“工業(yè)機器人編程與操作”課程混合式教學(xué)改革探索

楊柳曼 萬麗琴

摘? 要：隨著智能制造人才需求逐年增多，對培養(yǎng)學(xué)生綜合能力提出了更高的要求，如何將傳統(tǒng)的知識傳授為主的課堂轉(zhuǎn)變?yōu)橐耘囵B(yǎng)學(xué)生能力為主的課堂，從而提升學(xué)習(xí)效果成已成為核心問題。以“工業(yè)機器人編程與操作”課程為例，對混合式教學(xué)改革進行了研究、實踐和探索，形成“課前預(yù)習(xí)—課中練習(xí)—課后復(fù)習(xí)”教學(xué)活動緊密聯(lián)系的學(xué)習(xí)形式，強化綜合能力培養(yǎng)，深化育人效果。

關(guān)鍵詞：工業(yè)機器人;混合式教學(xué);課程改革

中圖分類號：TP39;G642? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2021）18-0191-04

Abstract： With the increasing demand for intelligent manufacturing talents year by year， higher requirements are put forward for cultivating students comprehensive ability. How to change the traditional classroom based on knowledge teaching into a classroom based on cultivating students ability， so as to improve the learning effect has become a core problem. Taking the course of “industrial robot programming and operation” as an example， this paper has studied， practiced and explored the blended teaching reform， forms a learning form that the following teaching activities are closely related together： pre class preview， in class practice and after class review， strengthens the cultivation of students comprehensive ability and deepens the effect of education.

Keywords： industrial robot; blended teaching; course reform

0? 引? 言

《中國制造2025》規(guī)劃中提出，要把智能制造作為信息化與工業(yè)化深度融合的主攻方向，其中工業(yè)機器人被認為是實現(xiàn)目標的關(guān)鍵，我國企業(yè)對這方面的人才需求逐年遞增[1]。當前，各大院校都開設(shè)了工業(yè)機器人相關(guān)課程，但在教學(xué)中仍然以傳統(tǒng)的教學(xué)方式居多，學(xué)生學(xué)習(xí)效果不理想[2]?；旌鲜浇虒W(xué)，最早是20世紀90年代在企業(yè)培訓(xùn)中出現(xiàn)，是一種線上和線下學(xué)習(xí)結(jié)合的基本教學(xué)形式，將不同類型的學(xué)習(xí)資源、學(xué)習(xí)策略和學(xué)習(xí)活動進行有機融合，從而達到教育效益最優(yōu)化的一種教學(xué)模式[3]。采用混合式教學(xué)，有助于學(xué)生加強課前預(yù)習(xí)，加深對課堂教學(xué)重難點的理解和靈活運用，更好地掌握基本技能，滿足未來對工業(yè)機器人技能人才的需求。

1? “工業(yè)機器人編程與操作”課程教學(xué)現(xiàn)狀

“工業(yè)機器人編程與操作”是一門智能制造專業(yè)群的核心課程，涵蓋了工業(yè)機器人基本操作、在線編程、離線編程、PLC應(yīng)用、視覺檢測技術(shù)等知識點和技能點[4]，是培養(yǎng)學(xué)生熟練掌握工業(yè)機器人操作技能、提升職業(yè)能力和素養(yǎng)的重要渠道。目前仍然采用傳統(tǒng)教學(xué)方法居多，教師演示操作過程，學(xué)生模仿教師操作反復(fù)練習(xí)直至熟練，這個模仿過程學(xué)生不需要自己思考，嚴重制約了學(xué)生學(xué)習(xí)效率，導(dǎo)致學(xué)生對知識的理解和應(yīng)用有很大的局限性，職業(yè)技能和綜合能力并沒有得到很大的提高，教學(xué)質(zhì)量難以達到顯著的效果。另一方面，大部分學(xué)校的工業(yè)機器人教學(xué)設(shè)備數(shù)量有限，每個學(xué)生動手操作的機會比較少，實操時間短，學(xué)生的實踐技能很難得到提升，并且高職學(xué)生的自制力和自主性都較差，專注力不夠，在其他學(xué)生操作的時候，一部分學(xué)生則覺得枯燥乏味、無所事事，影響教學(xué)效果[5]。因此，在教學(xué)中運用混合式教學(xué)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，更好地掌握專業(yè)知識技能，有效改變當前的教學(xué)現(xiàn)狀。

2? 教學(xué)內(nèi)容重構(gòu)與資源庫建設(shè)

傳統(tǒng)教材知識更新較慢，與當前工業(yè)機器人應(yīng)用編程1+X證書技能要點融合不足[6]，按照“學(xué)以致用”的原則，對“工業(yè)機器人編程與操作”進行任務(wù)式處理，實現(xiàn)以能力為本位，構(gòu)筑職業(yè)和技能相融合、符合教學(xué)新需求的教學(xué)內(nèi)容重構(gòu)。將課程設(shè)計為“初識工業(yè)機器人”“工業(yè)機器人的基本操作”“工具坐標系的建立”“工件坐標系的建立”“IO板的配置及使用”“運動軌跡實驗”“五軸機床上下料綜合應(yīng)用”七個學(xué)習(xí)任務(wù)。

為充分發(fā)揮混合式教學(xué)的優(yōu)勢，重新整理教學(xué)資源，建設(shè)符合本校教學(xué)特色的教學(xué)資源庫。具體為：

（1）制作微視頻。以知識目標、能力目標、素質(zhì)目標為依據(jù)，梳理每次課堂的重難點，錄制成微視頻，上傳至信息化教學(xué)平臺，方便學(xué)生課前預(yù)習(xí)、課后復(fù)習(xí)。

（2）設(shè)計電子任務(wù)工單。將新課堂中的重難點和學(xué)生已掌握的知識點串聯(lián)起來，制作電子任務(wù)工單發(fā)布給學(xué)生，課前學(xué)生根據(jù)工單明確學(xué)習(xí)任務(wù)，課中通過仿真練習(xí)、編程實操完成任務(wù)并記錄，課后反思總結(jié)、優(yōu)化改進，實現(xiàn)任務(wù)工單貫穿教學(xué)全過程。

（3）軟硬件資源有效結(jié)合。課堂中利用工業(yè)機器人操作平臺、智能制造生產(chǎn)線和仿真實訓(xùn)平臺教學(xué)，課堂外利用ABB RobotStudio、PQArt等離線仿真軟件真實再現(xiàn)機器人工作場景。gzslib202204051210

3? 教學(xué)設(shè)計與實施

3.1? 教學(xué)策略

本課程采用“激趣”“創(chuàng)境”“釋疑”“鞏固”教學(xué)策略，“激趣”即通過視頻，案例等引導(dǎo)學(xué)生思考，激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的興趣;“創(chuàng)境”即創(chuàng)設(shè)工業(yè)機器人操作環(huán)境，借助案例鼓勵學(xué)生積極探索，合作學(xué)習(xí);“釋疑”即學(xué)生在解決問題過程中遇到難以解決的問題，教師進行解答，“鞏固”即進行課中綜合實踐，從而提高學(xué)生的操作編程應(yīng)用能力。

3.2? 整體教學(xué)設(shè)計

充分運用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺及資源和仿真實訓(xùn)平臺及系統(tǒng)，開展“課前預(yù)習(xí)—課中練習(xí)—課后復(fù)習(xí)”的教學(xué)活動，如圖1所示，環(huán)環(huán)相扣，緊密聯(lián)系，保證教學(xué)效果。

具體為：

（1）課前預(yù)習(xí)：教師在課前做好課堂規(guī)劃，在網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺上傳視頻、圖片、PPT、等多種學(xué)習(xí)資料，發(fā)布電子任務(wù)工單，引導(dǎo)學(xué)生完成課前信息收集和歸納、自主學(xué)習(xí)相應(yīng)內(nèi)容，將疑問記錄下來帶到課堂上釋疑。

（2）課中練習(xí)：遵循“學(xué)生練為主，教師教為輔”的教學(xué)理念，教師引導(dǎo)學(xué)生完成工單中的任務(wù)，解決學(xué)生在課前預(yù)習(xí)時遇到的問題。結(jié)合課堂測驗、頭腦風(fēng)暴、小組討論、編程案例等教學(xué)活動，考查學(xué)生對相應(yīng)知識的掌握情況，實時檢驗學(xué)習(xí)成果，動態(tài)調(diào)整教學(xué)策略。

（3）課后復(fù)習(xí)：教師在網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺發(fā)布離線編程、拓展思考等任務(wù)，學(xué)生結(jié)合課堂知識點和學(xué)習(xí)資料在規(guī)定時間內(nèi)完成任務(wù)，利用離線仿真軟件鞏固工業(yè)機器人操作技巧。學(xué)生的完成情況可在平臺上及時查看，教師通過批閱和點評作業(yè)，總結(jié)分析學(xué)生存在的薄弱點和典型性問題，并準備在下次課堂上進行講解和分析。

3.3? 教學(xué)實施過程

“工業(yè)機器人編程與操作”課程中，運動指令的應(yīng)用和運動軌跡規(guī)劃是能夠?qū)崿F(xiàn)工業(yè)機器人按照預(yù)設(shè)路徑進行自動運行的重要知識點和技能點。運動指令包括MoveJ、MoveL、MoveC、MoveAbsJ，每個指令中還有位置點、速度、轉(zhuǎn)彎半徑、工具坐標系和工件坐標系等參數(shù)的設(shè)置，這些指令的運動方式各有不同，參數(shù)設(shè)置的不同也會使運動軌跡發(fā)生變化。在教學(xué)過程中，若單純以傳統(tǒng)方式進行理論教學(xué)，學(xué)生很難直觀地理解各種運動方式和參數(shù)變化之間的區(qū)別。因此，“運動軌跡實驗”任務(wù)內(nèi)容實施過程中，按照“課前預(yù)習(xí)—課中練習(xí)—課后復(fù)習(xí)”的基本活動，采用混合式教學(xué)能夠有效將知識點和技能點化解，從而提升學(xué)生技能水平。

3.3.1? 課前預(yù)習(xí)

教師在網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺上傳課件、視頻、動畫、電子工單等教學(xué)資源，如圖2所示，包括每個運動指令的講解微視頻和課件，學(xué)生通過平臺及APP進行課前預(yù)習(xí)，查閱相關(guān)資料，對各個運動指令有一個初步的認識，理解指令中每個參數(shù)代表的含義，教師在電子工單中明確工作任務(wù)，學(xué)生開展線上互動學(xué)習(xí)與討論，打破線下教學(xué)壁壘，形成跨時間、跨空間的學(xué)習(xí)氛圍，激發(fā)學(xué)生興趣，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維與自主學(xué)習(xí)能力。

3.3.2? 課中練習(xí)

教學(xué)過程中，“學(xué)生練為主，教師教為輔”，以任務(wù)工單為引領(lǐng)，具體工作任務(wù)為載體，通過團隊合作的形式，在仿真實訓(xùn)平臺完成既定的工作任務(wù)，如圖3所示，學(xué)生通過操作示教器進行軌跡編程和點位示教，實現(xiàn)工業(yè)機器人按照預(yù)定的軌跡運行，仿真實訓(xùn)平臺模擬工業(yè)機器人端，兼容了真實的手持示教器，在確保初學(xué)者操作安全的情況下，提升學(xué)生使用示教器的熟練度，在得到教師允許后再以團隊的形式在實操平臺進行操作，不斷鞏固實操技能。利用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺，開展小組練習(xí)、頭腦風(fēng)暴等教學(xué)活動，加強師生互動、生生互動，培養(yǎng)學(xué)生的團隊精神。學(xué)生將課前預(yù)習(xí)遇到的疑問帶入課堂釋疑，教師對學(xué)生實踐操作進行指導(dǎo)，加深學(xué)生對運動指令和軌跡規(guī)劃的理解，針對學(xué)生容易出錯、遺漏、不理解的地方著重分析講解，進一步提升學(xué)生的實操技能，培養(yǎng)學(xué)生的鉆研精神以及發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力。

3.3.3? 課后復(fù)習(xí)

教師將課后任務(wù)發(fā)布在網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺，如圖4所示，學(xué)生通過課間知識點的吸收歸納，利用仿真軟件和仿真實訓(xùn)平臺，通過不斷練習(xí)，不斷鞏固當前知識，完成離線編程任務(wù)，對工業(yè)機器人的操作加以熟練鞏固，不斷提升操作技能，提高動手能力。教師在網(wǎng)絡(luò)平臺查看學(xué)生的完成情況并點評分析，總結(jié)學(xué)生存在的典型問題主要是轉(zhuǎn)彎半徑的設(shè)置不合理，導(dǎo)致實際運動路徑與預(yù)期路徑存在偏差，因此在下一次的課堂上，將這個知識點單獨重點講解，并通過實例對比轉(zhuǎn)彎半徑設(shè)置不同導(dǎo)致運動軌跡不同的區(qū)別，加深學(xué)生對轉(zhuǎn)彎半徑的理解。

3.4? 學(xué)生綜合能力評價

以多方位評價模式、多維度評價內(nèi)容、多環(huán)節(jié)評價手段，借助網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺，綜合評價學(xué)習(xí)效果，促進學(xué)生職業(yè)技能的培養(yǎng)。學(xué)生綜合能力評價體系如表1所示，其中平時表現(xiàn)和綜合測評各占50%，平時表現(xiàn)分為線上評價和線下評價，線上主要考查學(xué)生的資料搜集整理能力和學(xué)習(xí)態(tài)度，線下主要考查學(xué)生的團隊合作、職業(yè)素養(yǎng)和操作能力;綜合測評分為階段考核和期末考核，階段考核主要考查學(xué)生對單個知識點的掌握和應(yīng)用，期末考核主要考查學(xué)生對所學(xué)知識點的綜合運用能力。

3.5? 教學(xué)效果分析

“工業(yè)機器人編程與操作”混合式教學(xué)改革探索運用在我校2019級數(shù)控專業(yè)的教學(xué)中，與上一屆同專業(yè)同課程進行對比發(fā)現(xiàn)，教學(xué)模式的改變，使學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣較往屆有很大的提高，從“要我學(xué)”逐漸變成“我要學(xué)”。經(jīng)過一學(xué)期的教學(xué)，學(xué)生對工業(yè)機器人相關(guān)知識和技能掌握更好，不再是局限于課本上的理論知識或虛擬仿真軟件上的“鼠標”操作，而是具備了更強的實踐操作技能，更有利于培養(yǎng)符合企業(yè)用人需求的技能型人才。

4? 結(jié)? 論

混合式教學(xué)，將傳統(tǒng)的“教師知識傳授”轉(zhuǎn)變至“學(xué)生能力培養(yǎng)”上，從實踐-理論-實踐的教學(xué)重構(gòu)，以小組合作為手段，創(chuàng)建高真實度的虛擬環(huán)境，結(jié)合電子任務(wù)工單，充分調(diào)動學(xué)生積極性，增強師生互動，不斷促進學(xué)生綜合能力的養(yǎng)成，有效提升課堂教學(xué)質(zhì)量。

參考文獻：

[1] 官文，熊杰，盧峰.中國制造2025背景下工業(yè)機器人技術(shù)人才培養(yǎng)初探 [J].課程教育研究，2020（11）：238.

[2] 沈玲，劉甘霖.SPOC環(huán)境下混合教學(xué)模式研究——以“工業(yè)機器人編程與操作”課程為例 [J].湖北工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2020，33（5）：82-84.

[3] 趙達.基于混合學(xué)習(xí)的工業(yè)機器人技術(shù)專業(yè)教學(xué)設(shè)計與開發(fā) [D].天津：天津大學(xué)，2017.

[4] 劉大龍，丁鐸.項目式教學(xué)在《工業(yè)機器人操作與編程》課程中的實踐研究 [J].電腦知識與技術(shù)，2021，17（5）：144-145+169.

[5] 潘贇.任務(wù)引領(lǐng)型教學(xué)法在工業(yè)機器人編程與操作教學(xué)中的應(yīng)用 [J].現(xiàn)代職業(yè)教育，2021（26）：118-119.

[6] 盧峰，曾小山.“1+X”證書下的《工業(yè)機器人編程與操作》課程建設(shè)研究——以江西環(huán)境工程職業(yè)學(xué)院為例 [J].課程教育研究，2020（41）：89-90.