新工科下的“理虛實一體化”《焊接機器人》課程教學改革探索

陳宇　肖逸鋒　李湘文

摘要：基于焊接新工科模式下新的人才培養目標，文中通過研究《焊接機器人》課程新方向、新模塊的特點，更新教學內容，重構課程體系，建立項目式任務驅動的“理虛實一體化”新工科教學體系，將理論學習、虛擬仿真和實踐操作相互促進，融為一體，真正做到在學中做、做中學，提高學生的實踐能力與創新能力，實現多元化、創新型卓越工程人才培養的目標。

關鍵詞：新工科;理虛實一體化;焊接機器人

中圖分類號：G642 文獻標志碼：B 文章編號：1001-2303（2020）12-0104-

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.12.22

0 前言

焊接機器人已廣泛應用于汽車、航天、船舶、機械加工、電子電氣、食品加工及其他諸多相關制造領域中，并作為先進制造業中不可替代的重要裝備和手段，成為衡量一個國家制造水平和科技水平的重要標志之一[1-2]。焊接機器人在各國工業機器人應用比例中占25%～50%，實現焊接產品的自動化、柔性化與智能化已成為發展趨勢[1-4]。

新工科是在新科技革命、新產業革命、新經濟背景下工程教育改革的重大戰略選擇，緊緊圍繞工程教育改革的新理念、新結構、新模式、新質量、新體系全面開展。其內涵是以立德樹人為引領，以應對變化、塑造未來為建設理念，以繼承與創新、交叉與融合、協調與共享為主要途徑，培養未來多元化、創新型卓越工程人才[5-6]。這使得傳統的焊接技術人才面臨著嚴峻挑戰，但同時也為焊接技術人才的革新帶來了良好的機遇[7]。我國許多高校焊接專業紛紛建設了焊接機器人實驗室，強化學生對焊接機器人技術的認識和實踐，鞏固所學基礎理論知識，提高學生創新能力和綜合素質。同時各高校教師針對《焊接機器人》課程的教學進行了大量的嘗試，文中在對當前《焊接機器人》課程教學存在的問題充分分析的基礎上設計出“理虛實一體化”新工科教學體系，更新教學內容，重構課程體系，以期對《焊接機器人》課程的教學質量起到積極的效果。

1 《焊接機器人》課程教學現狀

1.1 教學內容難度過高

《焊接機器人》是一門多學科交叉融合的課程，涉及機械、數學建模、電工、語言編程等綜合知識，學生需要積累多門課程的理論知識及豐富的設備實踐操作經驗才能應對機器人焊接生產中碰到的各種狀[8-9]。而傳統人才培養方案對學生的交叉學科融合信息能力重視不夠，且焊接機器人方面的教學資源匱乏，學生對知識的理解和實操的掌握程度較低，難以形成相應的基礎知識框架，可能會適得其反。

1.2 教學方法過于陳舊

由于我國的機器人教育起步較晚，教學資源相對滯后，可供查閱的專業資料有限，師資力量薄弱，很多學校的教學采用的是傳統的演示性教學，重理論、輕實踐。雖能夠讓學生獲取對焊接機器人應用的感性認識，但無法實現對相關知識在實踐中的應用。“理論+實操”的分段式教學已不適合新工科背景下《焊接機器人》課程的教學。

1.3 教學設備昂貴

焊接機器人工作站價格昂貴，一套工作站價格在三十萬元左右，焊接機器人在線編程需要每位學生一臺機器人進行操作編程與示教，對實驗室場地的水電要求非常高及資金投入很大。一般高校考慮設備使用率及價值情況，購買的設備臺套數遠遠不能滿足學生正常的使用需求。我院依托焊接機器人與應用技術湖南省重點實驗室購置了日本松下TM1400，ABB，庫卡、埃斯頓等品牌機器人用于教學科研，但由于數量少，且各品牌機器人操作方式不同，在實際教學應用中難以滿足學生使用需求。隨著《中國制造2025》的實施，機器人技術及應用迎來了飛速發展，機器人仿真技術及離線編程技術日漸成熟，部分知名機器人廠家都開發出相應的離線編程軟件，在一般電腦上就可以進行各種焊接機器人仿真編程應用及虛擬軟件的開發，提高了學生對新技術的學習興趣，為焊接機器人教學理實一體化奠定了基礎。

2 《焊接機器人》課程理虛實一體化體系構建

2.1 新工科下理虛實一體化理念

新工科背景下為了實現新的人才培養目標，需要新的思維、新體制機制、 全面創新工科（程）教育，培養創新人才，引領發展。基于應對變化、塑造未來、主動變革的新理念，各高校都在積極探索新的教學模式，隨著互聯網、大數據、人工智能等新科技的快速發展，理虛實一體化的教學模式在工科專業中成為熱點趨勢[10-11]。理虛實一體化教學不僅可以充分發揮教師的主導作用，還可以突出學生的學習主體地位。理論知識、虛擬操作和實踐操作交替進行是實中有理，理中有實。理虛實一體化教學能夠讓學生“動”起來，主動學習，提升能力，是一種突出學生動手能力和專業技能的培養，充分調動和激發學生學習興趣的教學方法。在理虛實一體化教學中，教師可以通過教學任務和教學目標的設定，在教師的“教”、學生的“學”中構建職業技能培養框架。同時豐富了課堂的教學實踐技能訓練，提升了教學質量[12-14]。

《焊接機器人》課程非常適合應用理虛實一體化教學理念，既保留了“理實一體化”教學模式中學生“做中學，學中做”的熱情，又有效地解決了硬件設備數量不足、設備損壞率高及課堂教學組織難等教學實際中的諸多難題。

2.2 《焊接機器人》課程理虛實一體化體系構建

理虛實一體化教學模式框架以理論知識講授、虛擬軟件仿真訓練和焊接機器人實驗室實踐操作的順序為主線，采用基于生產項目的學習，使教學內容對接企業生產實際，重點突出虛擬軟件仿真模擬訓練，使學生熟悉操作的全流程，實現理論教學和實踐操作的貫通、銜接。在任務實施過程中，學生的仿真操作與實踐操作獨立完成，通過成果展示進行學生自評、互評，得到反饋總結。具體框架結構如圖1所示。

3 《焊接機器人》課程教學改革實施方案

3.1 根據新工科背景下人才培養方案，修訂教學大綱

新工科建設形勢下對焊接專業課程的教學模式提出了更高的要求，為了實現新的人才培養目標，需要新的思維，新體制機制。因此，修訂了《焊接機器人》教學大綱，明確課程教學改革方向，采用項目式任務驅動教學方法引入新模塊，在新的人才培養方案中將該課程確定為專業必修課程。要求學生具有以下能力：①應用知識解決復雜工程問題的能力;②針對復雜工程問題的分析、設計、開發、研究能力;③使用現代工具解決復雜工程問題的能力;④團隊合作能力與溝通能力;⑤自主學習、終身學習能力。

3.2 依托新工科新理念，更新教學內容，制定課程目標

本項目更新教學內容，首先調研企業需求，分析焊接專業學生特點、調研最新技術并結合教材確定教學內容，按學時分配各章教學內容;同時分析現有教學方法的不足，引入Robotstudio仿真軟件，編制仿真項目，將仿真項目嵌入各章節中，形成項目式任務驅動教學，重構課程體系，建立焊接新工科模式。實現以學生為中心、OBE教學與評價、質量持續改進。《焊接機器人》課程教學內容確定流程如圖2所示。

3.3 明確新工科建設形式，建立項目式“理虛實一體化”教學體系

項目式任務驅動“理虛實一體化”教學是以企業項目為背景，在理論教學的同時引入Robotstudio仿真軟件進行虛擬仿真操作，以加深知識理解，仿真操作達到要求后進行實踐操作，最后進行自評與互評及歸納總結，“理虛實一體化”教學過程如圖3所示。

4 結論

在當前“新工科人才”培養思路的啟發下，為了更好地應對未來工業4.0以及建設創新型國家對人才的需求，針對《焊接機器人》課程通過建立新方向、新模塊，更新教學內容，重構課程體系，建立“理虛實一體化”教學模式，將焊接技術與工業機器人技術緊密結合，理論傳授、虛擬編程與實踐操作層層相扣，提升教學效果，改善教學氛圍，使學生樂在其中，形成自主學習意識，提高學生的實踐能力與創新能力。

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收稿日期：2020-07-29

基金項目：2020年湘潭大學第十一批教學改革研究項目;2019年第二批教育部高教司產學合作協同育人項目（201902143004）

作者簡介：陳 宇（1988— ），男，碩士，主要從事焊接技術與工程專業的教學與科研工作。E-mail：chenyu274@xtu.edu.cn。