《機器人編程與操作實訓》課程教學改革研究

鄭明輝

（1.山東華宇工學院機械工程學院，山東 德州 253034；2.智能制造裝備設計工程技術研發中心，山東德州253034；3.德州市工業機器人控制重點實驗室，山東 德州 253034）

0 引言

2015年國務院印發了《中國制造2025》，其核心是創新驅動發展，主線是工業化和信息化兩化融合，主攻方向是智能制造，實現由制造大國到制造強國的轉變。在智能制造的背景下機器人得到快速發展，中國已經成為全球最大的工業機器人市場，2016年，工信部制定的我國機器人產業“十三五”規劃，其主要目標就是到2020年，每萬名制造業工人擁有機器人達到100臺以上，這是工信部制定中的我國路線圖及“十三五”規劃的目標。中國工業機器人密度偏度，數量將呈現井噴式增長。機器人行業快速發展導致的人才需求矛盾也越來越突出，既懂理論又能操作的知識型人才非常緊缺，應用型本科院校則承擔起快速培養具有專業技能人才的責任[1-2]。

1 《機器人編程與操作實訓》課程教學存在的主要問題

《機器人編程與操作實訓》是我校機械設計制造及其自動化專業課程體系中的專業實踐課程，在學習《機器人技術》理論課程中間開設的實訓課程。在新工科和智能制造背景下，要培養學生的創新意識和實踐能力，必須要改變目前教學中諸多的問題。

本門課程是我校從2016級機械設計制造及其自動化專業開設的實訓課程，通過2016、2017級教學效果，發現有以下問題：一是實訓設備人均數量偏少，人均實際操作學時不足；二是機器人實驗設備昂貴，實驗中易因操作錯誤造成設備故障、人員受傷，造成教師教學工作中演示講解為主，學生實際操作時間較少；三是實訓內容脫離實際工程應用案例，只注重編程操作訓練，僅能簡單操作機器人，無法與實際應用案例聯系。

我校是應用型本科高校，人才培養目標定位是為應用型、技術技能型人才。緊密圍繞學校人才培養定位和專業特色，結合新工科和智能制造背景，在《機器人編程與操作實訓》課程教學中進行課程教學改革探索，重新構建了以“項目載體、任務驅動”的實訓內容，采用理論講解、虛擬仿真與實際操作三者相結合的教學模式進行課程改革，可以激發學生學習的積極性，才能達到培養的學生的工程應用及實踐操作能力[3-4]。

2 重新構建《機器人編程與操作實訓》課程實訓內容

通過企業、行業、同類院校調研，按照市場用人需求和崗位能力要求，從知識、能力、素質幾個方面進行體系化的課程內容優化，重新架構實訓內容，實訓內容建設遵循“高階性、創新性、挑戰度”，即“兩性一度”標準，并融入課程思政內容。實訓項目內容緊密結合行業和企業需求，貼合企業實際崗位能力要求，課程內容以“夠用、實用、應用”為原則，基于項目載體、任務驅動。實訓內容主要分為三個項目，項目一工業機器人搬運應用仿真，項目二工業機器人焊接應用仿真，項目三復雜工作站的仿真，包括復雜搬運工作站和打磨工作站。實訓內容以工業機器人典型工作站為項目載體，將專業理論、核心操作技能、職業素養培養等內容貫穿整個課程項目實訓內容。從機器人編程理論知識講解，RoboDK虛擬仿真操作，到工業機器人模擬訓練機或焊接、弧焊工作站實際操作。使學生熟悉機器人技術的應用，了解工業機器人仿真應用技術，掌握機器人的機械機構、運動分析、控制系統，掌握典型工業機器人的基本編程和操作知識。培養學生對新知識、新技能的學習能力與創新能力，培養學生在機器人編程方面具備分析與解決問題的能力，培養學生在機器人操作方面具有一定的動手能力。

3 進行“理虛實一體化”的課程教學設計

3.1 虛擬仿真軟件RoboDK

“理虛實一體化”教學是在理論講授機器人編程與操作理論知識的同時引入計算機虛擬仿真軟件RoboDK，RoboDK是專為機器人教學實訓以及機器人應用離線編程打造的機器人虛擬仿真軟件，支持ABB、KUKA、Fanuc、安川等多種品牌機器人的離線仿真。以虛擬仿真操作加深知識理解，并在熟練后在工業機器人模擬訓練機上對ABB、KUKA、FANUC、安川等多種品牌工業機器人進行真實示教編程訓練或者在工業機器人工作站實操訓練，最后強化理論與實踐的聯系。

3.2 教學設計

對接機器人相關崗位典型工作任務和工作過程，結合職業成長規律和教育教學規律，構建“理論學習+虛擬仿真+實際操作”的理虛實一體化螺旋式教學模式[5]。借助超星學習通自建在線課程和虛擬仿真軟件RoboDK，運用“一平三端”智慧教學系統，涵蓋課前、課中、課后的日常教學全過程，融合教室端、移動端、管理端各類教學應用于一體的信息化教學，通過課前提前將教學資源、任務下發；課中在機器人編程與操作實訓室進行理論講解，虛擬仿真操作，熟練的情況下才可以在老師的指導下上機操作；課后要求學生提交每個項目作業，歸納總結虛擬、實操問題，和老師討論交流。最終實現將理論知識，虛擬仿真和實際操作相互促進、融為一體，實現課程教學目標。

3.3 項目案例

以工業機器人焊接應用案列為例，要求學生完成創建坐標系、示教目標點、創建焊接程序、清槍程序、主程序等工作，最終實現整個焊接工作。課前通過學習通如圖1所示將視頻、PPT課件、教案等發放給學生們，讓學生們了解到本節課的學習任務。課中在機器人編程與操作實訓室，在工業機器人模擬訓練機上通過RoboDK仿真軟件和真實的示教器構建機器人焊接工作站、機器人焊接應用的仿真編程、導出仿真及離線程序如圖2所示。老師向學生介紹機器人焊接工作站基本組成和本案例中的兩部分焊接軌跡。焊接工作站的流程是：開始、工業機器人回到初始位置、機器人焊接程序1、機器人焊接程序2、工業機器人回到初始位置、機器人清槍程序、工業機器人回到初始位置、結束。本案例機器人焊接應用仿真程序主要包括機器人焊接程序和機器人清槍程序，最后用一個機器人主程序調用機器人焊接程序和機器人清槍程序，完成焊接應用仿真。老師講解工作站相關理論知識和工作站任務，學生們以小組為單元完成仿真任務。如果小組熟練快速完成焊接工作站的任務，在教師的指導下在真實的焊接工作站下如圖3完成坐標系的創建、示教目標點、程序創建等工作步驟，最終實現工業機器人焊接任務工作。課后，通過學習通提交實操作業虛擬工作站模型及程序，在學習通互動討論區創建話題討論項目過程中的問題及總結，學習通的統計功能也能實現對學生的實時監測。通過理虛實一體化的項目教學改革，明顯體現了學生的機器人編程及操作能力，也減少了真實編程操作中的問題。

圖1 學習通課程資源

圖2 工業機器人虛擬焊接工作站

圖3 工業機器人真實焊接工作站

4 教學方法改革

本實訓課程進行理論講解、虛擬仿真與實際操作三者相結合的“理虛實一體化”教學模式改革，采用項目載體、任務驅動的教學方法，重新設計了三個實訓項目，學生分組完成項目任務，以完成實訓項目和學習任務轉化為學生內在的學習驅動力，強調學生的主體地位，老師只作為輔助和指導角色，實現以學生為中心的教學理念。本課程也實現了線上線下混合式教學，在學習通上建設線上教學資源，包括線上教學視頻、課件、作業等資源，實現了課前教學資源、項目任務下發，學生自主學習；課中分組實訓強化學習；課下總結、線上互動交流，拓展學習。線上線下的融合，能提高老師的課堂教學效率與教學質量。通過項目式教學、線上線下混合式教學方法改革實現了在學中做、做中學，強化了理論知識的學習，提升了學生的實踐動手能力。

5 需解決的問題

機器人實驗室的進一步完善。在“職教20條”下，“1+X”工業機器人應用編程等職業技能等級證書要求對職業技能等級標準內容與課程進行高度融合。應該進一步購買實驗室設備，提高機器人應用編程操作等技巧，為“1+X”工業機器人應用編程等職業技能等級證書考取打下堅實的基礎。

教師教學能力的進一步提升。“理虛實一體化”教學模式下對于教師的教學能力要求更高了，實訓課教師暫時無法適應新的教學模式。以前教師只要“能講解實訓專業知識，能動手操作實驗設備”就能開展實訓教學，然而在新的教學模式下，不僅要求要具備基本的教學能力，還要不斷與時倶進，提高自身的教育技術能力和教學信息化水平，才能有效提升線上課程教學質量[6]。

6 小結

通過對本課程教學探索與實踐，重新架構的實訓內容，緊密結合行業和企業需求，貼合企業實際崗位能力要求，解決了課程教學脫離實際工程背景的問題。采用“理虛實一體化”教學模式，解決因實驗設備昂貴且數量少，實驗中易因操作錯誤造成設備故障、人員受傷，人均實際操作學時不足的問題。實現了在學中做、做中學，能夠革新教學模式，改善教學質量，提升了學生的實操能力，能為機器人相關領域培養更多高素質的復合型應用型人才。