虛實一體化工業機器人仿真課程開發與實踐＊

朱強，張宇，張冰潔，康國坡

（廣東開放大學機器人學院，廣東 廣州 510091）

工業機器人專業是最近幾年隨著中國制造業產業升級對機器人人才需求而開設的一個新專業，截至2020 年，全國已經超過700 所高職院校成功申報了工業機器人技術專業，專業開設較早的院校，已經有幾屆畢業生進入勞動力市場[1]。

工業機器人專業主要培養能勝任工業機器人操作編程，工業機器人安裝調試，自動化生產線安裝、調試和維護工作任務的技術技能型人才[2]。各個高職高專院校為了培養能適應社會需求的合格人才，在設計人才培養方案時都有大量的實訓教學學時，學生在畢業前需要經過大量的機器人操作實訓才能滿足畢業要求。

由于工業機器人及配套實訓設備動輒幾十萬上百萬一套，并且實訓中機器人設備容易發生故障和損耗，許多院校采用離線仿真軟件學習機器人編程和產線調試，在保證教學內容實施的前提下能大大降低對實體設備的需求，教學取得不錯效果。但是現有的機器人仿真系統多是單臺設備或者是機器人典型應用工作站的仿真訓練，比較少借助OCTOPUZ 虛擬仿真軟件平臺和指尖陀螺智能制造實體產線設計工業機器人仿真虛實一體化課程“智能制造產線仿真與實踐”[3]。

1 課程教學內容設計

智能制造產線系統是新一代信息技術、自動化技術、工業軟件及現代管理思想在制造企業全領域、全流程的系統應用[4]。課程對應的是典型工作崗位——產線規劃設計與仿真工程師崗位，要求員工負責智能工廠/生產線虛擬仿真規劃并驗證工藝流程、布局、設備、節拍的合理性，給出合理化建議；編寫離線程序，使現場設備按照智能工廠理論運行，現實與理論相結合，并現場支持；輸出虛擬仿真相關成果；參與跟蹤項目實施、調試，解決過程中發生的問題，能很好地和客戶及供應商溝通[5]。綜合崗位要求，考慮教學與實踐的可行性、學生理論與實踐基礎、項目完整性，課程教學內容為以一個典型的指尖陀螺產線項目為主體，包括從開始產線規劃設計到最終產品產出的全生產流程，可實現機器人仿真、數控機床仿真、產線仿真及設備聯機、聯調，真實產線和仿真系統如圖1 所示。

圖1 指尖陀螺智能制造真實產線和仿真系統

教學具體內容包括指尖陀螺實體產線仿真、軸承蓋加工制造、旋轉翼加工制造、軸承定位安裝、指尖陀螺裝配、項目總結等，按照先后順序設計成6 個教學項目，每個教學項目又劃分為若干個教學任務，學時分配如圖2 所示。

圖2 “智能制造產線仿真與實踐”教學內容

以項目2 軸承蓋加工單元仿真與優化為例，該項目共12 學時，分為4 個教學任務。第1 個任務是利用前期真實產線生產任務分析與實體測量的建模模型，在仿真系統先把軸承蓋加工單元搭建起來并完成電氣和信號的連接；第2 個任務是在搭建好的仿真加工單元里完成機器人程序的編輯、調試與優化；第3 個任務是分組導出在調試完成的程序，下載到真實產線加工單元上完成實操驗證，觀察程序運行的效果，進一步優化各組的程序；第4 個任務是寫出自己的項目總結和評價。

本門課程的實際教學產線只有一條，如果全部教學過程都在這條產線采用實體設備實操教學，就是單個班級的實訓時間都不能滿足，同時對實體產線造成的損耗也較大。通過分組形式，采用虛實一體化的模式教學，大部分實操都是在仿真系統完成，只有當程序調試完成后才進入產線實操，這樣就可以同時滿足多個教學班的教學需求，又不會影響對學生的技能訓練。當6 個教學任務完成后，學生不僅從仿真系統里完成了從產線規劃到機器人編程再到PLC 聯調，同時也在實體產線驗證了自己編寫的程序，實現了產品生產的全控制過程。

2 課程教學環節實踐

2.1 學情分析

本課程授課對象為工業機器人技術專業二年級學生，學生已具備“PLC 技術與應用”“機械工程CAD”“工業機器人操作與編程”“機器人三維設計”等基礎知識及應用能力。經歷過實訓車間安全教育，具備基本的安全作業意識，但是團隊協作意識仍需提高，還缺乏精益求精、反復求證的工匠精神。學生喜愛動手實操、喜愛探索式學習及討論式學習；討厭枯燥無味的灌輸式理論教和監控式指導；班級個別學生存在學習不積極、沉迷手機游戲的現象。針對上述現象，課程教學增加微視頻指導、細化操作手冊和作業指導書內容，在考核時增加學生互助加分項，鼓勵學生積極交流、幫助他人。

2.2 教學理念

2.2.1 “虛實”一體化

本課程堅持“學生與員工身份合一、學習與工程項目合一、教學與生產場景合一”的理念，構建“虛實”一體化的新型教學模式。以“1＋X”《工業機器人集成應用職業技能等級標準》（中級）為綱，以合作企業引入的智能制造仿真軟件、校企共建的仿真平臺為“虛”，以省級智能制造公共服務平臺為“實”，理虛實結合，實現理論學習、規劃仿真、現場測試的銜接融合。

2.2.2 “課、證、崗、賽”融通

課程對標《高等職業學校工業機器人技術專業教學標準》與“1＋X”《工業機器人集成應用職業技能等級標準》（中級），依托校企合作的指尖陀螺智能制造產線，通過虛擬仿真軟件，完成了以產線仿真工程師崗位為中心的職業培訓。以學生為中心，實現“課、證、崗、賽”融通的課程體系，建立“以賽促教、以賽促學、課證一體、工學融合”機制，提高學生學習興趣與課程質量。

2.3 教學目標

本課程目標使學生具備從事工業機器人集成應用、智能產線規劃仿真及裝調維護工作的基本知識、基本技能，并形成一定的職業能力，教學中有機融入愛國教育、勞動教育、職業道德教育、工匠精神，培養學生立業創業的本領。具體在素質目標方面，學生要具有深厚的愛國情感，有較強的社會責任感和社會參與意識，具有質量意識、安全意識、創新思維、工匠精神和綜合應用能力；在能力目標方面，學生要能根據典型工作任務完成仿真項目，能在離線編程軟件中搭建并仿真智能制造產線系統，能根據工藝要求對集成系統進行聯機調試與優化。

2.4 教學方法

本課程教學過程中，根據課前學情分析以及各項目需要達成的教學目標，靈活運用項目教學法、任務驅動教學法、角色扮演法和小組討論法等用多種教法和學法。例如通過軸承蓋加工單元項目引導師生共同實施一個完整工程項目，通過小組分工方式共同制定計劃，完成項目。每個教學內容分成多個有代表性的教學任務，以完成任務作為教學活動的中心，學生在任務驅動模式下主動探索，相互協作找出完成任務的方法。項目實操任務安排在智能車間實訓室，進行現場教學，給學生制定不同的生產角色，學、練、做相結合，以實例為媒質培養學生解決問題的技能和態度，縮短了理論課堂教學與實際生產應用的距離，極大地提高了教學的針對性和實效性

2.5 教學實踐

本課根據各項任務不同，教學場地分別在教室（理論教學），一體化教室（仿真）及生產車間（實體設備操作），采用企業6S 標準，在教學實施過程中利用圖書館、知網、網絡課程平臺、Solidworks 三維設計軟件、OCTOPUZ 智能制造系統仿真軟件等資源，提升學習效率，拓寬學生獲取知識的途徑。

課程教學實施過程分為課前準備、課中導學和課后拓展3 個階段，思政教育、勞動教育與職業素養貫穿全課程，如圖3 所示。課前準備階段，學生通讀任務書，觀看案例視頻并完成相關測試；課中導學階段，聚焦重難點，以項目任務驅動、案例分析為主，設計各教學環節，進行生生、師生多維問題探討，并進行相關產線仿真與實操練習；課后階段，學生完成仿真拓展練習，鞏固所學內容。通過3 個環節環環相扣使學生從理論提升—分析鞏固—知識深化進行逐步提高。

圖3 教學實施過程

3 課程教學效果

課程利用仿真軟件、視頻、網絡課堂平臺等信息技術手段配合真實的指尖陀螺智能制造產線，以掌握技能為最終目的，逐步引導學生掌握和運用知識技能。通過多種教學方法，課程將真實產線實操、理論學習、虛擬仿真融為一體，以學生為中心，從理論基礎、虛擬仿真、設備實踐3 個維度對指尖陀螺產線進行學習，課程教學取得了良好效果，不僅加深了學生對專業技能和知識的掌握，還提升了學生對課程、專業及未來崗位的興趣與期待。具體教學效果表現為以下3 個方面。

課堂質量好、學生興趣高。采用校企合作方式，融入學生意向選擇教學內容，課堂將任務探究性學習貫穿始終，結合一體化教學，形成了高效的教學實施。授之以魚、授之以漁。課程由教師教授仿真項目相關理論與技能知識，逐漸向學生自己查找信息資料、完成項目規劃仿真等項目相關文件過渡。不僅高效實現了課程知識目標，同時有效提高了學生的學習方法、職業素養與就業能力。勞動教育顯成效，安全教育得鞏固，工匠精神有提高，愛國情懷細入微。在教學設計有效融入勞動教育、安全教育、工匠精神與愛國教育，將國家對高職教育的要求融入教學過程，形成一種培育“工匠精神”的濃厚氛圍。通過在教學中執行利用校企合作，引入企業標準、宣傳愛崗敬業、追求極致的職業精神，加深學生對“工匠精神”的理解，提高“工匠精神”教育的實踐效果。經過教學實踐，在機器人編程比賽和數字孿生比賽中有8 個學生獲得了省市級三等獎以上的成績。

4 結束語

通過虛實一體化教學設計機器人智能制造產線仿真與實踐課程取得預期教學效果，有效重構傳統課堂教學。通過與企業的校企合作真實項目作為支撐，能夠優化教學過程，提高教學效率。教學實踐中，學生先后進行了翻轉課堂、企業工程技術人員、評分與被評分者的角色扮演，從不同的角度和身份，完成了對產線規劃、PLC 控制和機器人編程等相關內容的學習與實踐。結合課程特色，課堂教學中充分融入了課程思政，增強職業認同感，培養愛國主義情懷，踐行社會主義核心價值觀。后期將繼續加強實際案例和典型工作任務的聯系來開發更多的虛實一體化教學項目。