智能制造背景下高职院校工业机器人编程与操作“理-虚-实”项目化教学改革研究

摘要：发展智能制造是我国在面对应对新一轮科技革命时做出的重大战略抉择。随着我国智能制造的和新一代信息技术的发展，工业机器人正在越来越多的领域逐步代替人类的某些重复性劳动。文章首先讲解了工业机器人的研究背景和研究现状，然后对课程中的现状进行了分析并提出了相应的改革方法，最后对文章进行了简单总结。

关键词：智能制造；高职；工业机器人，编程与操作；教学改革

中图分类号：G642 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2024）05-0172-03

1 研究背景

随着人工成本的逐年提升，工业机器人开始在智能制造领域大规模普及，工业机器人行业的迅猛发 展。相关数据显示，中国工业机器人市场累计销售工业机器人2020年共有23.7万台，2021年共有27.1万台，2022年共有30.3万台。 从销售数据可以看出，工业机器人的应用前景十分广阔，用途多种多样，在汽车装备制造、电子信息产品制造、家用电器制造等领域都能够大规模使用工业机器人。

2 研究现状

我国的高职院校工业机器人技术教育，主要目标是培养适应智能制造背景下经济社会发展需求的技能型人才为主[1]，在工业机器人教育方面以提升操作技能、改进教学方法为主，近几年，随着各类虚拟仿真软件的引入，工业机器人教学侧重采用虚实结合的方式开展教学。山东华宇工学院郑明辉以项目为载体、任务为驱动开展工业机器人编程与操作的课程实训。上海第二工业大学工程训练中心朱文华、史秋雨、蔡宝等人研究了基于Robot Studio的工业机器人工艺仿真平台设计。广东交通职业技术学院郝建豹、林令晖、祝嘉林等人研究了基于Robot Studio的木窗生产线仿真设计。

3 课程存在问题

目前，高职院校工业机器人操作与编程授课过程中存在如下两个问题。一是任课教师普遍采用重复式模仿操作的传统教学方法，教师首先示范操作步骤，然后学生模仿教师操作方法和步骤开展练习。这种教学方法简单明了，但不求甚解，学生不清楚为什么要这样操作以及操作的原理，那么换一种应用场景，往往就会手足无措、无计可施。这样就会极大地限制了学生的综合应用能力和职业素养的提升。二是工业机器人实训教学设备成本高，数量不足，平均实操时间短。以 ABB IRB-120型号机器人为例，单台价格十万以上，且功能比较单一，无法布置切割、打磨、喷涂、焊接、装配等智能制造常见典型工作场景，导致实训教学项目与智能制造领域实际需求严重脱节。

4 改革内容

4.1 三位一体教学方法

由于高职院校工业机器人操作与编程实训条件的限制，理论课与操作课脱节，课程内容无法体现真实的智能制造场景 。这种教学方法会导致实际操作与理论知识无法有效结合，学生为了操作而操作，无法使理论指导实践，技能的掌握相对比较肤浅，特别是工业机器人操作与编程无法与智能制造有关项目紧密结合。在此引入虚拟仿真、项目式教学、做中学、学中做等一体化教学方法 。这种教学方法可以充分采用理虚实相结合教学方法，充分发挥各自的优点。在介绍理论知识的时候引入虚拟仿真教学，通过计算机虚拟仿真软件熟悉工业机器人在智能制造背景下的典型工作场景[2]，并强化对所学知识的了解，熟练后再通过现场设备进行实际操作练习 。教学过程中要求必须以项目为抓手 ，理论讲解、虚拟仿真、实体操作三位一体，提升学生的综合技能和知识理解水平，最后再结合展示与评价环节进行课堂讲评。

4.2 依据场景重构教学项目

智能制造背景下工业机器人经常用于搬运、码垛、焊接、喷涂等工作场景。在课程项目设计环节，项目内容主要围绕以上典型应用场景编排教学内容，从参数设置、RAPID 语言编程、RobotStudio 软件仿真、ABB工业机器人实践操作等方面全方位展示智能制造背景下典型应用场景。项目设计要体现智能制造背景下工业机器人工作任务的真实性，尽量选用生产企业真实的工作任务并加以改造。工业机器人编程操作课程项目内容设计，如表1所示，项目设计以安全为前提，以培养学生职业能力和素养为目标，各个项目之间相互衔接、不断深化、难度逐步加深。项目化设计后知识和能力的逐级跃迁阶梯图，如图1所示，由阶梯图可以看出整个项目设计实现了知识和能力的逐级跃迁，体现了基于智能制造背景下典型工作过程为导向的课程开发，注重学生的综合职业能力的培养，达到了以工作过程系统作为导向的教学改革。

4.3 理论讲解注重实效

工业机器人是自动化技术集合的产物，具有很强的逻辑性和科学性，在理论讲解环节注重分析智能制造的典型应用场景，主要分为示教操作、运动控制、搬运码垛、轨迹焊接等四个工作情景，将工业机器的精准定位、运动指令、循环指令、偏移指令等理论知识融合于四个工作情景中。每个工作情景分为若干个任务，采用任务驱动法组织教学，指导学生采用理论实践一体化的方式，把理论基础知识应用于实训教学中，培养学生分析问题、解决实际问题的能力，培養团队协作精神。在讲授工业机器人码垛编程与操作案例时，首先要讲解码垛编程流程图，然后讲解搬移点位的计算方法和核心编程指令。

4.4虚拟仿真精选典型案例

工业机器人是一门多种科学知识综合运用的新兴学科。在教学过程中，由于机器人编程与操作具有严密的逻辑性和严格的科学性，所以每个学生在进行机器人设计和制作的过程中，随时都有可能碰到：设计好了程序，机器人实际运行却不符合实验要求。这就需要教师和学生之间必须经常和及时地开展虚拟仿真的学习和研究，在虚拟仿真平台不断调整机器人的各项参数，直到达到设计要求[5]。

教师需根据智能制造背景下对工业机器人的典型工作场景需求，自主设计虚拟仿真项目内容进行知识分解与储备学习 ，在虚拟仿真环节借助 ROBOTSTUDIO 虚拟仿真软件实验平台，结合智能制造背景下的实际生产需求，精心编制虚拟仿真工作站。

4.5 实体操作反复演练

在实体操作环节，教师在课程中起到引导、咨询和指点的作用。教师利用理论实践结合能力对任务进行分析解读，将任务分解成知识点和操作规范，指导学生实际操作机器人设备完成任务，提醒学生观察实验现象、反复演练寻找操作规律，并帮助总结归纳知识点。智能制造背景下的现场实操，要能够体现出激光切割、搬运、码垛、喷涂等典型工作场景。在练习激光切割项目实训操作中，让学生在指定的图纸上使用三种运动指令完成三角形、正方形、S形的轨迹运动操作。使学生对工业机器人现场编程不仅有较高的理解认识，而且更重要的是有较高的实践操作技能。在实操搬运、码垛项目的时候，要能够灵活使用偏移量指令[6]。

4.6 过程考核多元评价

在“展示与评价”环节，如图2所示，要求学生现场完成机器人多模型轨迹运动、积木模型搬运、金字塔形状码垛等实操环节，向老师和同学展示实验成果。教师根据实训项目要求，进行观察指导和双向互动，并根据实操项目完成情况和学习过程主观表现完成教师评价与组内互评。虚拟仿真环节采用小组合作式的探究性学习。为了做到这一点，采用分小组建团队，以便同学之间搞好合作和探究性学习，培养团体合作精神，解决虚拟仿真过程中实施中遇到的实际问题，还可以发挥团体力量，不断创新，从而提高课程教学水平。

5 结论

智能制造背景下工业机器人编程与操作“理-虚- 实”项目化教学可以将理论课、实训课和虚拟仿真三者紧密结合，引导学生通过理论学习、机器人操作演练和虚拟仿真软件操作提高知识和技术水平。有利于使理论知识学习、虚拟软件仿真和实际设备操作互相促进、相辅相融。有利于将智能制造业的实际情况结合到教学中去，并通过实训室智能生产线的虚实结合进行展现。有利于促进学生专业理论和专业技能的同步提升。

参考文献：

[1] 帅佳慧，韩伟芳.理虚实一体化教学在《工业机器人编程与操作》课程中的应用研究[J].科技风，2020（1）：27.

[2] 刘静，杨辉.CDIO导向的工业机器人安装与调试课程实践教学改革[J].智库时代，2018（27）：203，208.

[3] 夏金伟“. 教学做” 一体化式教学 在《工业机器人技术》课程中的应用与研究[J].烟台职业学院学报，2018，24（1）：64-66.

[4] 郑明辉.基于RobotStudio的工业機器人焊接工作站仿真设计[J].现代信息科技，2020，4（23）：118-121.

[5] 潘杰.机器人搬运码垛金字塔形状物料仿真设计研究[J].电脑知识与技术，2021，17（17）：21-23.

[6] 王巧巧《. 工业机器人应用技术》融入“课程思政”的教学实践[J].成才，2022（2）：78-80.

【通联编辑：闻翔军】