《机器人编程与操作实训》课程教学改革研究

郑明辉

（1.山东华宇工学院机械工程学院，山东 德州 253034；2.智能制造装备设计工程技术研发中心，山东德州253034；3.德州市工业机器人控制重点实验室，山东 德州 253034）

0 引言

2015年国务院印发了《中国制造2025》，其核心是创新驱动发展，主线是工业化和信息化两化融合，主攻方向是智能制造，实现由制造大国到制造强国的转变。在智能制造的背景下机器人得到快速发展，中国已经成为全球最大的工业机器人市场，2016年，工信部制定的我国机器人产业“十三五”规划，其主要目标就是到2020年，每万名制造业工人拥有机器人达到100台以上，这是工信部制定中的我国路线图及“十三五”规划的目标。中国工业机器人密度偏度，数量将呈现井喷式增长。机器人行业快速发展导致的人才需求矛盾也越来越突出，既懂理论又能操作的知识型人才非常紧缺，应用型本科院校则承担起快速培养具有专业技能人才的责任[1-2]。

1 《机器人编程与操作实训》课程教学存在的主要问题

《机器人编程与操作实训》是我校机械设计制造及其自动化专业课程体系中的专业实践课程，在学习《机器人技术》理论课程中间开设的实训课程。在新工科和智能制造背景下，要培养学生的创新意识和实践能力，必须要改变目前教学中诸多的问题。

本门课程是我校从2016级机械设计制造及其自动化专业开设的实训课程，通过2016、2017级教学效果，发现有以下问题：一是实训设备人均数量偏少，人均实际操作学时不足；二是机器人实验设备昂贵，实验中易因操作错误造成设备故障、人员受伤，造成教师教学工作中演示讲解为主，学生实际操作时间较少；三是实训内容脱离实际工程应用案例，只注重编程操作训练，仅能简单操作机器人，无法与实际应用案例联系。

我校是应用型本科高校，人才培养目标定位是为应用型、技术技能型人才。紧密围绕学校人才培养定位和专业特色，结合新工科和智能制造背景，在《机器人编程与操作实训》课程教学中进行课程教学改革探索，重新构建了以“项目载体、任务驱动”的实训内容，采用理论讲解、虚拟仿真与实际操作三者相结合的教学模式进行课程改革，可以激发学生学习的积极性，才能达到培养的学生的工程应用及实践操作能力[3-4]。

2 重新构建《机器人编程与操作实训》课程实训内容

通过企业、行业、同类院校调研，按照市场用人需求和岗位能力要求，从知识、能力、素质几个方面进行体系化的课程内容优化，重新架构实训内容，实训内容建设遵循“高阶性、创新性、挑战度”，即“两性一度”标准，并融入课程思政内容。实训项目内容紧密结合行业和企业需求，贴合企业实际岗位能力要求，课程内容以“够用、实用、应用”为原则，基于项目载体、任务驱动。实训内容主要分为三个项目，项目一工业机器人搬运应用仿真，项目二工业机器人焊接应用仿真，项目三复杂工作站的仿真，包括复杂搬运工作站和打磨工作站。实训内容以工业机器人典型工作站为项目载体，将专业理论、核心操作技能、职业素养培养等内容贯穿整个课程项目实训内容。从机器人编程理论知识讲解，RoboDK虚拟仿真操作，到工业机器人模拟训练机或焊接、弧焊工作站实际操作。使学生熟悉机器人技术的应用，了解工业机器人仿真应用技术，掌握机器人的机械机构、运动分析、控制系统，掌握典型工业机器人的基本编程和操作知识。培养学生对新知识、新技能的学习能力与创新能力，培养学生在机器人编程方面具备分析与解决问题的能力，培养学生在机器人操作方面具有一定的动手能力。

3 进行“理虚实一体化”的课程教学设计

3.1 虚拟仿真软件RoboDK

“理虚实一体化”教学是在理论讲授机器人编程与操作理论知识的同时引入计算机虚拟仿真软件RoboDK，RoboDK是专为机器人教学实训以及机器人应用离线编程打造的机器人虚拟仿真软件，支持ABB、KUKA、Fanuc、安川等多种品牌机器人的离线仿真。以虚拟仿真操作加深知识理解，并在熟练后在工业机器人模拟训练机上对ABB、KUKA、FANUC、安川等多种品牌工业机器人进行真实示教编程训练或者在工业机器人工作站实操训练，最后强化理论与实践的联系。

3.2 教学设计

对接机器人相关岗位典型工作任务和工作过程，结合职业成长规律和教育教学规律，构建“理论学习+虚拟仿真+实际操作”的理虚实一体化螺旋式教学模式[5]。借助超星学习通自建在线课程和虚拟仿真软件RoboDK，运用“一平三端”智慧教学系统，涵盖课前、课中、课后的日常教学全过程，融合教室端、移动端、管理端各类教学应用于一体的信息化教学，通过课前提前将教学资源、任务下发；课中在机器人编程与操作实训室进行理论讲解，虚拟仿真操作，熟练的情况下才可以在老师的指导下上机操作；课后要求学生提交每个项目作业，归纳总结虚拟、实操问题，和老师讨论交流。最终实现将理论知识，虚拟仿真和实际操作相互促进、融为一体，实现课程教学目标。

3.3 项目案例

以工业机器人焊接应用案列为例，要求学生完成创建坐标系、示教目标点、创建焊接程序、清枪程序、主程序等工作，最终实现整个焊接工作。课前通过学习通如图1所示将视频、PPT课件、教案等发放给学生们，让学生们了解到本节课的学习任务。课中在机器人编程与操作实训室，在工业机器人模拟训练机上通过RoboDK仿真软件和真实的示教器构建机器人焊接工作站、机器人焊接应用的仿真编程、导出仿真及离线程序如图2所示。老师向学生介绍机器人焊接工作站基本组成和本案例中的两部分焊接轨迹。焊接工作站的流程是：开始、工业机器人回到初始位置、机器人焊接程序1、机器人焊接程序2、工业机器人回到初始位置、机器人清枪程序、工业机器人回到初始位置、结束。本案例机器人焊接应用仿真程序主要包括机器人焊接程序和机器人清枪程序，最后用一个机器人主程序调用机器人焊接程序和机器人清枪程序，完成焊接应用仿真。老师讲解工作站相关理论知识和工作站任务，学生们以小组为单元完成仿真任务。如果小组熟练快速完成焊接工作站的任务，在教师的指导下在真实的焊接工作站下如图3完成坐标系的创建、示教目标点、程序创建等工作步骤，最终实现工业机器人焊接任务工作。课后，通过学习通提交实操作业虚拟工作站模型及程序，在学习通互动讨论区创建话题讨论项目过程中的问题及总结，学习通的统计功能也能实现对学生的实时监测。通过理虚实一体化的项目教学改革，明显体现了学生的机器人编程及操作能力，也减少了真实编程操作中的问题。

图1 学习通课程资源

图2 工业机器人虚拟焊接工作站

图3 工业机器人真实焊接工作站

4 教学方法改革

本实训课程进行理论讲解、虚拟仿真与实际操作三者相结合的“理虚实一体化”教学模式改革，采用项目载体、任务驱动的教学方法，重新设计了三个实训项目，学生分组完成项目任务，以完成实训项目和学习任务转化为学生内在的学习驱动力，强调学生的主体地位，老师只作为辅助和指导角色，实现以学生为中心的教学理念。本课程也实现了线上线下混合式教学，在学习通上建设线上教学资源，包括线上教学视频、课件、作业等资源，实现了课前教学资源、项目任务下发，学生自主学习；课中分组实训强化学习；课下总结、线上互动交流，拓展学习。线上线下的融合，能提高老师的课堂教学效率与教学质量。通过项目式教学、线上线下混合式教学方法改革实现了在学中做、做中学，强化了理论知识的学习，提升了学生的实践动手能力。

5 需解决的问题

机器人实验室的进一步完善。在“职教20条”下，“1+X”工业机器人应用编程等职业技能等级证书要求对职业技能等级标准内容与课程进行高度融合。应该进一步购买实验室设备，提高机器人应用编程操作等技巧，为“1+X”工业机器人应用编程等职业技能等级证书考取打下坚实的基础。

教师教学能力的进一步提升。“理虚实一体化”教学模式下对于教师的教学能力要求更高了，实训课教师暂时无法适应新的教学模式。以前教师只要“能讲解实训专业知识，能动手操作实验设备”就能开展实训教学，然而在新的教学模式下，不仅要求要具备基本的教学能力，还要不断与时倶进，提高自身的教育技术能力和教学信息化水平，才能有效提升线上课程教学质量[6]。

6 小结

通过对本课程教学探索与实践，重新架构的实训内容，紧密结合行业和企业需求，贴合企业实际岗位能力要求，解决了课程教学脱离实际工程背景的问题。采用“理虚实一体化”教学模式，解决因实验设备昂贵且数量少，实验中易因操作错误造成设备故障、人员受伤，人均实际操作学时不足的问题。实现了在学中做、做中学，能够革新教学模式，改善教学质量，提升了学生的实操能力，能为机器人相关领域培养更多高素质的复合型应用型人才。