信息化技術在提高機器人專業教學有效性中的應用

曹魯輝

摘 要：將信息化技術應用于教學是職業教育教學改革的方向。機器人專業是新興專業，本文就信息化技術在機器人專業教學中如何應用、如何推進教學有效性及信息化技術在教學中應用時應注意的問題，提出了一些看法。

關鍵詞：機器人 信息化技術 仿真軟件 工位監控 過程性評價

在《中國制造2025》戰略中，五大工程中的智能制造工程中明確提出要求“關鍵崗位機器人替代”，十大領域中的高檔數控機床和機器人更是重中之重，關系到智能制造強國戰略的實施。目前我國在產業升級中，關鍵崗位機器換人的趨勢越來越明顯，尤其在經濟發達地區人力、土地等成本高漲的背景下，“機器換人”有著廣闊的應用前景，除了節約大量的人力成本外，更是極大地提高了生產效率，保證了產品成品率，實現自動化生產，顯著提高了企業效益。

機器人是新興專業，職業學校機器人專業課程的基本特點是專業比較新穎，涉及許多專業學科，專業基礎知識比較難懂，要求學生具備動手能力和實踐能力。但職業學校的學生學科基礎差，相關專業知識更是不足，更別提機電自動化方面的知識了。而且這些專業知識畢竟難懂，單靠學生在課堂學習，是很難深入理解和掌握的。如果教師結合動畫視頻和動手實踐，通過綜合手段使資源立體化，更直觀地呈現在學生面前，就會對優化改進機器人專業課程教學的有效性起到極大的推動作用。

一、信息化技術在教學中有效性的定義

信息化技術在教學中的有效性主要是指在綜合利用仿真軟件、多媒體、互聯網、視頻動畫等資源前提下，緊密結合當今職業教育發展的需求和特點，為改善和提高理論掌握和實訓技能的教學效果所進行的一種有益嘗試。主要目的是加深學生對相關理論知識的掌握，提升操作技能水平，更好地結合企業用工需求，及時調整企業市場需求，對滿足當今日新月異的個性化定制需求有著極大的借鑒和促進意義。其特點是信息化資源多樣性、豐富性、時效性、立體性。所借助的手段甚至可以是虛擬現實VR等技術，讓學生可以身臨其境地觀看內部結構、近距離觀察原理運動等，從而更有效地掌握專業理論知識和實訓技能。相對于傳統教學和實訓，信息化技術手段提供給學生體驗式學習、自主學習的機會大大增加，通過互動式、團隊合作式的教學方式，增加學生學習的主觀能動性，把要求學生學習變為學生要學習的新模式，增加學習資源的趣味性、可視性、立體性，從而確保學生有更好的學習效率和效果。

目前開設機器人專業的職業學校不是很多，信息化技術在機器人專業教學的應用還在探索階段。本文在應用信息化技術于理論教學與實訓教學中時重點考量兩方面，一是考慮如何利用信息化技術才能促進理論與實踐教學的提升，二是利用信息化技術，不能為了應用而應用，一切都要以教學效果為導向，以學生切實掌握理論和技能為目標，希望在信息技術應用于機器人專業方面為同行提供新的教學思路。

二、信息化技術在機器人專業教學的應用策略

機器人專業技術集中了機械、電子、計算機、自動控制及人工智能等多學科的最新研究成果，代表了機電一體化的最高成就。因此在職業學校專業教學中，在大部分中職學生專業基礎理論薄弱、相關學科知識不全面，以及學校專業教師不足、實訓設備不足、資源不足的情況下，如何有效整合相關學科資源、如何深度理解機器人相關邏輯運算和機器人應用、如何結合當前現場運用經驗有效推進機器人專業教學，使學生通過現場教學和理論學習達到企業用工要求和社會要求就成為教師面臨的難點。以下筆者將結合自己在教學中的實際經驗，從信息化技術應用的四個方面入手，闡述在機器人理論和實訓教學中如何破解這些困境，為其他同行提供參考。

1.運用RobotArt仿真軟件

近些年，隨著智能制造和高端裝備制造業的推進，工業機器人不再局限于汽車生產制造和電子裝配等領域，而是越來越多地應用于各種精密制造新興產業、拋光打磨危險傳統行業等。通常工業機器人操作者是利用示教器現場編程，這種編程方式一般用在對軌跡路徑精度要求不高的情況下，具有方便、高效、適應個性化定制等優點。因此，采用示教器編程依然是主要編程方式。

但隨著高端裝備對制造和裝配精度要求的提高，傳統采用示教器編程的方式已不能滿足項目現場的需要。雖然各大機器人公司有自己的離線編程軟件，但都是基于自身品牌和應用開發的，如庫卡的Workvisual、ABB的RobotStudio。

RobotArt利用最新的三維軟件開發技術，結合工業機器人離線編程技術，采用最新拓撲運算技術、形成了機器人離線編程系統，實現實體仿真、模擬、加工提高機器人編程效率，從而可以滿足加工的高精度、個性化定制等需求，同時還可以大幅度提高加工效率和加工質量。

在實際教學中，教師利用仿真軟件可以有效檢測加工中的干涉、位姿調整以及安全防碰撞檢測技術，最大限度地減少實操中安全隱患的發生。同時可以在教學中先讓一部分學生學習仿真軟件，另外一部分學習實際操作，等兩部分學生都已經熟練掌握，再進行交換學習。這種方法可以對教學資源進行最大化利用，又可以使學生仿真和實操能力都得到充分的訓練和學習，提高了學習效率和效益，增加了課堂的容量和質量，為學生進一步學習掌握理論實訓內容奠定了扎實基礎，也為學生將來進入操作項目現場積累了一定的經驗。

2.工位監控

筆者在實際教學中發現，實訓指導教師和實訓設備遠遠不能滿足學生對個性化指導和實際操作時間的需求。同時由于工業機器人在運轉時往往帶有一定安全隱患，尤其是在焊接中，安全隱患更大。為解決在機器人實訓操作中教師人手不足、學生工位較多、無法及時指導監控到位等矛盾，在教學中，筆者對每臺機器人工位都安裝了監控鏡頭，并通過監控視頻軟件建立了中央監控系統，這樣教師就可以實時查看學生的操作情況，指導和規范學生的操作流程，并對學生的不當操作進行及時排查和干預，避免安全事故，減少隱患發生，保證了實訓過程的可控性、學生的實操安全性，提高了課堂的教學質量和效率。

3.立體化資源

筆者在實際教學中，充分利用華航唯實配套工業機器人工作站的學徒寶資源，立體形象地幫助學生獲得直觀解決機器人專業課學習中的難題。學生通過配套教材中每個實訓項目中的二維碼，可以獲得詳細的視頻講解，學習如何操作和完成每個項目。其中利用學徒寶里面的3D虛擬操作讓學生可以在虛擬現實的場景，實現對機器人的虛擬操作，最大限度減少事故隱患的發生。而通過實戰現場項目分析則可以使學生更直觀觀察和學習機器人如何應用于工廠的生產環節，使學生加深理解，建立實踐觀念。

4.過程性評價

為實現對學生在機器人專業課從理論到仿真再到實操的全過程評價，筆者在實施教學中利用MAKA和教學平臺評價系統等分別對理論和實操進行打分。理論部分教師通過知識講解、設計問題、學生答題、平臺提交、自動打分、實時評價，可以直觀看到學生整體作答情況。在學生實際操作機器人部分，教師通過巡視指導、工位監控等手段，運用教學平臺評價系統對學生的安全實操、正確編程規范操作等環節分類打分。最后教師可以綜合理論和實操對學生進行綜合評價，從而實現信息化評價。

利用以上四種信息化技術手段，教師可以有效解決教學中的設備不足、教師人手不足的問題，同時可最大限度地降低事故的發生。豐富的數字化、可視化的教學資源還能比較好地突破教學重點和難點，從而為學生掌握工業機器人的基礎理論、機器人的相關應用打下良好基礎，更為中職生走向社會、快速地適應崗位需求提供強有力的支撐。

三、機器人專業課程信息化教學中應注意的事項

雖然信息化技術在機器人專業教學中有諸多優勢，也是機器人專業教學方式變革的一個方向，但是在實際運用中也有一些特別要注意的地方。

1.在實際教學中注意是否必須要用信息化技術

在進行實訓教學時，教師過多使用信息化技術可能會違背教學的初衷，不能為了信息化而使用信息化技術。在使用信息化技術教學時應充分考慮教學的實際情況，一些實踐性強、需要重復訓練才能達到一定水平的技術操作，就不需要花太多資源制作信息化資源。

2.仿真軟件不能取代實訓操作

機器人專業課程分為兩部分，現場編程和離線編程。現場編程部分會涉及示教器安裝調試、控制柜安裝調試還有機器人本體的零點矯正，這些都必須通過現場操作反復訓練才能掌握。而且進行精度控制和路徑設計，現場情況往往很復雜，單純依靠仿真軟件，現場運用會經常遇到干涉問題，這就要求操作者必須多積累現場操作示教編程的經驗，這些都是仿真軟件代替不了的。雖然仿真軟件可以解決教師人手不足、設備不足等問題，但是現場情況復雜，運用在精密大型等加工時采用仿真離線編程會更合適。

由此可見，在機器人專業教學中，教師在合理地運用信息化技術、充分考慮現場情況的前提下，要實現教學有效性的目標，就要綜合發揮各種信息化技術的優勢，以達到良好效果。

參考文獻：

[1]林燕文，李曙生.工業機器人應用基礎——基于KUKA機器人[M].北京：北京航空航天大學出版社，2016.

[2]馬志敏.工業機器人技術及應用（KUKA）項目化教程[M].北京：化學工業出版社，2017.

（作者單位：廈門市海滄區職業中專學校）