“智能制造實(shí)訓(xùn)教學(xué)系統(tǒng)”創(chuàng)新實(shí)訓(xùn)課程教學(xué)探索

席佳樂(lè)，霍亞光，孫 鑫

（長(zhǎng)安大學(xué)現(xiàn)代工程訓(xùn)練中心 陜西 西安 710018）

近年來(lái)，全球正在經(jīng)歷一場(chǎng)以智能制造技術(shù)為核心，通過(guò)數(shù)字化制造、柔性制造、綠色制造等先進(jìn)技術(shù)改造傳統(tǒng)的制造產(chǎn)業(yè)，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和升級(jí)。新技術(shù)給經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展帶來(lái)的更深層次的意義在于思想觀念和思維方式的轉(zhuǎn)變，學(xué)生需要具備使用新技術(shù)的能力和新型的認(rèn)知方式，深刻理解工程中的創(chuàng)新思想，定制化設(shè)計(jì)理念以及可持續(xù)的技術(shù)路線，以適應(yīng)未來(lái)的職業(yè)發(fā)展。2021 年，由我國(guó)工信部、教育部等八個(gè)部門(mén)聯(lián)合發(fā)布的《“十四五”智能制造發(fā)展規(guī)劃》提出[1]，要繼續(xù)以智能制造為主線，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)優(yōu)化，提高效率效益。

為了響應(yīng)國(guó)家號(hào)召，培養(yǎng)緊跟時(shí)代發(fā)展的創(chuàng)新型人才，結(jié)合長(zhǎng)安大學(xué)提出的“開(kāi)放發(fā)展年”行動(dòng)計(jì)劃，長(zhǎng)安大學(xué)在現(xiàn)代工程訓(xùn)練中心的全力支持下，擬開(kāi)設(shè)一門(mén)全新的基于“智能制造實(shí)訓(xùn)教學(xué)系統(tǒng)”的創(chuàng)新實(shí)訓(xùn)課程。該系統(tǒng)集成了多項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)，包括工業(yè)機(jī)器人、PLC通信技術(shù)、數(shù)控加工技術(shù)以及RFID 檢測(cè)技術(shù)等，為實(shí)踐教學(xué)提供了強(qiáng)大的支持。通過(guò)這門(mén)實(shí)訓(xùn)課程，學(xué)生將能夠直觀地學(xué)習(xí)到智能制造的相關(guān)知識(shí)技術(shù)，并領(lǐng)略到學(xué)科交叉的獨(dú)特魅力。

1 教學(xué)策略及模式

圖1 （p104）為智能制造實(shí)訓(xùn)教學(xué)系統(tǒng)，總共可以分為三個(gè)模塊單元，即智能加工單元，智能檢測(cè)單元以及總控信息管理單元，由于其模塊眾多，其中所涉及的知識(shí)點(diǎn)多且復(fù)雜，整體產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)的難度較大，所以本課程計(jì)劃將其化整為零，再聯(lián)零為整，將復(fù)雜的整體智能制造產(chǎn)線分模塊、分形式進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)[2]。

圖1 智能制造實(shí)訓(xùn)教學(xué)系統(tǒng)

如圖2（p104）所示，主體的教學(xué)模式采用課堂講授、模擬仿真以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)訓(xùn)三種模式。三種模式虛實(shí)結(jié)合，層層遞進(jìn)，旨在培養(yǎng)學(xué)生的綜合創(chuàng)新能力、動(dòng)手能力以及團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。

圖2 教學(xué)模式

1.1 課堂基礎(chǔ)

課堂講授部分作為整體實(shí)訓(xùn)的起始部分，同時(shí)也是整體實(shí)訓(xùn)的基礎(chǔ)，主要目的是夯實(shí)前期的基礎(chǔ)知識(shí)，掌握基本指令的使用場(chǎng)景，該部分主要涵蓋PLC 通信、ABB 工業(yè)機(jī)器人的相關(guān)編程基礎(chǔ)、數(shù)控機(jī)床建模及加工指令編程基礎(chǔ)、AGV 小車(chē)軌跡規(guī)劃、三坐標(biāo)基礎(chǔ)測(cè)量方法。

1.2 模擬仿真

模擬仿真部分主要是為了在安全的操作環(huán)境下，讓學(xué)生能夠?qū)⑶捌谒鶎W(xué)東西做一個(gè)串聯(lián)，直觀地學(xué)習(xí)到如何通過(guò)相應(yīng)的指令操控硬件設(shè)備[3-4]，該部分主要涉及三個(gè)相應(yīng)的模擬仿真軟件，數(shù)控機(jī)床模擬軟件Hypermill、ABB 工業(yè)機(jī)器人模擬仿真軟件RobotStudio、PLC 通信模擬軟件博途、機(jī)電一體化虛擬調(diào)試軟件NX MCD。

1.3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)訓(xùn)

在模擬仿真階段操作熟悉并確認(rèn)程序無(wú)誤之后，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)訓(xùn)部分，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)訓(xùn)部分首先對(duì)單個(gè)部分進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)操作實(shí)訓(xùn)，包括數(shù)控加工中心、ABB 工業(yè)機(jī)器人、AGV 小車(chē)及三坐標(biāo)測(cè)量，最后在指導(dǎo)老師的指導(dǎo)下，進(jìn)行聯(lián)機(jī)操作，完成整體產(chǎn)線的實(shí)訓(xùn)。

2 教學(xué)課程設(shè)計(jì)

教學(xué)課程設(shè)計(jì)采用聯(lián)零為整的思路，如表1 所示，分為局部和綜合兩個(gè)板塊，局部板塊主要基于智能制造實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的三個(gè)模塊開(kāi)展層層遞進(jìn)的課程設(shè)計(jì)，每一個(gè)模塊的課程都是依據(jù)從基礎(chǔ)到仿真模擬，再到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)訓(xùn)這樣的教學(xué)模式進(jìn)行設(shè)計(jì)[5]。總控信息單元模塊共設(shè)置3 部分實(shí)訓(xùn)內(nèi)容，通過(guò)該部分實(shí)訓(xùn)課程，能夠讓學(xué)生熟悉PLC 的編程與組態(tài)，相當(dāng)于是構(gòu)建好整體實(shí)訓(xùn)產(chǎn)線的“大腦”；智能加工單元分為六部分實(shí)訓(xùn)內(nèi)容，該部分的實(shí)訓(xùn)能夠讓學(xué)生熟悉數(shù)控基礎(chǔ)、ABB工業(yè)機(jī)器人、AGV小車(chē)的一些基礎(chǔ)操作以及控制方式，相當(dāng)于構(gòu)建好整體智能產(chǎn)線的“軀干”；智能檢測(cè)單元分為三個(gè)部分，通過(guò)該部分的實(shí)訓(xùn)，學(xué)生能夠使用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)完成基礎(chǔ)工件的測(cè)量，并編譯好對(duì)應(yīng)程序，這相當(dāng)于構(gòu)建好整體智能產(chǎn)線的“感官”。

表1 課程內(nèi)容設(shè)計(jì)

通過(guò)局部板塊的實(shí)訓(xùn)，便可以使智能加工系統(tǒng)的“大腦”“軀干”“感官”實(shí)現(xiàn)獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)，而整體板塊是對(duì)整體智能產(chǎn)線的實(shí)訓(xùn)，也就是實(shí)現(xiàn)“大腦”控制“軀干”，“感官”監(jiān)控行為的作用。

3 教學(xué)創(chuàng)新

教學(xué)創(chuàng)新主要針對(duì)兩個(gè)點(diǎn)，一個(gè)是課堂開(kāi)展方式，傳統(tǒng)的實(shí)訓(xùn)教學(xué)課堂多是通過(guò)教師使用設(shè)備向?qū)W生介紹和演示的方式進(jìn)行，這種教學(xué)方式所帶來(lái)的弊端是，學(xué)生在聽(tīng)完之后上手操作依然會(huì)存在很多的困惑以及危險(xiǎn)情況，并且對(duì)于實(shí)訓(xùn)內(nèi)容也多是知其然不知其所以然，在整個(gè)實(shí)訓(xùn)課程結(jié)束之后也無(wú)法通過(guò)實(shí)訓(xùn)內(nèi)容對(duì)于自己的專業(yè)課程有更進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)和思考。基于以上問(wèn)題，在教學(xué)方式上，計(jì)劃采用工程項(xiàng)目應(yīng)用式教學(xué)[6]。

對(duì)于三個(gè)基礎(chǔ)模塊，分專業(yè)設(shè)置不同的基礎(chǔ)項(xiàng)目。本課程計(jì)劃面向機(jī)械、電控、信息三個(gè)大類(lèi)專業(yè)的學(xué)生開(kāi)設(shè)。所以對(duì)于電控專業(yè)學(xué)生，有一定的編程基礎(chǔ)，所以將教學(xué)重點(diǎn)放在對(duì)工業(yè)機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床等的編程指令上，對(duì)于數(shù)控模型的建立等可以弱化，所以以一個(gè)模型簡(jiǎn)單，但是要求ABB 工業(yè)機(jī)器人整體運(yùn)行姿態(tài)高效、AGV 小車(chē)路線更復(fù)雜的工程項(xiàng)目引導(dǎo)實(shí)訓(xùn)課程。而對(duì)于機(jī)械專業(yè)學(xué)生，設(shè)計(jì)建模及能力較強(qiáng)，所以可以弱化通信與編程部分，可以設(shè)計(jì)一個(gè)模型復(fù)雜、對(duì)ABB 工業(yè)機(jī)器人姿態(tài)要求不高、AGV 路線簡(jiǎn)單的基礎(chǔ)項(xiàng)目；對(duì)于信息專業(yè)，將重點(diǎn)仿真PLC與各個(gè)設(shè)備之間的通信上，可以設(shè)計(jì)一個(gè)需要整體聯(lián)動(dòng)所有設(shè)備，通信邏輯更強(qiáng)，更精準(zhǔn)的基礎(chǔ)項(xiàng)目。

在所有專業(yè)完成基礎(chǔ)項(xiàng)目之后，所有學(xué)生自由組隊(duì)，鼓勵(lì)不同專業(yè)學(xué)生融合組隊(duì)完成綜合項(xiàng)目。綜合項(xiàng)目涵蓋所有相關(guān)的知識(shí)內(nèi)容，需要完成一個(gè)PLC 邏輯更優(yōu)化、模型較復(fù)雜，AGV小車(chē)路線更精準(zhǔn)、ABB工業(yè)機(jī)器人姿態(tài)靈活高效、整體加工誤差較小的工程項(xiàng)目。

教學(xué)創(chuàng)新的另一點(diǎn)是評(píng)測(cè)方面，基于“以賽促進(jìn)”的思路[7]，首先對(duì)于不同專業(yè)，設(shè)置不同的基礎(chǔ)評(píng)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，學(xué)生在完成基礎(chǔ)項(xiàng)目后，根據(jù)學(xué)生的完成情況給出一個(gè)基礎(chǔ)分值。然后這個(gè)基礎(chǔ)分值作為進(jìn)入綜合項(xiàng)目的前期本金，成員組隊(duì)進(jìn)入綜合項(xiàng)目之后，所有組員的分值之和作為團(tuán)隊(duì)前期本金，可以通過(guò)幫助他人獲取其他團(tuán)隊(duì)手里的分值，也可以在完成項(xiàng)目時(shí)使用分值降低項(xiàng)目某一部分的難度。最后在項(xiàng)目結(jié)束時(shí)，團(tuán)隊(duì)每個(gè)成員將團(tuán)隊(duì)分值根據(jù)貢獻(xiàn)度分配給組內(nèi)成員，該部分得分作為自評(píng)得分，再由指導(dǎo)老師綜合自評(píng)及完成項(xiàng)目時(shí)的表現(xiàn)給出一個(gè)最后得分。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于工科專業(yè)，實(shí)訓(xùn)教學(xué)是本科教學(xué)中非常重要的一個(gè)板塊，傳統(tǒng)的實(shí)訓(xùn)教學(xué)多注重學(xué)生動(dòng)手能力的培養(yǎng)，對(duì)于學(xué)生綜合工程能力的培養(yǎng)仍有欠缺。智能制造實(shí)訓(xùn)教學(xué)系統(tǒng)的引入，為提升學(xué)生的工程實(shí)踐能力和創(chuàng)造力提供了一個(gè)很好的平臺(tái)，但由于其模塊眾多，所涉及的知識(shí)點(diǎn)多且復(fù)雜，所以目前很多實(shí)訓(xùn)教學(xué)多是以演示了解為主，并未讓學(xué)生深入學(xué)習(xí)。基于“智能制造實(shí)訓(xùn)教學(xué)系統(tǒng)”，本文依據(jù)化整為零，再聯(lián)零為整的思路設(shè)計(jì)了一種新穎豐富的教學(xué)課堂，以“虛實(shí)結(jié)合”為策略，以“以賽促教”為手段，使學(xué)生能夠在實(shí)訓(xùn)中體會(huì)多學(xué)科交叉融合的魅力，構(gòu)建起清晰的基礎(chǔ)知識(shí)框架，促進(jìn)精準(zhǔn)的工業(yè)化認(rèn)知。