摘要：發(fā)展智能制造是我國在面對應(yīng)對新一輪科技革命時(shí)做出的重大戰(zhàn)略抉擇。隨著我國智能制造的和新一代信息技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人正在越來越多的領(lǐng)域逐步代替人類的某些重復(fù)性勞動(dòng)。文章首先講解了工業(yè)機(jī)器人的研究背景和研究現(xiàn)狀，然后對課程中的現(xiàn)狀進(jìn)行了分析并提出了相應(yīng)的改革方法，最后對文章進(jìn)行了簡單總結(jié)。

關(guān)鍵詞：智能制造；高職；工業(yè)機(jī)器人，編程與操作；教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2024）05-0172-03

1 研究背景

隨著人工成本的逐年提升，工業(yè)機(jī)器人開始在智能制造領(lǐng)域大規(guī)模普及，工業(yè)機(jī)器人行業(yè)的迅猛發(fā) 展。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，中國工業(yè)機(jī)器人市場累計(jì)銷售工業(yè)機(jī)器人2020年共有23.7萬臺(tái)，2021年共有27.1萬臺(tái)，2022年共有30.3萬臺(tái)。 從銷售數(shù)據(jù)可以看出，工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)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(chǎn)品制造、家用電器制造等領(lǐng)域都能夠大規(guī)模使用工業(yè)機(jī)器人。

2 研究現(xiàn)狀

我國的高職院校工業(yè)機(jī)器人技術(shù)教育，主要目標(biāo)是培養(yǎng)適應(yīng)智能制造背景下經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需求的技能型人才為主[1]，在工業(yè)機(jī)器人教育方面以提升操作技能、改進(jìn)教學(xué)方法為主，近幾年，隨著各類虛擬仿真軟件的引入，工業(yè)機(jī)器人教學(xué)側(cè)重采用虛實(shí)結(jié)合的方式開展教學(xué)。山東華宇工學(xué)院鄭明輝以項(xiàng)目為載體、任務(wù)為驅(qū)動(dòng)開展工業(yè)機(jī)器人編程與操作的課程實(shí)訓(xùn)。上海第二工業(yè)大學(xué)工程訓(xùn)練中心朱文華、史秋雨、蔡寶等人研究了基于Robot Studio的工業(yè)機(jī)器人工藝仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)。廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院郝建豹、林令暉、祝嘉林等人研究了基于Robot Studio的木窗生產(chǎn)線仿真設(shè)計(jì)。

3 課程存在問題

目前，高職院校工業(yè)機(jī)器人操作與編程授課過程中存在如下兩個(gè)問題。一是任課教師普遍采用重復(fù)式模仿操作的傳統(tǒng)教學(xué)方法，教師首先示范操作步驟，然后學(xué)生模仿教師操作方法和步驟開展練習(xí)。這種教學(xué)方法簡單明了，但不求甚解，學(xué)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(yīng)用場景，往往就會(huì)手足無措、無計(jì)可施。這樣就會(huì)極大地限制了學(xué)生的綜合應(yīng)用能力和職業(yè)素養(yǎng)的提升。二是工業(yè)機(jī)器人實(shí)訓(xùn)教學(xué)設(shè)備成本高，數(shù)量不足，平均實(shí)操時(shí)間短。以 ABB IRB-120型號(hào)機(jī)器人為例，單臺(tái)價(jià)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(dǎo)致實(shí)訓(xùn)教學(xué)項(xiàng)目與智能制造領(lǐng)域?qū)嶋H需求嚴(yán)重脫節(jié)。

4 改革內(nèi)容

4.1 三位一體教學(xué)方法

由于高職院校工業(yè)機(jī)器人操作與編程實(shí)訓(xùn)條件的限制，理論課與操作課脫節(jié)，課程內(nèi)容無法體現(xiàn)真實(shí)的智能制造場景 。這種教學(xué)方法會(huì)導(dǎo)致實(shí)際操作與理論知識(shí)無法有效結(jié)合，學(xué)生為了操作而操作，無法使理論指導(dǎo)實(shí)踐，技能的掌握相對比較膚淺，特別是工業(yè)機(jī)器人操作與編程無法與智能制造有關(guān)項(xiàng)目緊密結(jié)合。在此引入虛擬仿真、項(xiàng)目式教學(xué)、做中學(xué)、學(xué)中做等一體化教學(xué)方法 。這種教學(xué)方法可以充分采用理虛實(shí)相結(jié)合教學(xué)方法，充分發(fā)揮各自的優(yōu)點(diǎn)。在介紹理論知識(shí)的時(shí)候引入虛擬仿真教學(xué)，通過計(jì)算機(jī)虛擬仿真軟件熟悉工業(yè)機(jī)器人在智能制造背景下的典型工作場景[2]，并強(qiáng)化對所學(xué)知識(shí)的了解，熟練后再通過現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行實(shí)際操作練習(xí) 。教學(xué)過程中要求必須以項(xiàng)目為抓手 ，理論講解、虛擬仿真、實(shí)體操作三位一體，提升學(xué)生的綜合技能和知識(shí)理解水平，最后再結(jié)合展示與評價(jià)環(huán)節(jié)進(jìn)行課堂講評。

4.2 依據(jù)場景重構(gòu)教學(xué)項(xiàng)目

智能制造背景下工業(yè)機(jī)器人經(jīng)常用于搬運(yùn)、碼垛、焊接、噴涂等工作場景。在課程項(xiàng)目設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，項(xiàng)目內(nèi)容主要圍繞以上典型應(yīng)用場景編排教學(xué)內(nèi)容，從參數(shù)設(shè)置、RAPID 語言編程、RobotStudio 軟件仿真、ABB工業(yè)機(jī)器人實(shí)踐操作等方面全方位展示智能制造背景下典型應(yīng)用場景。項(xiàng)目設(shè)計(jì)要體現(xiàn)智能制造背景下工業(yè)機(jī)器人工作任務(wù)的真實(shí)性，盡量選用生產(chǎn)企業(yè)真實(shí)的工作任務(wù)并加以改造。工業(yè)機(jī)器人編程操作課程項(xiàng)目內(nèi)容設(shè)計(jì)，如表1所示，項(xiàng)目設(shè)計(jì)以安全為前提，以培養(yǎng)學(xué)生職業(yè)能力和素養(yǎng)為目標(biāo)，各個(gè)項(xiàng)目之間相互銜接、不斷深化、難度逐步加深。項(xiàng)目化設(shè)計(jì)后知識(shí)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(gè)項(xiàng)目設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了知識(shí)和能力的逐級躍遷，體現(xiàn)了基于智能制造背景下典型工作過程為導(dǎo)向的課程開發(fā)，注重學(xué)生的綜合職業(yè)能力的培養(yǎng)，達(dá)到了以工作過程系統(tǒng)作為導(dǎo)向的教學(xué)改革。

4.3 理論講解注重實(shí)效

工業(yè)機(jī)器人是自動(dòng)化技術(shù)集合的產(chǎn)物，具有很強(qiáng)的邏輯性和科學(xué)性，在理論講解環(huán)節(jié)注重分析智能制造的典型應(yīng)用場景，主要分為示教操作、運(yùn)動(dòng)控制、搬運(yùn)碼垛、軌跡焊接等四個(gè)工作情景，將工業(yè)機(jī)器的精準(zhǔn)定位、運(yùn)動(dòng)指令、循環(huán)指令、偏移指令等理論知識(shí)融合于四個(gè)工作情景中。每個(gè)工作情景分為若干個(gè)任務(wù)，采用任務(wù)驅(qū)動(dòng)法組織教學(xué)，指導(dǎo)學(xué)生采用理論實(shí)踐一體化的方式，把理論基礎(chǔ)知識(shí)應(yīng)用于實(shí)訓(xùn)教學(xué)中，培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決實(shí)際問題的能力，培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神。在講授工業(yè)機(jī)器人碼垛編程與操作案例時(shí)，首先要講解碼垛編程流程圖，然后講解搬移點(diǎn)位的計(jì)算方法和核心編程指令。

4.4虛擬仿真精選典型案例

工業(yè)機(jī)器人是一門多種科學(xué)知識(shí)綜合運(yùn)用的新興學(xué)科。在教學(xué)過程中，由于機(jī)器人編程與操作具有嚴(yán)密的邏輯性和嚴(yán)格的科學(xué)性，所以每個(gè)學(xué)生在進(jìn)行機(jī)器人設(shè)計(jì)和制作的過程中，隨時(shí)都有可能碰到：設(shè)計(jì)好了程序，機(jī)器人實(shí)際運(yùn)行卻不符合實(shí)驗(yàn)要求。這就需要教師和學(xué)生之間必須經(jīng)常和及時(shí)地開展虛擬仿真的學(xué)習(xí)和研究，在虛擬仿真平臺(tái)不斷調(diào)整機(jī)器人的各項(xiàng)參數(shù)，直到達(dá)到設(shè)計(jì)要求[5]。

教師需根據(jù)智能制造背景下對工業(yè)機(jī)器人的典型工作場景需求，自主設(shè)計(jì)虛擬仿真項(xiàng)目內(nèi)容進(jìn)行知識(shí)分解與儲(chǔ)備學(xué)習(xí) ，在虛擬仿真環(huán)節(jié)借助 ROBOTSTUDIO 虛擬仿真軟件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，結(jié)合智能制造背景下的實(shí)際生產(chǎn)需求，精心編制虛擬仿真工作站。

4.5 實(shí)體操作反復(fù)演練

在實(shí)體操作環(huán)節(jié)，教師在課程中起到引導(dǎo)、咨詢和指點(diǎn)的作用。教師利用理論實(shí)踐結(jié)合能力對任務(wù)進(jìn)行分析解讀，將任務(wù)分解成知識(shí)點(diǎn)和操作規(guī)范，指導(dǎo)學(xué)生實(shí)際操作機(jī)器人設(shè)備完成任務(wù)，提醒學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、反復(fù)演練尋找操作規(guī)律，并幫助總結(jié)歸納知識(shí)點(diǎn)。智能制造背景下的現(xiàn)場實(shí)操，要能夠體現(xiàn)出激光切割、搬運(yùn)、碼垛、噴涂等典型工作場景。在練習(xí)激光切割項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)操作中，讓學(xué)生在指定的圖紙上使用三種運(yùn)動(dòng)指令完成三角形、正方形、S形的軌跡運(yùn)動(dòng)操作。使學(xué)生對工業(yè)機(jī)器人現(xiàn)場編程不僅有較高的理解認(rèn)識(shí)，而且更重要的是有較高的實(shí)踐操作技能。在實(shí)操搬運(yùn)、碼垛項(xiàng)目的時(shí)候，要能夠靈活使用偏移量指令[6]。

4.6 過程考核多元評價(jià)

在“展示與評價(jià)”環(huán)節(jié)，如圖2所示，要求學(xué)生現(xiàn)場完成機(jī)器人多模型軌跡運(yùn)動(dòng)、積木模型搬運(yùn)、金字塔形狀碼垛等實(shí)操環(huán)節(jié)，向老師和同學(xué)展示實(shí)驗(yàn)成果。教師根據(jù)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目要求，進(jìn)行觀察指導(dǎo)和雙向互動(dòng)，并根據(jù)實(shí)操項(xiàng)目完成情況和學(xué)習(xí)過程主觀表現(xiàn)完成教師評價(jià)與組內(nèi)互評。虛擬仿真環(huán)節(jié)采用小組合作式的探究性學(xué)習(xí)。為了做到這一點(diǎn)，采用分小組建團(tuán)隊(duì)，以便同學(xué)之間搞好合作和探究性學(xué)習(xí)，培養(yǎng)團(tuán)體合作精神，解決虛擬仿真過程中實(shí)施中遇到的實(shí)際問題，還可以發(fā)揮團(tuán)體力量，不斷創(chuàng)新，從而提高課程教學(xué)水平。

5 結(jié)論

智能制造背景下工業(yè)機(jī)器人編程與操作“理-虛- 實(shí)”項(xiàng)目化教學(xué)可以將理論課、實(shí)訓(xùn)課和虛擬仿真三者緊密結(jié)合，引導(dǎo)學(xué)生通過理論學(xué)習(xí)、機(jī)器人操作演練和虛擬仿真軟件操作提高知識(shí)和技術(shù)水平。有利于使理論知識(shí)學(xué)習(xí)、虛擬軟件仿真和實(shí)際設(shè)備操作互相促進(jìn)、相輔相融。有利于將智能制造業(yè)的實(shí)際情況結(jié)合到教學(xué)中去，并通過實(shí)訓(xùn)室智能生產(chǎn)線的虛實(shí)結(jié)合進(jìn)行展現(xiàn)。有利于促進(jìn)學(xué)生專業(yè)理論和專業(yè)技能的同步提升。

參考文獻(xiàn)：

[1] 帥佳慧，韓偉芳.理虛實(shí)一體化教學(xué)在《工業(yè)機(jī)器人編程與操作》課程中的應(yīng)用研究[J].科技風(fēng)，2020（1）：27.

[2] 劉靜，楊輝.CDIO導(dǎo)向的工業(yè)機(jī)器人安裝與調(diào)試課程實(shí)踐教學(xué)改革[J].智庫時(shí)代，2018（27）：203，208.

[3] 夏金偉“. 教學(xué)做” 一體化式教學(xué) 在《工業(yè)機(jī)器人技術(shù)》課程中的應(yīng)用與研究[J].煙臺(tái)職業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2018，24（1）：64-66.

[4] 鄭明輝.基于RobotStudio的工業(yè)機(jī)器人焊接工作站仿真設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代信息科技，2020，4（23）：118-121.

[5] 潘杰.機(jī)器人搬運(yùn)碼垛金字塔形狀物料仿真設(shè)計(jì)研究[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2021，17（17）：21-23.

[6] 王巧巧《. 工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)》融入“課程思政”的教學(xué)實(shí)踐[J].成才，2022（2）：78-80.

【通聯(lián)編輯：聞翔軍】