高職院校工業機器人操作與編程課程建設探索

劉俊杰 張新星

【摘 要】在“工業機器人操作與運維職業技能等級證書”的背景下，針對工業機器人操作與編程課程，分析在教學過程中存在的相關問題，從設備、師資、課程與學生角度提出多項教學改革方案，從而提高課程教學質量與學生學習效率。

【關鍵詞】工業機器人;課程建設;過程考核;學生社團

隨著工業自動化的普及，工業機器人作為終端設備，在中國制造業的升級中扮演著極其重要的角色。政府已經多次出臺政策用以促進我國工業機器人發展，如國務院提出的《中國制造2025》中明確了工業機器人是未來制造產業發展升級的重中之重。我國的制造業會逐步普及智能化，其中工業機器人將大量應用于關鍵崗位中。為滿足企業對機器人操作與編程方面的用人需求，各高職院校紛紛開設了工業機器人專業及相關課程。

一、教學過程中存在的相關問題

我校的工業機器人操作與編程課程是在“工業機器人操作與運維職業技能等級證書”的背景下開展建設的，貼近實際的工業用人需求。但由于軟硬件條件的不足，在教學過程中仍然存在以下幾個問題。

1、實訓條件不足

工業機器人存在價格昂貴，購置成本高的特點。另外，工業機器人尺寸較大，放置空間也是需要考慮的問題之一。在實訓室條件緊缺的情況下，如何放置多臺工業機器人及其外圍設備是實訓室建設不可避免的考慮因素。此外，機器人的品種繁多，僅僅從應用最廣的品牌上來說就有四大家族可以選擇，而每個家族都存在許多型號可以選擇。在資金投入大，實訓室不足的情況下，如何選擇適合既教學又貼近工業應用，既投入小又利用率高的工業機器人是不得不考慮的問題。

2、師資力量缺乏

教師的實操技能不足是當前面臨的另一個問題，雖然相關授課教師擁有機器人方向的碩士學歷，但過去主要研究的是更為細節的內容，如機器視覺理論、機器人控制理論等。對于工業機器人的編程及工業應用經驗相對匱乏，造成自身儲備難以滿足授課需求，授課內容缺乏實踐經驗支撐，過多地講解理論知識則難以激發學生的興趣。

3、課程設計及考核方式有待改進

過去的工業機器人操作與編程課程設計偏重理論知識，實操內容較少，主要是以開拓學生的眼界，增長學生的見識為目的的專業選修課。授課的方式較為陳舊，授課的內容也偏重理論學習。考核方式由平時成績與期末筆試組成，形式較為單一。而隨著工業機器人的廣泛應用，面對機器換人的發展趨勢，以及學生考取“工業機器人操作與運維職業技能等級證書”的實際需求，過去的授課方式以及單一的理論考試已經不再適用于當前的教學環境，工業機器人課程體系的重新設計及建設是迫在眉睫的工程。

4、學生理論基礎薄弱

工業機器人是近幾十年機電一體化技術迅猛發展的成果，其將傳統的機械工程、控制工程、計算機技術融為一體，具有綜合性強、學習難度大的的特點。根據專業課程體系的安排，前期會先學習一系列的核心課程如機械設計基礎、電子電工、可編程序控制器等相關課程，但每門課程都會有一部分學生的掌握情況不夠理想，尤其是對于高職院校的學生來說此類情況更為常見。對于前期課程掌握較為薄弱的學生來說，后續的機器人相關理論課程的學習就是較為困難的環節。

5、學生學習熱情不足

由于課程難度大、綜合性強等原因，工業機器人的相關課程開設的時間較晚，一般是在大二下學期。此階段總課程減少，此外臨近大三的高職頂崗實踐，學生普遍存在迷茫、厭學等特點。如何激發學生的學習熱情是課程建設的重難點之一。

二、課程建設的相關措施

針對上述的若干問題，綜合學校相關情況，本文提出了以下幾點解決措施：

1、采購適用設備，改善實訓條件

采購品牌主要考慮FANUC和ABB，這兩類品牌屬于工業機器人四大家族，具有成熟的技術及可靠的質量，且在高校中應用廣泛，網絡上有較多的資源可供參考，便于教師教學與學生學習。在采購設備時以小型工業機器人為主，如FANUC的200id或ABB的120，這兩種型號的工業機器人具有成本低，體積小的優勢，便于大量購買及實訓場地布置，并且編程方式與大中型工業機器人沒有什么不同，區別僅在負載能力。

此外，此類小型工業機器人本體便于與原有的自動化生產線設備配合使用，有利于后續自動化生產線與工業機器人協同工作的課程開發與相關競賽使用。

除了購買相應的工業機器人本體，在工業機器人實訓室引入相關的仿真軟件也是緩解實訓條件不足的有效措施。Roboguide與RobotStudio分別是FANUC和ABB公司提供的仿真軟件，其編程方法與指令與相應工業機器人完全一致。學生在仿真軟件上先完成教師布置的任務后再完成實體編程，可使相關問題提早暴露，避免學生直接實操錯誤造成設備損壞，并能有效縮短人均設備使用時間，緩解設備使用壓力。此外機械結構、電氣結構部分的內容還可以采用VR設備教學。

將機器人本體與仿真軟件結合使用，在教學過程中充分利用二者的優勢。利用仿真軟件彌補實訓室設備不足、功能單一等缺陷，激發學生的創造力、想象力;利用機器人本體彌補軟件仿真不夠直觀的缺陷，培養學生嚴謹認真的操作意識。

2、利用校外資源，緩解師資壓力

針對授課教師理論知識豐富而實踐操作經驗不足的問題，應該積極聯系校外相關企業，尋求教師頂崗與合作機會。爭取授課教師都有在一線頂崗實踐的經歷，理論知識結合實踐經驗，并將相關經歷沉淀積累，轉化成為教學資源。此外還應該在頂崗實踐中深入了解企業需求及機器人領域發展動向，將這些內容融入到工業機器人相關課程的教學大綱及實訓室建設意見里。此外具有較強理論知識的授課教師還能幫企業解決相關問題，深度強化校企合作。

除了校外企業的資源外，師資力量的緩解還可以通過聘請相關培訓機構的工程師作為外聘教師來解決，如指南車、哈工海渡等專業機器人培訓機構。這些機構是國內較早從事機器人教育的培訓機構，具有成熟的教學體系及豐富的教學資源，其內部的講師都是具有多年實踐經驗的工程師。通過聘請這些工程師作為外聘教師，一方面可以有效緩解師資壓力;另一方面，本校教師通過觀摩他們的教學過程、探討他們的教學大綱、消化吸收他們的教學資源，兼容并包，取長補短，能夠有效地完善工業機器人課程建設，促進本校工業機器人專業的快速發展。

3、改革教學體系，豐富考核方式

根據工業機器人操作與運維職業技能等級標準以及學校基本教學條件，將基礎教學內容分為7大模塊，分別是：操作安全保護、安裝、操作與示教編程、數據備份及恢復、系統維護、校對與調試、系統故障診斷及處理。以這7大模塊為基礎，制作相關的教學資料庫，并上傳到MOOC平臺上供學生學習參考。

除了以上基本的7大模塊內容外，另將工業機器人在搬運、碼垛、焊接、裝配等方面的應用，結合電子電工、單片機、PLC、液壓與氣動、自動化生產線課程的相關內容，在MOOC平臺上制作成各個獨立的實踐模塊。在這些實踐模塊的學習過程中，始終貫穿著職業技能等級標準的要求，并及時復習回顧相關的模塊內容。

以“項目導向，任務驅動”理念為指導，落實過程考核的考核方式，將工業機器人的學習過程模塊化，在教學中嵌入過程考核。充分利用MOOC平臺，引導學生在課前完成自學工作，讓其帶著一定的問題來學習。學生在上課操作時如有困難可以在平臺上輕松找到相關的教學文檔與視頻。在課后于平臺上設置相關的討論、練習題，加深學生學習后的理解。最后針對學生的平臺學習情況以及課程實踐情況進行綜合評分。

4、調整教學內容，聯系新舊知識

在引入合適的工業機器人教材以后，綜合討論教學內容，減少數學推導知識，增加實踐的相關背景知識，注重理論與實踐相結合。針對學生理論基礎薄弱的特點，在進入工業機器人課程學習以前先安排幾次先導課程，回顧過去學過的相關基礎課程如機械設計基礎、電子電工、可編程序控制器等，并以工業機器人應用中的實際案例向學生介紹這些課程究竟用在哪里，處于工業機器人學習的什么地位，若是遇到某種問題需要解決應該回去復習哪方面內容的知識。并在工業機器人后續的課程設計中注重新內容與基礎課程知識之間的聯系，如在上新課前布置一些任務讓學生復習過去學過的知識，課上設置問題點撥學生聯系舊知識來解答，課后設置一部分主觀作業讓學生查閱資料開拓眼界。使學生明白工業機器人是一門綜合性極強的課程，過去學過的課程并不是毫無用處的，而是貫穿于工業機器人乃至機電工業的方方面面，以此來培養學生“溫故而知新”的意識。

5、豐富教學資源，激發學生興趣

授課教師在上工業機器人理論課程時，在課程中加入工業機器人相關的前沿科技的介紹視頻，激發學生的學習興趣。在上實踐課程時，穿插講解生產線上易被工業機器人替代的步驟或環節，引導學生思考如何在生產中使用工業機器人。

此外，這些關于工業機器人前沿科技信息的引入會增強學生的專業學習意識。讓學生意識到，未來機器人會在許多崗位上替代人類，畢業后會遇到更多的就業壓力，因此學好工業機器人的課程是十分有益于自身發展的。

6、組織學生社團，營造學習氛圍

鼓勵學生組建機器人社團，可以充分激發學生學習工業機器人的積極性，有效利用好學生的課余時間。在不影響學生正常生活和學習的情況下，開展各項有益于學生自身發展的活動，使學生自主管理能力得到提升、課余生活得到豐富。

機器人社團可以舉辦諸如機器人實操競賽、工業機器人知識競賽及工業機器人學習互助等活動。通過學生社團組織的這些活動，社團的學生理論與實踐能力都能獲得極大提升。此外各學生之間可以集體討論教師課上的內容，針對課程中出現的重難點，通過學習成績好的學生帶領學習成績差的學生進步，不僅可以解決成績較差同學的問題，也可以增強優秀學生的表達能力，利于其今后參與相關比賽。另外，教師也可定期參加學生的社團活動，不僅利于學生的專業學習，還能與學生溝通交流、增進師生感情。

三、結論

本文總結了我校工業機器人操作與編程課程存在的相關問題，并從設備、師資、課程與學生角度提出了相應的課程建設措施。通過這些措施的實施來提高學生的學習積極性與主觀能動性，努力滿足工業機器人本體制造、基礎、應用企業對從業人員的需求。

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（作者單位：衢州職業技術學院）