基于科技創新與CDIO 項目化教改的《工業機器人操作與編程》實訓項目開發

葉泉，朱紅娟

（南京機電職業技術學院自動化工程系，江蘇 南京 211306）

1 前言

當前，新一輪科技革命和產業變革加速演變，更加凸顯了加快提高我國科技創新能力的重要性，對創新技能型人才的需求將愈加迫切。職業教育作為實現技術技能人才有效供給的重要一環，在制造業生產方式的更新迭代、產業的技術革新過程中發揮關鍵作用，是推動制造業智能化發展不可或缺的核心力量。高職教育培養生產、建設、管理、服務一線的高素質技術應用型人才，強調學生動手能力和管理能力，高職學生科技創新在生產一線有其獨特的價值和優勢。

《工業機器人操作與編程》是工業機器人、機電一體化技術等專業的常見專業課程，是通過分析企業對崗位的需求而開設的課程，直接面向企業崗位培養學生的工作能力。但當前課程教學中往往過于強調工作任務對人能力的需求，高職學生普遍科技創新意識薄弱、科技創新能力普遍不足，因此，如何科技創新教育貫穿專業課程教學全過程，真正將學生納入科技創新體系是廣大學者普遍關注的問題。本文基于課程教學現狀及“創客校園”背景詳細介紹了我校機電一體化技術專業《工業機器人操作與編程》科技創新和CDIO 項目化教學改革與實施經驗。

2 課程教學現狀

《工業機器人操作與編程》課程的內容既包括工業機器人的基本硬件原理，同時還包括工業機器人的示教編程方法以及工業機器人日常維護等內容，總學時為40學時，授課時間安排在大二第一學期。授課對象為高職二年級學生，經過大一的學習，他們具備一定的專業基礎知識，動手能力較強，普遍思維活躍，但單純理論的講解較難讓學生感興趣。

3 教學設計與分析

3.1 總體教學方案設計

本課程教學設計采用線上+線下/虛實結合課堂的模式。課前借助信息化手段，以學生為主體，自主預習實施“一課一問、一問一法”。課中在教學過程中進行“分層評價、分類培養”學生依據職業興趣和未來發展方向，在課程教學過程中，自主并動態選擇“合格”“提高”“優秀”三個層次的學習內容及評價方式，教師根據“知識型，實踐型，創新型，應用型”四類學生特點實施不同的課程項目，采取不同的教學策略，培養學生自信、發揮學生特長，達到因材施教的目的。注重引導和培養學生的愛崗敬業的職業精神，以及精益求精嚴謹細致的工匠精神。

教學分為四大模塊：（1）線上課前預習模塊。教師采用線上學習通發布課程預習資料，學生通過預習和在討論區提問，教師通過學生預習情況實施“一課一問、一問一法”并調整教學策略。（2）線下課堂模塊。線下教師理論講解+虛擬仿真軟件操作演示并通過學習通下發本課任務，學生使用虛擬仿真軟件完成課堂任務，并通過學習通線上提交任務完成后的視頻，學生課堂操作期間教師給予指導，最后采用小組點評+教師點評作品，教師通過學習通給予本次課堂任務考核分數。（3）實訓操作模塊。教師發布任務單，學生分組完成任務，實施“分層評價，分類培養”，知識型主要負責撰寫項目任務書；實踐型負責機器人操作指導和小組安全員；創新型負責程序設計；應用型負責匯報。通過前次課程學生具有一定操作基礎，通過在實訓室操作真實設備，將課本知識運用到現場實際，讓理論指導實踐應用，并且教師在現場給予本次課堂任務考核分數。（4）創新實踐模塊。通過前面的理論+技能操作，繼續實施“分層評價，分類培養”，教師組織頭腦風暴讓同學們回憶在實際操作設備時的痛點和難點，學生分組討論，知識型主要負責撰寫創客項目課程標準；實踐型負責課后制作創客作品；創新型負責方案設計；應用型負責匯報。教師進行有效分析提煉出有價值、可行的想法，進而結合專業知識挖掘專利點、創客作品和創客項目課程標準（圖1）。

圖1 《工業機器人操作與編程》教學設計

3.2 優化教學內容

本課程的基本任務是：本課程以6 個學習項目為教學內容的載體，通過6 個學習項目使學生掌握工業機器人的操作、編程等技能，工業機器人的硬件原理，以及工業機器人系統的調試、測試能力。項目以實際工程案例為主，分解為若干任務，由任務驅動，每個任務分解為相關知識、任務實施、任務提高，由淺入深，體現理實一體。每個項目中的“任務擴展”環節作為拓展練習，可提高學生發散思維和綜合應用能力（表1）。

表1 《工業機器人操作與編程》項目化教學任務

3.3 優化考核方式

課程考核采用“過程考核+期末考試”的方式，以期實現對學生課堂全過程的考核，其中過程考核=平時考勤（10%）+作業（30%）+任務考核（60%），最終課程總成績=過程考核（50%）+期末考試（50%）。其中任務考核需要學生完成團隊任務匯報、撰寫項目任務書、程序設計、設備操作調試等，完成任務的過程體現了團隊協作的能力，團隊中的每個學生進行“分層評價，分類培養”，提升學生工業機器人操作的綜合能力。

4 科技創新實踐項目

針對學校的工業機器人工作站實訓設備，我們在課堂上鼓勵學生利用現有設備二次開發進行科技創新實踐項目，本文提供了一種開發案例“工業機器人防撞保護學習裝置”，學生以此項目申請了2021 年“江蘇省高等學校大學生創新創業訓練計劃項目”、申報多項專利、參與三創大賽并獲獎。

4.1 系統總體方案

本項目在工業機器人工作站上加入防撞、報警裝置，解決工業機器人在使用過程中安全問題；加入可調升降器，以此可自由改變教學時的難度；加入工作臺臺面的柔性材料，以防機械臂無法控制時，提供最后的保障。實際設備如圖2 所示。

圖2 “工業機器人防撞保護學習裝置”實物圖

4.2 程序設計

（1）PLC 程序設計。在博途V15 軟件中，添加S7-1200 系列PLC 硬件，本項目采用了CPU1215C DC/DC/DC，由于防撞報警信號端采用帶有MODBUS-TCP 協議的工業以太網I/O 模塊，因此，在程序中讀取I/O 模塊信號采用“MB_CLIENT”指令。需要提前做好全局DB 模塊，并在其中添加MODBUS-TCP 需要用到的TCON_IP_v4 數據，建立指定I/O 模塊連接時所需的所有地址參數。后續編程需要的一些數據也可以建立在這個DB 塊中。

在FB 函數塊中，添加了兩個“MB_CLIENT”指令，分別用于I/O 模塊的讀取、寫入，如圖3 所示，用MB_MODE 引腳參數來區別，最后，如果檢測到碰撞信號則觸發報警信號“防撞_DB”。防撞報警，如圖4 所示。

圖3 “工業機器人防撞保護學習裝置”FB 函數塊-程序段1

圖4 “工業機器人防撞保護學習裝置”FB 函數塊-程序段2

（2）機器人程序設計。機器人的主要任務為在防撞平臺上進行繪圖或者搬運等作業，當觸發警報時機器人能調用中斷程序停止運動。機器人主程序包含調用“rChuShiHua”初始化程序以及在PLC 發送組信號為100 時調用“rFuWei”復位程序、PLC 發送組信號為310 時調用“rHuiTu”繪圖程序，當PLC 的“防撞_DB”防撞報警信號為1 時會發送104 組信號給機器人，機器人端接收到信號后，則調用“tTingZhi”讓機器人執行“StopMove”指令停止運動，同理，當故障排除機器人端接收到105 的組信號時，機器人則執行“StartMove”指令重新開始運動。機器人端程序如表2 所示。

表2 機器人程序

5 結語

通過本次基于科技創新與CDIO 項目化教改的《工業機器人操作與編程》實訓項目開發，對課程總體教學方案進行設計、優化教學內容、優化考核方式，并針對學校的工業機器人工作站實訓設備引導學生開發設計科技創新實踐項目，產生了以下改革效果。

（1）虛實結合有效提升課堂效率。課堂教學中使用到了虛擬仿真軟件，虛擬仿真軟件和真實實訓室的配合使用緩解了設備不足、實訓指導教師維護設備工作量大等實際問題，增強了學生的實踐動手能力。課程配套教材于2021 年1 月由機械工業出版社出版，出版后在本校、許昌電氣職業學院、鄭州財經技師學院、湖南財經工業職業技術學院等院校中得到了推廣應用。

（2）助力完善地方職業技能培訓體系。課程配套錄制的《工業機器人操作與編程》課程視頻中標南京市人社局南京市職業技術培訓指導中心線上優質課程資源，在南京人社網中南京市職業培訓e 起學學習平臺為南京市市民提供在線技能培訓。

（3）開發新工種培訓助力人才培養。課程促進開發了《工業機器人應用工程》新工種培訓，參與南京市職業技能培訓助力智能制造人才培養，開展以來完成校內培訓1586 人次。同時，完成了金陵科技學院、南京工程學院、南京工業大學浦江學院等本專科學校的培訓，共培訓了1082 名學生，有效地解決了高校畢業生就業一公里的問題，受到了廣泛的好評。

（4）以賽促教爭提升，結合創新育人才。機電團隊師生多次獲得全國大學生機器人大賽、江蘇省機器人大賽二、三等獎。通過結合機器人相關專業知識來培養師生創新能力。學生申報專利230 多項，授權專利190多項。機電173 班39 人結合專業課程共申請專利65 項，授權57 項，被“現代快報”ZAKER 直播平臺稱為“最牛發明班”，這場直播共吸引12.2 萬人在線觀看討論。機電172 班和174 班被江蘇省教育廳授予“江蘇省省級先進班集體”。

同時，我們也要在教學實施中應該多一些拓展開放性的任務，實踐項目應該校企結合密切關注實際生產實踐案例，把優秀的案例引到教學中，為培養具有一定創新能力的高素質技術技能人才提供借鑒。