基于CBE 理念的工業機器人操作與編程實訓項目設計

祁曉玲

（山西鐵道職業技術學院，山西 太原 030013）

0 引言

隨著機器人技術的飛速發展，工業機器人作為現代制造業的重要自動化裝備在工業生產中的很多領域得到了廣泛應用。在工業機器人技術的開發和應用過程中，技術人才的需求量逐漸增加，高職院校在這方面的人才培養任務也會同步加大。為滿足社會的需求，山西鐵道職業技術學院開設了工業機器人相關課程，并安裝了機器人實訓系統，其中“機器人操作與編程實訓”是機電一體化專業的核心課程，也是實踐性很強的課程，在專業理論運用、實踐操作、綜合應用能力等方面，都發揮著重要作用。

目前，國內工業機器人品牌眾多，產品質量不一，互相不兼容。而且工業機器人價格昂貴，對場地有一定限制[1]。綜上，具體的工業機器人的選擇、建設實訓室成本和對場地的考慮，都是學校面臨的困難。山西鐵道職業技術學院現有不同廠家的幾種工業機器人，數量較少，人人都熟練操作不易實現。作為新開課程，部分教師還缺少相關的教學經驗，不能形成以職業崗位能力為導向的教學方法。實踐教學的教師應該具有相應崗位的職業能力，參與過企業實際操作并積累一定的經驗。但目前真正與實踐對接的專業教學教師仍然較少。因此，依據工業機器人編程操作崗位職責，對工業機器人操作與編程實訓課程進行教學設計和教學方法的研究十分必要。

1 CBE 職教模式

CBE（competency based education）是能力本位教育的簡稱，是指圍繞職業工作崗位所要求的知識、技能和能力組織課程與教學的教學體系[2]。其教學目標明確，針對性強，能最大限度地使受教育者具備將來從事某種工作所應有的綜合能力。CBE 強調的是學生的自我學習，并將學生的實踐技能鍛煉放在首位，教師在整個教學過程起到組織指導監督的作用[3]。

“工業機器人操作與編程實訓”課程的開發或編寫需要人員應具有較深的學科造詣和豐富的教學實踐經驗，有改革創新精神;對工業機器人操作與編程實訓的現狀及改革發展趨勢有深入的分析和研究。了解學生身心發展的特點，熟悉教材編寫的一般規律和編寫業務，文字表達能力強。

隨著機器人技術的不斷發展以及相關產品使用，傳統的以知識為導向的教育模式已經不能滿足工業機器人應用技術的發展現狀。因此，將CBE 教育模式應用于工業機器人職業教育，對于提高教育教學質量以及畢業生走向工作崗位能盡快都具有積極的作用。

2 工業機器人操作與編程課程實訓項目開發

職業教育本身是為了培養具有一定專業知識的全面發展型人才，但目前很多學校對相關行業的實際需求了解并不充分，理論課程與實踐教學脫節現象仍然比較普遍，從而使得初次進入職場的學生難以把握方向。所以在實訓教學模式上，將比較抽象的理論知識與實際生產結合起來，對培養適合社會發展需要的人才十分必要。職業教育不僅要傳授知識，還要培養學生操作技能，所以學生的職業能力體現是檢驗教學質量的重要標準。

目前企業對工業機器人的人才需求分為操作維護、應用設計與銷售3 個主要專業方向[4]。工作崗位對應的職業能力要求具體見表1。

表1 工業機器人人才崗位需求及職業能力要求

在CBE 教育模式下，根據職業能力要求，轉化成模塊化的課程。工業機器人編程與操作的實訓教學根據三種技術崗位的職業技能需求進行實訓項目的開發。三種崗位分別對應基礎操作模塊、虛擬仿真模塊以及實訓任務匯報展示模塊等三部分學習內容[5]。根據學生自身理解能力和實踐能力的差異，開發出不同要求的模塊化課程，可以達到不同學生能力、素質和個性化的培養。

2.1 基礎操作模塊

該模塊主要是通過現場實物學習工業機器人，包括對工業機器人結構的認知，了解機器人及工作站的操作安全注意事項、手動操作、示教編程等。

該實訓模塊的設計主要是使學生能夠根據任務自主思考編程動作，手動操縱機器人，通過工業機器人示教器示教、編程和再現能夠實現機器人動作，滿足實訓任務要求。并且要求在手動和自動2 種模式下，機器人都能夠順利完成任務。通過該模塊的學習，學生能夠熟悉機器人結構，熟練操縱機器人，掌握編程與操作結合的重要性，可以提高學生的動手能力和綜合應用能力。

2.2 虛擬仿真模塊

該模塊是基于Robotstudio 軟件的虛擬仿真，主要包括掌握ABB 機器人坐標系的建立方法、機器人常用指令、I/O 配置及使用、程序與數據的建立等。

該實訓模塊可以使學生進一步理解和掌握機器人編程知識，通過自主選擇工業機器人型號、搭建外圍設備、建立信號連接、使用虛擬示教器進行編程等一系列步驟，讓機器人完成特定的工作任務。實訓過程中可以設置任務的難易程度，學生量力而行，該模塊可以讓學生了解機器人工作站的完整構成，以及工作任務的具體設計，可以鍛煉學生對軟件的應用能力和學生編程的標準化思想。

2.3 實訓任務匯報展示模塊

該模塊內容主要是通過多媒體、微課視頻等多種形式，將機器人理論知識、實際操作、離線編程相融合，并通過現場講解工業機器人基本操作、虛擬仿真、實訓中遇到的實際問題、解決辦法以及通過這次實訓的心得體會等，進一步提高了機器人的應用能力。該模塊設計的目的是樹立學生的概括總結思想，理解能力、綜合表達能力、團隊協作能力。模塊具體任務見表2。

表2 工業機器人操作與編程實訓內容設計

3 工業機器人技術實訓模塊的具體實施

以“搬運機器人系統的應用”實訓項目中基礎操作模塊為例，進行了“教、學、做、賽”一體化的教學設計。

3.1 任務描述

搬運機器人是指在環境惡劣的情況下，采用自動化水平代替人工效率低下，勞動強度大的一些工作，從而降低生產成本和一些安全風險。

本任務是在老師的指導下，將搬運過程進行現場操作，采用的設備是機器人IRB12，要求學生完成以下任務：

3.1.1 工業機器人工作臺調整

通過操作工業機器人示教操作，使工業機器人分別沿X 軸、Y 軸運動，調整皮帶工作臺位置，使工作臺與工業機器人相對位置正確，并固定工作臺。

3.1.2 工業機器人示教編程

（1）通過工業機器人示教器示教、編程和再現能夠實現拿起輪轂夾爪。抓起夾爪動作路徑符合機器人抓起動作一般規范。

（2）通過工業機器人示教器示教、編程和再現在（1）的基礎下，實現將1 號料倉的輪轂抓起后放置在要求位置上。要求放置動作路徑符合機器人放置動作一般規范。

（3）通過工業機器人示教器示教、編程和再現，實現連續執行編程動作（2），自動拿起輪轂夾爪，將1 號料倉的輪轂抓起后放置在要求位置。

3.2 教、學、做、賽一體化教學模式

CBE 的教育模式必須以職業能力培養為主，在職業教育的過程中除了傳統的教育學習，必須注重實踐能力的培養。

“教”是以培養學生的動手實踐能力為目標，以教師為主體，以學生為主導，組織形式多樣、易于實施的教學活動[6]。教師通過深入企業調查研究，以職業分析為導向制定相應的人才培養方案，設置模塊化的課程，除了教授學生必備的專業基礎知識外，教學過程中要注重學生技能的培養，提升學生的專業技能。教師在實訓過程中起到引導、監督、控制的作用。本模塊實施過程中教師根據任務引導學生思考工業機器人操作的步驟及注意事項，討論方案的可行性和優化性，對操作過程中的每個環節嚴格跟蹤，遇到困難之處老師要給出示范，保證學生的安全，對存在的問題及時解決。

“學”與傳統的學習不同，通過小組競爭的教學，激發每個同學的參與意識和競爭意識，同時提高學習的成就感和獲得感。同時應用現代信息化教學手段，學生可以借助網絡自行搜集相關資料，自主學習。以2019 級機電一體化一個班學生為例，一個班有三十多個學生，分成六組進行。學校工業機器人資源有限，學生可分段完成不同任務。CBE 教育理念以學生的自我學習為中心，根據具體的實訓任務，各小組自己制定學習計劃。學習方式和時間分配。本模塊中學生分組討論提出工業機器人運行最優方法和路徑，如何快速準確的拿起輪轂夾爪，不僅考驗學生操作過程中的細心耐心程度，還考驗學生對系統功能的全面掌握。

“做”是指在實訓教學體系方面，注重實訓技能的培養，精簡理論課時，強調實用性。積極引導學生多參與技能實訓，變被動為主動，大大提高了學習成效。這不僅可以讓學生提前感受真實生產環境，熟悉工作崗位所應掌握的知識和技能，也可以通過實訓發掘優秀學生，為學生參加技能競賽以及進入企業頂崗實習做好準備。本模塊重點是現場實際操作，機電一體化專業的學生以男生為主，在保證安全的前提下，大部分同學都能夠勇于嘗試，并且熟練操作的同學會積極的指導其他同學，每人在操作時會出現不同的狀況，小組成員共同協商，找出解決辦法。通過協作學習和指導學習的方式，掌握了該模塊所需的知識和技能，進一步提高了學生學習積極性和團隊協作能力。

“賽”不僅指參加學院職業周比賽和各級各類技能競賽，也指按比賽的要求嚴格要求學生，培養學生的團隊協作能力和創新能力。近兩年，學院指導老師帶領學生參加省級國家級機器人競賽，積累了一定的經驗，獲得了令人欣慰的成績。本模塊中，根據工業機器人抓起和放置物塊動作規范嚴格要求，在操作、行為以及認知上形成規范的職業習慣和職業意識。遇到問題小組成員共同商討解決，取得成績一起分享收獲，培養了學生的個人與團隊意識，進一步培育了學生的職業素養。

3.3 教學評價

在模塊任務實施過程中，教師對學生各個小組掌握知識、技能運用以及創新能力等方面進行客觀詳細的記錄，并能夠現場給予評價[7]。小組講解完畢后對組員整體表現和成績做出綜合性的分析，對運用知識點較好的同學給予表揚，總結出學生學習的難點，并及時加強指導。本模塊實施過程中，老師需要詳細記錄下每位學生操作過程中的表現，并根據任務中每個動作的執行情況給予相應的分數，讓學生們發現自己需要改進的地方，樹立學生的工作意識。

4 結語

《中國制造2025》明確提出，十大重點發展領域包括機器人和高檔數控機床等[8]。工業機器人大規模應用的趨勢已經非常明顯，社會對工業機器人應用技術人才的需求不斷增加。通過對CBE 教育模式進行分析，提出了基于CBE 理念的工業機器人操作與編程實訓項目的模塊化設計，基于企業對人才的需求，采用了“教、學、做、賽一體化”的教學機制，在保證較高培養質量的同時，可以有效加快培養出適應相關行業應用型人才，同時此教育模式的改革也在專業建設上取得了顯著成果。