高職院校工業機器人技術教學模式研究

郭 萍

(武漢交通職業學院，湖北 武漢 430065)

近年來，由于勞動力成本的增高，許多企業為減少人力成本和管理成本，逐漸引進工業機器人。工業機器人不僅代替人從事重復性、機械性和危險性工作，還可以進一步提高生產效率和產品質量，從而提高產品的市場競爭力。截至目前，工業機器人被廣泛應用于各行各業。在電子產品制造行業中，工業機器人可用于流水線上焊接元器件、組裝各類零部件等工作；在汽車制造業中，可用于汽車表面的噴漆和汽車的搬運工作，避免人類從事環境惡劣和體力過重的工作；在醫療行業，工業機器人精確的定位可用來進行精密的手術，避免人為因素對手術的影響；甚至在食品行業中，也出現了工業機器人“批量分解豬腿”的畫面。

然而，工業機器人被引進的同時，企業也面臨新的挑戰，會操作、使用和維護工業機器人的技能人才相對較少，企業花大價錢買回來的設備并不能充分發揮其作用。因此，為更好地培養與企業對接的人才，在“中國制造2025”的大背景下，高職院校陸續開設工業機器人專業，培養從事一線的工程機械設備或者工業機器人的操作、裝配、調試和維護等工作的人才。該專業除學習機電一體化相關的基礎課程之外，還開設包括機器人應用基礎、機器人裝配與調試、機器人編程應用和機器人故障診斷與維修等核心課程。

現階段，由于工業機器人技術專業是新興專業，專業建設相對不成熟，并且該專業綜合性較強，涉及自動控制、人工智能、電子技術和機械工程等多種學科的內容，在教學方式和方法上必然與傳統工科有所不同，因此，該專業的教學模式需進一步探索。本文針對工業機器人相關的核心課程，結合目前高職院校工業機器人技術專業建設的實際情況，從以下三個方面來探索工業機器人技術的教學模式：

一、打破傳統的教學模式，采用信息化手段提升課堂效果

在教學方法上，工科類專業不如文理科類方式多樣，在傳統理論課堂教學時，一般以老師講、學生聽為主，課堂的教學模式大多還處于“填鴨式”教學。學生與老師之間交流略少，課堂氣氛不活躍，加上高職院校學生學習意識薄弱、自控力較差，注意力不集中、容易游離于課堂之外，教學效果較差。目前，工業機器人技術相關課程在理論教學環節中側重調動學生的積極性，集中學生的注意力，因此課堂多采用視頻、圖片、動畫等直觀方式授課，并增加討論環節，讓學生積極參與課程學習，加深知識的理解。雖然這種做法在一定程度上可以提高學生的學習熱情，但課程的知識點較雜、內容廣泛，許多學生容易失去興趣，積極性不高，不利于課堂的開展。

以《機器人應用基礎》課程為例，該課程運動學分析這一知識點涉及數學推導、矩陣和線性代數相關知識，學生未有矩陣和線性代數相關概念，數學基礎薄弱，學起來吃力，自信心不足，遇到難題容易放棄。另外，在機械結構這一章節中，工業機器人傳動裝置是重點內容，需要詳細學習軸承、絲杠、齒輪、RV減速器和諧波減速器等各類傳動裝置的結構、特點及工作原理，知識點零碎，涉及面較廣，學生在學習過程中容易喪失耐心而影響課堂效果。因此，僅僅采用視頻及動態圖片形式的授課已不能滿足工業機器人相關課程的需要，教師在教學過程中還應結合機器人技術相關課程特點，以學生為主體，采用信息化技術的手段，探索不同的授課方式。

針對《機器人應用基礎》中機器人運動學分析這一難點章節學生信心不足的情況，可以用信息化手段降低學習難度，以提高學生的學習興趣。可以嘗試采用線上學習APP—學習通，利用學生隨身帶手機的特點，讓學生線上做相關練習題幫助理解并及時鞏固，教師線上更正打分并及時了解學生掌握的情況，以便適當地調整教學內容，讓學生更好地掌握重點內容。該平臺還可通過教師與學生的互動來調動學生學習的積極性，避免學生因知識點枯燥而分心，進一步提升授課效果。在機械結構這一知識點繁多的章節中，從各類傳動裝置在典型工業機器人中的應用入手，以圖文結合的形式展示各類傳動裝置的結構及原理，并發布微視頻，讓學生課前學習，促進學生自主研究、自主學習；同時可布置視頻作業，要求學生學習后錄制微視頻講解對傳動裝置的認識并上傳共享給班級，并一起交流討論，在互相學習中將知識點理解透徹，實現互助，共同進步。也可以在教材、實訓設備、實驗室等地方設置二維碼，通過鏈接到線上，學生根據自己的時間進行學習，把學生學習的阻礙點一一化解。

不僅《機器人應用基礎》課程具備知識點多、綜合性強的特點，工業機器人專業課程大多屬于多學科交叉的課程，且實踐性很強，采用傳統的教學模式往往難以達到理想效果，在教學中應重點把握學生對工業機器人頗有興趣這一關鍵點，采用信息化手段，不僅可通過微視頻、QQ、微信、云班課、提問軟件等，輔助教師寓教于樂,甚至可以通過AR技術將工業機器人的操作嵌套在現實世界進行互動，幫助學生寓學于樂,在樂趣中獲取知識,強化操作技能,實現理論實踐兩手抓，有效提升課堂教學效果。

二、加強專業教師隊伍培養，提升教師理論和實踐水平

目前，工業機器人技術發展速度較快，實際的技術水平比高校理論研究較快，加上工業機器人教研室成立時間不長，課程體系和人才培養還處于探索階段，導致多數高職院校里工業機器人技術專業教師理論和實踐水平普遍不高，課堂教學與市場脫節。另外，工業機器人技術專業涉及多種學科的內容，能夠掌握多種學科的教師相對缺乏，專業教師大多具備電子信息、控制工程或者機械自動化中某一領域的背景，對工業機器人技術的認識及研究不深。例如，《機器人應用基礎》這門課程，具有控制領域背景的授課教師對于工業機器人基礎課程中的機器人機械結構、機械相關概念如圓柱銷、絞銷、斜楔等知識點理解較淺顯，對于驅動裝置中的液壓或氣壓驅動以及傳動裝置中的軸承、絲杠、RV減速器等工作原理認識不深入，容易受課本內容的約束，在授課時不能很好地融會貫通，也不能站在一定高度進行知識點的引申，從而影響教師自由發揮，進而影響授課效果。不僅如此，其余課程也對控制類教師提出了挑戰，比如《工業機器人裝配與調試》課程需要教師了解機械裝配的基本知識，機械傳動裝置的裝配方法和步驟，《工業機器人故障診斷與維修》課程需要掌握工業機器人的安全作業事項、工業機器人控制柜和機器人本體的故障診斷與維護，《工業機器人編程與調試》需要教師學習一門新的語言。

工業機器人技術知識體系的跨學科技術融合性，迫切需要教師綜合性地提升專業理論體系，需要專業教師進一步學習機器人相關的理論知識。針對這個現實問題，需要教師、學院及學校各方面做出相應的努力。教師個人方面可自主去相關機器人企業進行實踐鍛煉，獲得實際的實踐經驗；學院方面可通過校企合作對專業教師進行工業機器人控制、編程技術及裝配等方面的培訓來引導教師學習，以此來促進教師更好地開展教學。另外，企業、學校、教師三方可以共建網絡教學資源庫，融入企業最新的需求、理念，由企業專家定期維護，既讓教學緊隨企業需求，又方便教師向企業專家交流。除此之外，教師可參加機器人相關的技能比賽，通過賽前的準備學習和賽后的歸納總結，強化對工業機器人技術的學習，促進教師深入理解專業知識，提高自身理論水平的同時進一步提高動手能力，提升實踐指導能力，進而豐富日常的教學。

三、完善教學實訓設備，提高設備利用效率

隨著工業機器人教研室的成立，相關的實驗設備需要陸續地引進并且投入使用，方便學生開展工業機器人的認知、操作和編程等實踐。然而由于一些主觀及客觀的原因，導致專業核心課程開展時設備應用不充分，實際教學效果大打折扣。

工業機器人屬于大型設備，在引進前需要調研論證等過程，引進周期長，并不能保證相關課程開展前就能供教學實驗課堂用，即使順利引進的設備，安裝、調試和培訓以及建立規范的實訓室也需一定時間，因此教研室成立之初，有一些基礎課程不得不側重于理論學習。比如，《機器人應用基礎》這門課程既是專業核心課也是基礎課，比其余核心課較早開設，極有可能設備尚未完全投入使用，但出于安全考慮，引進的工業機器人暫不會對師生開放使用，學生不能進行基本的機器人實體結構的認知學習和簡單的機器人動作參觀學習，只能在理論課堂上通過動態畫面和相關視頻了解工業機器人的結構和動作模式。很顯然，課堂效果并不理想。

工業機器人的相關課程具備較強的實踐性，包括機器人的裝配、編程、調試和故障診斷，都需要工業機器人設備來實踐教學，機器人實驗環節對于鍛煉學生的實際操作能力很重要，即便后期開課時設備已準備好，由于設備投入使用時間不長，實驗和理論教師未能熟練操作儀器，在開展實驗課時，未能最大化地發揮設備的價值，導致設備利用不充分。另外，由于工業機器人設備價格昂貴，一臺設備動輒十幾萬，校方經費緊張，因此引進的工業機器人設備數量較少。在開展實驗課時，一旦班級學生數量較多，會有較多的學生共用一臺設備，未能有效保證學生操作時間，導致學生不能充分利用實踐課堂學習相關的技能。

因此，針對實訓設備準備不充分的情況，教研室應積極主動推進設備引進、安裝、培訓和調試相關事宜，縮短設備準備周期，爭取早日供教學使用。針對設備利用率不高的情況，教研室教師應主動學習工業機器人相關理論知識和設備的具體操作，挖掘更多實踐教學知識點，充分利用該設備。針對實訓設備數量相對的不足的現實情況，教研室應該積極爭取院方和校領導的支持，獲得資金上的資助，購置更多工業機器人，學校也可利用虛擬現實技術構建與實際工業機器人實訓平臺全真的仿真系統，使學生可以完成工業機器人實訓平臺的設計、安裝、編程與調試，從而減少工業機器人設備數量。

課程教學改革是一個長期深化的過程，需要不斷地探索、改進和完善。本文結合工業機器人技術專業的專業建設現狀及自身的教學經驗，針對《機器人應用基礎》等專業課程探索工業機器人技術的教學模式，通過分析工業機器人技術專業課程在理論教學和實踐環節中存在的問題，提出了相應的改革措施，以提高教學效果，讓學生更好地掌握和運用知識，進一步提升專業理論知識水平和操作技能。