智能制造背景下高職院校工業機器人編程與操作“理-虛-實”項目化教學改革研究

摘要：發展智能制造是我國在面對應對新一輪科技革命時做出的重大戰略抉擇。隨著我國智能制造的和新一代信息技術的發展，工業機器人正在越來越多的領域逐步代替人類的某些重復性勞動。文章首先講解了工業機器人的研究背景和研究現狀，然后對課程中的現狀進行了分析并提出了相應的改革方法，最后對文章進行了簡單總結。

關鍵詞：智能制造；高職；工業機器人，編程與操作；教學改革

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）05-0172-03

1 研究背景

隨著人工成本的逐年提升，工業機器人開始在智能制造領域大規模普及，工業機器人行業的迅猛發 展。相關數據顯示，中國工業機器人市場累計銷售工業機器人2020年共有23.7萬臺，2021年共有27.1萬臺，2022年共有30.3萬臺。 從銷售數據可以看出，工業機器人的應用前景十分廣闊，用途多種多樣，在汽車裝備制造、電子信息產品制造、家用電器制造等領域都能夠大規模使用工業機器人。

2 研究現狀

我國的高職院校工業機器人技術教育，主要目標是培養適應智能制造背景下經濟社會發展需求的技能型人才為主[1]，在工業機器人教育方面以提升操作技能、改進教學方法為主，近幾年，隨著各類虛擬仿真軟件的引入，工業機器人教學側重采用虛實結合的方式開展教學。山東華宇工學院鄭明輝以項目為載體、任務為驅動開展工業機器人編程與操作的課程實訓。上海第二工業大學工程訓練中心朱文華、史秋雨、蔡寶等人研究了基于Robot Studio的工業機器人工藝仿真平臺設計。廣東交通職業技術學院郝建豹、林令暉、祝嘉林等人研究了基于Robot Studio的木窗生產線仿真設計。

3 課程存在問題

目前，高職院校工業機器人操作與編程授課過程中存在如下兩個問題。一是任課教師普遍采用重復式模仿操作的傳統教學方法，教師首先示范操作步驟，然后學生模仿教師操作方法和步驟開展練習。這種教學方法簡單明了，但不求甚解，學生不清楚為什么要這樣操作以及操作的原理，那么換一種應用場景，往往就會手足無措、無計可施。這樣就會極大地限制了學生的綜合應用能力和職業素養的提升。二是工業機器人實訓教學設備成本高，數量不足，平均實操時間短。以 ABB IRB-120型號機器人為例，單臺價格十萬以上，且功能比較單一，無法布置切割、打磨、噴涂、焊接、裝配等智能制造常見典型工作場景，導致實訓教學項目與智能制造領域實際需求嚴重脫節。

4 改革內容

4.1 三位一體教學方法

由于高職院校工業機器人操作與編程實訓條件的限制，理論課與操作課脫節，課程內容無法體現真實的智能制造場景 。這種教學方法會導致實際操作與理論知識無法有效結合，學生為了操作而操作，無法使理論指導實踐，技能的掌握相對比較膚淺，特別是工業機器人操作與編程無法與智能制造有關項目緊密結合。在此引入虛擬仿真、項目式教學、做中學、學中做等一體化教學方法 。這種教學方法可以充分采用理虛實相結合教學方法，充分發揮各自的優點。在介紹理論知識的時候引入虛擬仿真教學，通過計算機虛擬仿真軟件熟悉工業機器人在智能制造背景下的典型工作場景[2]，并強化對所學知識的了解，熟練后再通過現場設備進行實際操作練習 。教學過程中要求必須以項目為抓手 ，理論講解、虛擬仿真、實體操作三位一體，提升學生的綜合技能和知識理解水平，最后再結合展示與評價環節進行課堂講評。

4.2 依據場景重構教學項目

智能制造背景下工業機器人經常用于搬運、碼垛、焊接、噴涂等工作場景。在課程項目設計環節，項目內容主要圍繞以上典型應用場景編排教學內容，從參數設置、RAPID 語言編程、RobotStudio 軟件仿真、ABB工業機器人實踐操作等方面全方位展示智能制造背景下典型應用場景。項目設計要體現智能制造背景下工業機器人工作任務的真實性，盡量選用生產企業真實的工作任務并加以改造。工業機器人編程操作課程項目內容設計，如表1所示，項目設計以安全為前提，以培養學生職業能力和素養為目標，各個項目之間相互銜接、不斷深化、難度逐步加深。項目化設計后知識和能力的逐級躍遷階梯圖，如圖1所示，由階梯圖可以看出整個項目設計實現了知識和能力的逐級躍遷，體現了基于智能制造背景下典型工作過程為導向的課程開發，注重學生的綜合職業能力的培養，達到了以工作過程系統作為導向的教學改革。

4.3 理論講解注重實效

工業機器人是自動化技術集合的產物，具有很強的邏輯性和科學性，在理論講解環節注重分析智能制造的典型應用場景，主要分為示教操作、運動控制、搬運碼垛、軌跡焊接等四個工作情景，將工業機器的精準定位、運動指令、循環指令、偏移指令等理論知識融合于四個工作情景中。每個工作情景分為若干個任務，采用任務驅動法組織教學，指導學生采用理論實踐一體化的方式，把理論基礎知識應用于實訓教學中，培養學生分析問題、解決實際問題的能力，培養團隊協作精神。在講授工業機器人碼垛編程與操作案例時，首先要講解碼垛編程流程圖，然后講解搬移點位的計算方法和核心編程指令。

4.4虛擬仿真精選典型案例

工業機器人是一門多種科學知識綜合運用的新興學科。在教學過程中，由于機器人編程與操作具有嚴密的邏輯性和嚴格的科學性，所以每個學生在進行機器人設計和制作的過程中，隨時都有可能碰到：設計好了程序，機器人實際運行卻不符合實驗要求。這就需要教師和學生之間必須經常和及時地開展虛擬仿真的學習和研究，在虛擬仿真平臺不斷調整機器人的各項參數，直到達到設計要求[5]。

教師需根據智能制造背景下對工業機器人的典型工作場景需求，自主設計虛擬仿真項目內容進行知識分解與儲備學習 ，在虛擬仿真環節借助 ROBOTSTUDIO 虛擬仿真軟件實驗平臺，結合智能制造背景下的實際生產需求，精心編制虛擬仿真工作站。

4.5 實體操作反復演練

在實體操作環節，教師在課程中起到引導、咨詢和指點的作用。教師利用理論實踐結合能力對任務進行分析解讀，將任務分解成知識點和操作規范，指導學生實際操作機器人設備完成任務，提醒學生觀察實驗現象、反復演練尋找操作規律，并幫助總結歸納知識點。智能制造背景下的現場實操，要能夠體現出激光切割、搬運、碼垛、噴涂等典型工作場景。在練習激光切割項目實訓操作中，讓學生在指定的圖紙上使用三種運動指令完成三角形、正方形、S形的軌跡運動操作。使學生對工業機器人現場編程不僅有較高的理解認識，而且更重要的是有較高的實踐操作技能。在實操搬運、碼垛項目的時候，要能夠靈活使用偏移量指令[6]。

4.6 過程考核多元評價

在“展示與評價”環節，如圖2所示，要求學生現場完成機器人多模型軌跡運動、積木模型搬運、金字塔形狀碼垛等實操環節，向老師和同學展示實驗成果。教師根據實訓項目要求，進行觀察指導和雙向互動，并根據實操項目完成情況和學習過程主觀表現完成教師評價與組內互評。虛擬仿真環節采用小組合作式的探究性學習。為了做到這一點，采用分小組建團隊，以便同學之間搞好合作和探究性學習，培養團體合作精神，解決虛擬仿真過程中實施中遇到的實際問題，還可以發揮團體力量，不斷創新，從而提高課程教學水平。

5 結論

智能制造背景下工業機器人編程與操作“理-虛- 實”項目化教學可以將理論課、實訓課和虛擬仿真三者緊密結合，引導學生通過理論學習、機器人操作演練和虛擬仿真軟件操作提高知識和技術水平。有利于使理論知識學習、虛擬軟件仿真和實際設備操作互相促進、相輔相融。有利于將智能制造業的實際情況結合到教學中去，并通過實訓室智能生產線的虛實結合進行展現。有利于促進學生專業理論和專業技能的同步提升。

參考文獻：

[1] 帥佳慧，韓偉芳.理虛實一體化教學在《工業機器人編程與操作》課程中的應用研究[J].科技風，2020（1）：27.

[2] 劉靜，楊輝.CDIO導向的工業機器人安裝與調試課程實踐教學改革[J].智庫時代，2018（27）：203，208.

[3] 夏金偉“. 教學做” 一體化式教學 在《工業機器人技術》課程中的應用與研究[J].煙臺職業學院學報，2018，24（1）：64-66.

[4] 鄭明輝.基于RobotStudio的工業機器人焊接工作站仿真設計[J].現代信息科技，2020，4（23）：118-121.

[5] 潘杰.機器人搬運碼垛金字塔形狀物料仿真設計研究[J].電腦知識與技術，2021，17（17）：21-23.

[6] 王巧巧《. 工業機器人應用技術》融入“課程思政”的教學實踐[J].成才，2022（2）：78-80.

【通聯編輯：聞翔軍】