工業(yè)機器人專業(yè)課程理實一體化教學(xué)設(shè)計

顧宇輝 張 蕊

（1.上海工程技術(shù)大學(xué)高職學(xué)院 上海 200437；2.上海市高級技工學(xué)校 上海 200437）

引言

在工業(yè)控制與自動化裝備快速發(fā)展的背景下，我國自動化技術(shù)發(fā)生了翻天覆地的變化。現(xiàn)階段，不論是自行設(shè)計的控制系統(tǒng)，還是國外引進的生產(chǎn)線，都將工業(yè)機器人作為生產(chǎn)系統(tǒng)中的重要器件。而加強工業(yè)機器人專業(yè)的建設(shè)，特別是實踐教學(xué)和理論傳授，能夠培養(yǎng)出契合社會市場經(jīng)濟發(fā)展的綜合型、實踐型、應(yīng)用型的人才，從而推動我國先進制造裝備的快速發(fā)展。

一、當前工業(yè)機器人專業(yè)人才需求分析

隨著智能裝備不斷普及，產(chǎn)業(yè)智能化的不斷提高，越來越多的企業(yè)開始裝備以工業(yè)機器人為基礎(chǔ)的智能設(shè)備，以提高企業(yè)的生產(chǎn)質(zhì)量與經(jīng)濟效益。從前企業(yè)只需要能夠熟練掌握設(shè)備操作的人即可，而現(xiàn)在已經(jīng)無法滿足越來越多先進制造企業(yè)的人才需求了。同時，對于學(xué)生來說，只熟練掌握某一類型設(shè)備的操作，而不會其他的應(yīng)用，其個人的人才競爭力已無法體現(xiàn)出優(yōu)勢了。通過調(diào)研、走訪企業(yè)發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)在的企業(yè)不再需要僅能夠熟練操作機器人才，還希望操作者能夠在機器出現(xiàn)故障時，能夠根據(jù)故障現(xiàn)象進行故障排除[1]。當工作任務(wù)、工藝發(fā)生改變時，能夠根據(jù)新的任務(wù)要求進行生產(chǎn)工藝的調(diào)整與設(shè)備的調(diào)試。在這樣的人才需求背景下，以產(chǎn)業(yè)發(fā)展為方向，培養(yǎng)復(fù)合型、實用型的工業(yè)機器人專業(yè)人才的意義變得尤為重大。對于課程教學(xué)而言，應(yīng)結(jié)合人才發(fā)展需求，在教學(xué)過程中注重學(xué)生技能的培養(yǎng)。對于教師而言，應(yīng)打破傳統(tǒng)的以教師教為主的教學(xué)方法，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中有更多的收獲[2]。

二、當前教學(xué)方法所存在問題分析

在當前的職業(yè)教育中，教師普遍采用先理論后實踐的教學(xué)方式。教師在教學(xué)過程中需要根據(jù)課程標準，將課程劃分為實訓(xùn)與理論兩大部分。而在實際的教學(xué)過程中，卻會因種種原因在實訓(xùn)課程的課時分配上出現(xiàn)少于理論課程課時的現(xiàn)象，大多數(shù)情況是實訓(xùn)課時約占總課時的30%。出現(xiàn)這樣的情況，很大一部分原因是受制于實訓(xùn)設(shè)備、條件的影響以及技能教師師資配比不足的影響，不得已刪減技能課時。在這種授課機制的影響下，學(xué)生的主觀能動性難以得到充分的發(fā)揮，無法積極地、充分地融入課程實訓(xùn)教學(xué)的環(huán)節(jié)中，嚴重影響到課程學(xué)習(xí)的質(zhì)量和效率。此外，先理論教學(xué)、后實訓(xùn)教學(xué)，這種分開教學(xué)的模式還容易存在學(xué)生在后期實操訓(xùn)練中，由于理論知識的學(xué)習(xí)久遠，造成知識的模糊不清，使得實踐效果良莠不齊的問題。這不僅導(dǎo)致實訓(xùn)教學(xué)與理論教學(xué)相互脫節(jié)，使得學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中感覺比較枯燥，教師在教學(xué)過程中感覺疲憊，更嚴重地影響到課程的教學(xué)質(zhì)量和效果[3]。

三、“工業(yè)機器人操作與編程”課程理實一體化教學(xué)模式構(gòu)想

理實一體化教學(xué)法主要指將實踐教學(xué)與理論教學(xué)相互融通的教學(xué)方法，能夠突破傳統(tǒng)實踐教學(xué)與理論教學(xué)的窠臼，使教學(xué)環(huán)節(jié)更加集中、更加有效，切實發(fā)揮教師在課程開設(shè)與學(xué)生培養(yǎng)中的主體作用，即憑借設(shè)定的教學(xué)目標或教學(xué)任務(wù)，讓教師和學(xué)生邊做、邊學(xué)、邊教，全程形成技能與素質(zhì)培養(yǎng)的框架，深化實踐教學(xué)與課堂教學(xué)的內(nèi)涵，增強教學(xué)的實效性和針對性。在理實一體化教學(xué)過程中，實踐與理論相互交替，抽象和直觀交錯遞進，沒有先理后實，或先實后理的邏輯順序。工業(yè)機器人的操作與編程課程主要可分為仿真離線編程、在線示教操作、I/O與坐標系設(shè)置、常見報警故障診斷四大教學(xué)模塊。這四大模塊對于學(xué)生的理論知識與實踐能力都有較高的要求。所以，教師采用理實一體化的教學(xué)模式可以更好地培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)知識與實踐操作能力，激發(fā)學(xué)生參與教學(xué)活動的積極性和自主性。

四、“工業(yè)機器人操作與編程”課程理實一體化實訓(xùn)課程教學(xué)設(shè)計

理實一體化實訓(xùn)課程是將實踐教學(xué)與理論教學(xué)有機結(jié)合起來的教學(xué)方法，能夠彌補現(xiàn)有教學(xué)所存在的弊端和不足，提升學(xué)生在教學(xué)中的主體地位，使教師從知識傳授者轉(zhuǎn)變?yōu)橹R的服務(wù)者。然而，在將理實一體化教學(xué)法應(yīng)用在工業(yè)機器人操作與編程課程時，需要教師明確課程的特征和特點，探究學(xué)生在課程學(xué)習(xí)與知識探究中的行為傾向，從而選擇出優(yōu)質(zhì)的教學(xué)理論、教學(xué)方法或教學(xué)模式作為支撐。在課程總學(xué)時不變的情況下，針對理論課時安排較多，實踐操作課時安排較少的問題，應(yīng)合理刪減理論課時數(shù)，將刪減的理論課時分配給實訓(xùn)課，以彌補實訓(xùn)課時過少的問題。增加學(xué)生實踐操作的時間可以解決以往學(xué)生理論與實踐相脫節(jié)的問題。通過理論與實踐操作的有機結(jié)合更加有助于學(xué)生的學(xué)習(xí)。以工業(yè)機器人在線示教操作為例，目前市面上工業(yè)機器人的品牌繁多，各家公司的工業(yè)機器人由于設(shè)計理念與編程語言的不同，其在使用操作上會存在較大的區(qū)別，但根據(jù)國標的規(guī)定，不同品牌的機器人之間在使用還是具有一定的通用性。這對于專業(yè)教學(xué)而言，在選擇工業(yè)機器人時，應(yīng)結(jié)合行業(yè)中使用占比較高的品牌，如ABB、發(fā)那科等市場占有率較高及具有一定典型技術(shù)代表機的工業(yè)器人作為典型案例進行教學(xué)使用。而在理論教學(xué)過程中應(yīng)選擇使用Robort Studio、PQArt等知名的工業(yè)機器人企業(yè)開發(fā)的離線仿真軟件進行演示教學(xué)，讓學(xué)生在電腦上先模擬工業(yè)機器人的操作，了解操作規(guī)范，熟悉操作流程。當完成一定教學(xué)課時數(shù)后，學(xué)生已初步掌握一定的工業(yè)機器人操作要領(lǐng)后，再讓學(xué)生到實訓(xùn)室中操作真實的工業(yè)機器人設(shè)備。對于教師而言，學(xué)生在實際操作過程中所要注意的一系列規(guī)范要求，可以在模擬仿真教學(xué)中結(jié)合真實的操作要求展開，并針對性地進行講解。通過采用理實一體化的教學(xué)方式，可以解決因設(shè)備數(shù)量不足的原因而無法滿足學(xué)生對技能學(xué)習(xí)的需求，同時在一定程度上避免學(xué)生因初次使用設(shè)備，對設(shè)備不熟悉而造成機器的不必要損壞。

五、“工業(yè)機器人操作與編程”課程實施理實一體化教學(xué)法的意義

“工業(yè)機器人操作與編程”是一門實用性與操作性都很強的課程，同時該課程是工業(yè)機器人本體裝配調(diào)試、編程操作及報警故障診斷、設(shè)備維護等后續(xù)專業(yè)課程的前置基礎(chǔ)課，該課程也是工業(yè)機器人系統(tǒng)集成競賽、工業(yè)機器人技術(shù)應(yīng)用競賽等的前置基礎(chǔ)培訓(xùn)課程。通過該門課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠掌握工業(yè)機器人仿真軟件的使用、工業(yè)機器人在線示教、離線示教操作等技能，并掌握離線編程技術(shù)應(yīng)用、工業(yè)機器人系統(tǒng)集成、工業(yè)機器人I/O信號配置、坐標系設(shè)置與選擇應(yīng)用，以及常見報警代碼的故障診斷等能力。

六、“工業(yè)機器人操作與編程”課程課題的選擇

本次教學(xué)的課題選擇汽車門板涂膠軌跡編程作業(yè)為案例進行教學(xué)。工業(yè)機器人在汽車生產(chǎn)中占據(jù)著重要地位，尤其是汽車行業(yè)的快速發(fā)展，工業(yè)機器人能夠自主動作，廣泛應(yīng)用到不同生產(chǎn)環(huán)節(jié)，方便快捷地進行生產(chǎn)。涂膠作業(yè)作為汽車生產(chǎn)中重要的環(huán)節(jié)，涂膠的質(zhì)量直接影響整車生產(chǎn)的質(zhì)量，因此選擇工業(yè)機器人來完成此項作業(yè)，不僅保證了產(chǎn)品質(zhì)量，還提高了生產(chǎn)效率。因此，教師選擇這一課題進行教學(xué)，通過將實際生產(chǎn)與教學(xué)的相結(jié)合，能夠讓學(xué)生的學(xué)習(xí)更加貼近實際，培養(yǎng)的人才更符合實際生產(chǎn)的需要。

七、“工業(yè)機器人操作與編程”課程理實一體化教學(xué)法實施的方法

以工業(yè)機器人仿真軟件的使用為例進行分析，課程教學(xué)中使用Robort Studio離線仿真軟件并選擇軟件模型庫中的ABB 4600型工業(yè)機器人，與實操訓(xùn)練的機器人機型保持一致。根據(jù)課程安排，涂膠軌跡編程作業(yè)教學(xué)實施過程中，可以分為兩大部分進行。一是仿真教學(xué)，具體包括：工業(yè)機器人作業(yè)場景建立、工業(yè)機器人控制住系統(tǒng)創(chuàng)建、工業(yè)機器人軌跡程序離線示教編寫。二是實操教學(xué)，具體包括：工業(yè)機器人本體與控制柜、涂膠工具的連接、工業(yè)機器人電氣控制系統(tǒng)上下電操作規(guī)范、工業(yè)機器人零點、涂膠工具校準、涂膠軌跡程序在線示教編寫、離線程序?qū)牍I(yè)機器人操作。具體的教學(xué)實施流程如下。

1.使用Robort Studio軟件導(dǎo)入ABB 4600型工業(yè)機器人、工業(yè)機器人控制柜、工具、工件等，并根據(jù)實操場地的布局，完成仿真實訓(xùn)場景的布局。

2.根據(jù)作業(yè)要求，在仿真軟件中對工業(yè)機器人系統(tǒng)進行配置、作業(yè)工具進行安裝等。其中在工業(yè)機器人系統(tǒng)配置時，主要配置內(nèi)容有：工業(yè)機器人操作系統(tǒng)語言設(shè)置、工業(yè)機器人通訊類型配置等一系列基礎(chǔ)設(shè)置，并生成控制系統(tǒng)。在作業(yè)工具選擇方面，應(yīng)按實際生產(chǎn)中所用到的工具進行配置，如仿真軟件中自帶的工具無法滿足需求的，則應(yīng)根據(jù)實際中使用工具的進行建模，以保證仿真最大限度地貼近實操作業(yè)。

3.涂膠軌跡離線編程，根據(jù)作業(yè)要求在仿真軟件中使用離線編程技術(shù)，創(chuàng)建車門外框涂膠的軌跡路徑點，同時對所創(chuàng)建的軌跡點進行工業(yè)機器人姿態(tài)調(diào)整，避免工業(yè)機器人的關(guān)節(jié)出現(xiàn)奇點報警。

4.仿真設(shè)定，根據(jù)作業(yè)要求設(shè)置仿真條件，驗證離線編程所創(chuàng)建的軌跡是否能夠符合要求。

5.完成仿真驗證后，將離線編程的路徑軌跡數(shù)據(jù)同步生成RAPID程序，通過仿真軟件中并模擬示教器進行查看并驗證。

至此，仿真教學(xué)內(nèi)容已完成，通過模擬仿真訓(xùn)練，讓學(xué)生在接觸真實的工業(yè)機器人之前，能夠?qū)C器人的操作有一個感性的認識，并了解工業(yè)機器人軌跡編程的操作要點及操作規(guī)范，為后續(xù)在實操課程中操作真實的工業(yè)機人打下良好的基礎(chǔ)。實操課程的教學(xué)則將仿真教學(xué)中的成果在真實的機器上進行驗證，具體實施過程，此處不做具體論述。

八、課程拓展

生產(chǎn)企業(yè)對于工業(yè)機器人人才的需求是多樣的復(fù)合型的，不僅需要會操作機器人的人，還需要操作者具有一定故障判別與簡單的檢修的綜合能力，因此工業(yè)機器人操作與編程這門課程在教學(xué)設(shè)計時，可以考慮在工業(yè)機器人基本操作與編程教學(xué)中，增加一部分故障檢修的教學(xué)內(nèi)容作為教學(xué)的拓展。該部分教學(xué)內(nèi)容對于學(xué)生的動手能力與知識綜合應(yīng)用能力有著較好的提升作用。教師可以根據(jù)學(xué)生對知識掌握的實際情況，在教學(xué)過程中側(cè)重于工業(yè)機器人故障的判別與排除方面。教師可以結(jié)合學(xué)生在實操訓(xùn)練時工業(yè)機器人所出現(xiàn)頻次較多的故障作為實例進行拓展教學(xué)，教授學(xué)生檢查與排除的方法。通過這樣的方法加深所學(xué)知識的印象，增強學(xué)生解決實際問題的能力。通過采用學(xué)中做、做中學(xué)的教學(xué)方式，使學(xué)生能夠更好地理解知識，并將所學(xué)知識運用到實際中。

九、制定考核辦法

工業(yè)機器人操作與編程是實踐性很強的一門課，在教學(xué)過程中，不僅要相應(yīng)地增加實操課程的課時數(shù)比例[4]。同時課程的考核方式上也要與其他課程有所區(qū)分，結(jié)合理實一體化教學(xué)法強調(diào)做中學(xué)、學(xué)中做的教學(xué)特點。該門課程的考核可采用應(yīng)知考試與應(yīng)會操作考核相結(jié)合的形式，在編排考試考核的內(nèi)容時，考查的范圍要有一定的廣度，不能僅局限于書本知識的選擇，要結(jié)合學(xué)生在實際操作過程中出現(xiàn)次數(shù)較多的問題與實際生產(chǎn)中經(jīng)常碰到的問題作為典型案例放在考核中，以增強學(xué)生分析問題、解決問題的能力。對于工業(yè)機器人操作與編程這門課程的成績分配，可以將應(yīng)知考試的成績與應(yīng)會考核的成績按應(yīng)知占30%與應(yīng)會占70%的比例進行分配。其中應(yīng)會考核中，涉及仿真軟件使用與實機操作，這兩部分內(nèi)容的成績分配可以按仿真軟件離線編程操作占40%，實機在線示教操作占60%的比例進行分。教師在采用虛實結(jié)合、理實結(jié)合的考試方法增強學(xué)生的操作動手能力，完善學(xué)生的知識結(jié)構(gòu)，增強學(xué)生綜合應(yīng)用能力，培養(yǎng)符合企業(yè)生產(chǎn)所需要的復(fù)合型技能人才。

結(jié)語

強調(diào)實踐操作是“工業(yè)機器人操作與編程”這門課的特點，也是當下企業(yè)對復(fù)合型技能人才的要求。在工業(yè)機器人專業(yè)課程教學(xué)中采用理實一體化的教學(xué)方法，能夠切實彌補傳統(tǒng)教學(xué)存在的問題、弊端及不足，深化學(xué)生對理論知識的理解，強化實踐操作技能的應(yīng)用，幫助學(xué)生更好地提升綜合應(yīng)用能力。經(jīng)過對教學(xué)方法、內(nèi)容、課時、考試模式等諸多方面的改革，將教學(xué)過程中較為分散的知識串聯(lián)起來，以提高學(xué)生動手操作能力。對課程內(nèi)容進行模塊劃分，以適應(yīng)社會對工業(yè)機器人專業(yè)人才的需求，為學(xué)生獲得更好的職業(yè)發(fā)展、專業(yè)成長奠定堅實的基礎(chǔ)。