措施，以促進國內(nèi)機器人工程專業(yè)機械原理課程教學(xué)效果的改善和課程教改的深入研究。

參考文獻

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