機器人工程實踐教學基地的建設探索

石巖，石家昊

（1.遼寧理工職業大學，遼寧 錦州 121000；2.北京三快在線科技有限公司，北京 100089）

0 引言

制造業是國民經濟的主體，是立國之本、興國之器、強國之基[1]。我國傳統制造業面臨智能化升級轉型，對自動化水平的要求不斷提升，發展工業機器人勢在必行，《中國制造2025》國家行動綱領更是明確指出“機器人”是國家重點發展領域之一。在此背景下，我國機器人行業得到了前所未有的高速發展，成為全球最大的應用市場。

然而，機器人行業相關的應用型人才尚不能滿足市場極速發展的需求。據統計，我國機器人行業每年的人才供需間存在巨大缺口，同時受體制機制等多種因素影響，人才培養供給側和產業需求側在結構、質量、水平上還不能完全適應，“兩張皮”問題仍然存在[2]。國務院辦公廳關于深化產教融合的若干意見（國辦發〔2017〕95號）中提出了“校企協同、合作育人”的原則和目標，為各高校培養機器人行業人才指明了方向。遼寧理工職業大學與山東棟梁科技設備有限公司積極響應號召，校企合作進行了機器人工程創新實踐基地建設。

1 機器人工程實踐教學的困境

機器人工程是集機械、電氣、自動控制、計算機等多專業交叉的新興專業，專業發展時間短、積累少，不夠成熟。在實踐教學中缺乏完整的教學體系、貼合的教學內容、適用的實踐應用平臺，缺少過硬的“雙師型”師資等，使得當前各類院校難以適應新經濟發展對工程技術人才的需求[3]。

1.1 實踐教學內容與產業需求存在脫節

在行業高速發展的當下，機器人的理念不斷更新、發展，其相應的教學也應與時俱進，應該相應及時更新、調整、完善實踐課程體系及教學內容。但目前很多高校還是選不到合適的教材，授課中側重內容較為抽象的單一學科的理論知識教學；缺少與實際應用相結合的多學科的實踐教學，缺少最前沿的新產業、新技術、新工具軟件等內容；不能將理論與實踐教學進行有機整合。這樣難以調動學生的學習興趣，不利于培養學生實踐動手能力，不利于培養學生解決實際問題的綜合能力，不能有效滿足社會對機器人專業的用人需求。

1.2 實踐教學比例不足，學生動手能力弱

高校的機器人工程專業主要以培養工業機器人及其相關機電設備的設計、制造、安裝、編程、調試、運行、維護等專業技術人員為目標。我校作為職業教育本科高校，側重培養在工業機器人自動化生產線從事安裝、調試、運行、維護的高端技能型人才。這就要求學生在學習中加強實踐能力訓練。然而，目前機器人實踐教學器材價格昂貴，每套實訓設備費用約為幾十萬元，配齊供學生以班級為單位進行實踐教學，需要10套左右，則整體設備費用高達幾百萬。同時開展實踐教學也需要較大的教學空間，并進行配套的裝修改造。這對于大部分高校而言，一次性投入資金較高，有一定難度。因此，受以上條件制約，大部分高校教師在現階段機器人教學中，偏理論，輕實踐，未能較好開展綜合應用型實訓，導致學生動手能力弱。工業機器人是多學科交叉融合的產物，實踐性強，對學生的動手能力、創新能力要求高。因此，實踐基地建設與管理成為機器人工程專業建設的重點工作[4]。

1.3 雙師型隊伍建設有待進一步提高

如前文所述，機器人工程專業是集合多種交叉學科的新興專業，社會專業技術人才極為短缺，很難從企業招聘到具有一定經驗的人才加入教師團隊，高校中畢業于機器人專業老師同樣少之又少，所以教師隊伍主要由學校內部培養，任課教師多來自于機械、電氣、計算機等傳統專業，經過機器人專業的相關培訓。來自不同專業背景的教師，在從事機器人教學中，都有自己的擅長和欠缺之處，難以做到在機械、電氣、自動控制、計算機等多領域理論實踐知識融會貫通。同時，大部分機器人專業授課教師沒有在機器人企業的工作經歷，自身的實踐能力也有待提升，雙師型教師隊伍的建設有待進一步提高。

面臨以上諸多困境，高校機器人工程專業急需解決人才培養能力不足的問題，校企產學合作、協同育人是一種行之有效的方法。機器人工程專業要通過開展產教融合模式進一步促進專業鏈和產業鏈的融合發展，既滿足產業鏈上人才供給和需求的匹配，又滿足高校教育發展和市場相互接軌的需求，進而達到學生、學校、企業之間的共贏[5]。從學生層面，有機會直接接受企業導師的指導，了解最前沿專業技術知識，提高實踐動手能力，有利于畢業后就業。從高校層面，企業向高校提供一定費用的實踐器材和軟件，并協助學校建設實踐基地，有利于學校培養符合市場需求的人才。從企業層面，參與機器人人才培養，有利于緩解本企業人才缺口，同時與大學建立合作伙伴關系，高校的科學研究既可以為企業提供技術支持，又有利于企業在發展中保持競爭優勢。

2 機器人工程實踐基地的建設內容

2.1 實訓室建設

遼寧理工職業大學擁有智能制造實訓室2個，配備工業機器人實訓設備、觸摸屏PLC運動控制實訓設備、智能制造生產線、3D打印機，激光雕刻機等設施，可以開展工業機器人機械部分及控制部分認知、工業視覺應用和伺服運動控制等工業機器人應用技術的相關實訓實驗。由于機器人實訓設備昂貴，維護成本高，實訓室設備數量不足，不能滿足學生教學需要，以往學生參加實訓項目多人圍著一套設備進行，學習效果不好且可能發生不可控的危險狀況。

在學校與企業合作的產學合作協同育人項目實施過程，首先，在原有實體實訓設備基礎上，增加了托盤及料塊供料模塊、料塊搬運模塊、輸送帶模塊、材質檢測模塊、深度檢測模塊、搬運機械手模塊、托盤收集模塊、倉儲模塊、電磁閥組、傳感器組、RFID讀寫器等實用教學模塊，使實訓項目可開展更多、更貼近目前的產業需求，使畢業的學生直接面對企業的生產設備工作。其次，在企業的協助下建設了基于“數字孿生”的虛擬仿真系統即智能裝備數字化系統。學生通過此系統平臺能夠實現：（1）在電腦上利用數字孿生軟件（西門子MCD/VUP高級開發版）形成3D虛擬機器人工作站來構建例如模塊化柔性生產線、光機電一體化設備、智能制造系統集成應用、工業互聯網協調制造生產、智能制造單元等生產工作場景，學生上機進行各種編程訓練與模擬操作調試的學習，對機器人技術相關的硬件設備及實際的產業需求就會有了理性的認識。（2）在實訓平臺上進行操作、編程與調試上機學習一定程度后，通過真實的各種教學模塊的搭建及實訓設備的實際操作完成例如工業機器人搬運、裝配、繪圖、工業機器人搬運裝配集成和工業視覺檢測、視覺識別制等實際操作使學生對相關的硬件設備及實際的產業需求有感性的認識。（3）在理性虛擬智能制造場景中上機學習與感性實訓室實訓設備實際操作相結合的基礎上通過系統中的考試模塊，能夠檢查學生的學習成果，拿到相應的學分。這樣的機器人工程實踐基地使學生掌握了智能制造很多的最新知識與技能，熟悉了制造業的生產設備及生產需求，提高了他們的學習積極性，培養了學生的綜合應用能力。教師通過此實踐基地也能更快的了解前沿技術，熟悉企業目前的需求，提高業務水平盡早成為真正的雙師型教師。

2.2 實踐教學資源建設

為了能夠培養出真正符合企業需求的專業人才，避免學生畢業后到企業工作崗位所需的專業技能與在學校學到的專業知識相脫節，學校與企業專業技術人員共同修訂實踐教學大綱、設計實踐教學內容、編寫教材等，共同進行實踐教學資源建設。

在實際工作中，工業機器人技術人員需要在實際操作動手能力上有較高水平，而以往我校在實踐教學方面受各種條件制約，實踐教學比例不足。針對這種情況，在教學中適當增加實踐教學的比例，企業提供的實訓器材和虛擬仿真軟件更是為我們實踐教學提供了強有力的保障。目前，我們在企業的協助下可以將學校原有的實訓器材與數字孿生虛擬仿真軟件結合起來，使實踐教學更充分更飽滿，理論教學與實踐教學的課時比能達到1∶1，這樣充足的實踐教學定能大大地提高學生的實踐動手能力，使他們成為企業所需要的真正人才。

經過與企業的充分溝通、反復分析、研究、探討，將工業機器人技術的實踐教學內容拆分為兩部分：一部分側重基礎性的專業認知實踐教學，夯實學生的專業基礎，建立學生對機器人相關軟件硬件的整體認知，實現對工業機器人技術專業人才培養的通識教育[5]；另一部分側重“訂單式”實踐教學，這部分教學中緊緊圍繞企業的生產流程，精心設計有代表性的實踐項目，融入了機器人企業真實項目元素，學生在實踐學習中扮演了“學生+員工”兩個角色，產生極大的學習興趣和自主性，課余時間努力查閱資料解決問題。這樣學生走出學校進入工廠后，相當于已經參加企業的準崗前培訓，畢業后能夠快速適應工作崗位。在這種訂單式培養教學中，企業的技術人員協助我校教師，圍繞開展實踐項目，提供來自生產一線的真實案例，編寫內容豐富、高質量的實訓指導書、教學課件、實訓案例、配套習題冊等教學文件。

2.3 實踐教學師資隊伍建設

在學校與企業進行合作時，應對教師的專業授課能力進行培養，以確保課程教學體系的完整性。通過校企合作平臺，學校方面可派教師進入企業中進行深造，以提升教師的實踐類教學能力[6]。本實踐基地的教師團隊由我校教師和山東棟梁公司企業技術專家共同組成。高校教師理論基礎深厚扎實，科研攻關能力強；企業技術專家有著豐富的工程實踐經驗，對生產實踐環節有著全面系統的掌握。二者協同育人優勢互補互相促進，形成一支滿足專業發展需求的教師團隊。在學生實踐項目中，企業指導教師針對工業機器人實驗室硬件軟件設施，編寫了配套的實訓指導書，對每個項目方法、步驟、注意事項等給出了詳細的設計和指導，這有效彌補了我校教師在實踐經歷不足的欠缺。在教學過程中，校企雙方老師通過線下、線上各種方式，積極交流互動，就專業中的熱點、難點進行分析研究，開展組織各種教學活動。通過合作，企業老師把生產流水線、工藝技術、行業發展趨勢等分享給我校老師，使得高校教師在專業理念得到更新、專業思維得到拓展、專業水平得到提高。同時我校還在適當時機安排教師到企業進行實踐，參與企業的生產制造、技術培訓、產品創新等，使得教師的實踐能力得到提升，經過校企深度合作，我們的教師團隊逐步成長為高素質的“雙師型”教學團隊。

3 實訓基地建設成效

3.1 指導學生參加創新創業訓練項目

為了更充分發揮機器人工程創新實踐基地的作用，我們注重加強各級、各類大學生創新創業項目的培育和管理，持續推進大學生創新創業訓練計劃、實培計劃等創新實踐項目的質量提升和成果轉化，以全方位的實踐項目體系引導學生實踐、創新、創業，打造完善的工程教育體系[7]。學生們自發組建了機器人社團、機器視覺協會，老師們組建了機器人相關的大師工作室等。這樣學有余力的學生們除了完成課內學習任務，還可以利用課余時間，通過社團或教師工作室參加科學研究、項目開發等創新創業活動。校企雙方老師還組織指導學生參加各級別大學生創新創業訓練計劃項目。在項目完成過程中，由學生結合專業熱點和自身興趣進行自主選題，并在老師指導下查閱資料、設計方案、動手實驗，最終完成整個項目。在機器人工程創新實踐基地這一平臺上，學生們能夠利用高科技現代化設備，進行各種實驗，通過項目的訓練，使學生了解并掌握項目前期調研、選題、立項、實施、驗收的全過程，提升了學生的創新創業項目管理、組織和實施的能力[8]。開展校企合作活動以來，我們指導大學生創新創業計劃項目10余項，開展創新創業活動10余次。通過不同形式的創新創業實踐教育累計培養學生近100名。經過創新創業訓練，學生的實踐能力和創新能力都得到了大大的提升，整體的科研創新水平顯著提升。

3.2 指導學生參加專業學科競賽

校企合作共建機器人實訓基地，在培養學生參加競賽方面，還起到了較為重要的促進作用。校內教師和企業導師充分利用實踐基地資源優勢以賽促教，積極組織學生參加各級學科競賽活動。通過參加競賽，培養學生專業能力，并進一步提高實踐創新能力，使學生在校期間就具有一定的機器人工程素養和能力。

經過近幾年的參賽實踐，目前基本形成了一整套完備的機制即競賽導師制。依據各級參賽規則和要求，教師選拔推薦和學生自由組隊相結合，組建參賽小組，每個小組推薦1名學生作為組長，進行組織、協調安排及技術負責。校內及企業指導教師共同制定參賽計劃，每個小組按照進度計劃進行賽前訓練，每個小組每周向指導老師匯報1～2次，并說明在準備中遇到的問題和難點，由指導老師和小組成員共同商定解決辦法。

截至目前，已有十多名學生參與遼寧省職業院校學生技能大賽，并獲得機器人系統集成和機器視覺系統應用省級二等獎各1項。這些成績展示了學生的優秀的專業實踐能力，凸顯了遼寧理工職業大學“校企合作、協同育人”人才培養模式的成果。

4 結語

“機器人工程創新實踐基地建設”基于2021年教育部“產學合作協同育人”項目和企業建立了良好的校企合作關系，得到了棟梁公司在實訓器材和虛擬仿真軟件方面的支持，更新完善了原有實訓室的軟硬件資源。在此基礎上，校企合作在教學資源和師資隊伍建設等方面也都起到了極大的推動作用。我校工業機器人技術專業學生充分利用實踐基地這一有利資源，積極參加創新創業項目及專業學科競賽，達到人才培養質量整體提升的目標，為高校與企業進一步開展校企深度融合提供借鑒。