新形勢下技工院校工業(yè)機器人教學(xué)實踐與探索

鄭瀚炤

摘 要：機器人在21世紀的應(yīng)用將會更加普及。社會對機器人技工人才提出了更高的要求，常規(guī)的教學(xué)手段已不能滿足機器人教育對人才的要求。本文針對機器人教學(xué)的特點，從機器人教學(xué)方法、實訓(xùn)教學(xué)建設(shè)、師資隊伍建設(shè)三個方面對新形勢下技工院校的機器人教學(xué)進行了探索研究。

關(guān)鍵詞：機器人教學(xué)方法 實訓(xùn)建設(shè) 師資隊伍

隨著社會的進步和科技的發(fā)展，社會人力成本不斷提高，勞動者在技能方面的欠缺導(dǎo)致先進技術(shù)的應(yīng)用出現(xiàn)瓶頸。進入21世紀以后，智能機器人必將全面應(yīng)用于生產(chǎn)。做好機器人技術(shù)教育，培養(yǎng)大批優(yōu)秀的高技能機器人應(yīng)用型人才，是當今新形勢下技工院校面臨的挑戰(zhàn)。

一、機器人教學(xué)方法

機器人的學(xué)習過程融合了計算機、機械、電子、通訊、控制、聲、光、電、磁等多個學(xué)科領(lǐng)域的知識。因此機器人教育和傳統(tǒng)的學(xué)科教育區(qū)別很大。單純的機械、電氣、計算機等學(xué)科的學(xué)習只能作為學(xué)習機器人的基礎(chǔ)。機器人的教學(xué)應(yīng)該是一個系統(tǒng)的架構(gòu)，學(xué)生在掌握各學(xué)科的同時要對計算機整體系統(tǒng)有更為深入的了解，這需要在教學(xué)過程中采用多種方法積極引導(dǎo)，使學(xué)生在思考的過程中將各學(xué)科的知識有機地串聯(lián)起來。

1.多基礎(chǔ)學(xué)科交叉學(xué)習，聯(lián)合啟發(fā)

在傳統(tǒng)的基礎(chǔ)學(xué)科教學(xué)中，如電機控制實訓(xùn)中教師只針對電氣線路進行講解，鉗工實訓(xùn)則只進行金工方面的技能教學(xué)。這種模式的教學(xué)在過去取得了一定的成果，但是在面向機器人的教學(xué)時，由于不能將各學(xué)科進行有效地串聯(lián)，因此難以形成機器人學(xué)習的基礎(chǔ)。

新形勢下，應(yīng)該交叉教學(xué)，比如在講解電機控制小車往返控制的章節(jié)中，應(yīng)該對小車的機械運動特點進行分析，如小車機械傳動出現(xiàn)問題，導(dǎo)致小車無法順利行進等種種情況。電氣控制線路和機械知識的相互結(jié)合，使學(xué)生能夠充分理解各學(xué)科的交叉融合，為學(xué)習機器人打下基礎(chǔ)。

2.機器人專業(yè)方向課程設(shè)置

傳感方面課程：圖像處理、計算機視覺、卡爾曼濾波、信息融合。

認知：機器學(xué)習、人工智能。

驅(qū)動：自動控制原理、線性控制理論（線性空間理論）、非線性控制理論、計算機控制/數(shù)字控制、 機器人導(dǎo)論、機器人控制、非各向同性機器人控制、路徑規(guī)劃、數(shù)模電子線路、信號與系統(tǒng)、各種電子線路設(shè)計知識、機械設(shè)計、工程制圖。

這些不需要全部都懂，但至少要專攻一個方向，其他方向略懂，比如專攻控制和路徑規(guī)劃。

3.行為導(dǎo)向教學(xué)

行為導(dǎo)向教學(xué)以學(xué)生為主體，通過問題驅(qū)動學(xué)生的積極主動思考。在教學(xué)過程中，通過積極的發(fā)問，以學(xué)生的討論為主，教師在整個教學(xué)過程中起引導(dǎo)的作用。這種教學(xué)方法可以充分發(fā)揮學(xué)生的主體作用，積極調(diào)動學(xué)生學(xué)習的主觀能動性，培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題的能力。在解決問題的同時，學(xué)生充分將所學(xué)到的各學(xué)科知識主動進行“融會貫通”，解決問題的能力也得到了提高。學(xué)生取得了成就感和激勵，使學(xué)習的過程變得更有挑戰(zhàn)。教師還可進一步建立獎勵機制。各種方法共同作用下，使機器人學(xué)習變得更加生動有趣。

4.鼓勵創(chuàng)新

“創(chuàng)新”是科技進步的源泉。學(xué)生在學(xué)習的過程中，受思維定式的影響較輕，往往會出現(xiàn)一些大膽的充滿新意的想法。在遇到這些情況時，教師絕不應(yīng)該漠視甚至打擊，應(yīng)該積極針對學(xué)生這些想法進行分析假設(shè)，甚至在有條件的情況下付諸實踐。21世紀技工院校培養(yǎng)的是熟練的高技能人才，更是充滿創(chuàng)新精神的高技能人才。只有大膽鼓勵創(chuàng)新，才有可能出現(xiàn)大量的優(yōu)秀的國家需求的創(chuàng)新型技能人才。

二、實訓(xùn)教學(xué)建設(shè)

1.實訓(xùn)室建設(shè)

機器人教學(xué)實訓(xùn)室應(yīng)具有信息化、多媒體化的課堂，配備有滿足多個班級同時實訓(xùn)的電腦、桌椅、機器人設(shè)備等必備條件。機器人教學(xué)的設(shè)備應(yīng)該是集成化的、模塊式的，在便于學(xué)生學(xué)習的過程中進行拆解。分組式的實訓(xùn)臺面有利于學(xué)生在學(xué)習的過程中鍛煉團隊協(xié)作的能力。合理的桌面布局能夠幫助學(xué)生養(yǎng)成“6S”的良好工作習慣。

ABB工業(yè)機器人綜合實訓(xùn)裝置組成是由工業(yè)機器人工作站、碼垛工作站、裝配工作站、弧焊軌跡練習工作站、模擬噴涂工作站、多功能翻轉(zhuǎn)工作站等組成。典型的機器人實訓(xùn)室如圖1所示。

2.靈活的實訓(xùn)方法

由于客觀條件限制，實訓(xùn)室的教學(xué)設(shè)備有限，機器人實訓(xùn)設(shè)備只能有條件地進行購置。在實訓(xùn)教學(xué)中，針對特定的機器人實訓(xùn)設(shè)備，不應(yīng)單純以“說明書式教學(xué)”的方法進行講解。例如在完成機器人的某一功能的過程中，可以主動設(shè)置故障點，引導(dǎo)學(xué)生獨立思考排查，通過分析和解決問題加深學(xué)生對設(shè)備的理解。與此同時，在機器人原有功能的基礎(chǔ)上，鼓勵學(xué)生進行大膽思考和創(chuàng)新，開發(fā)更多的原本不具備的功能，在不損壞實訓(xùn)設(shè)備的前提下，盡可能地以豐富多樣的靈活的實訓(xùn)方法，使學(xué)生更加深入地進行機器人的學(xué)習。

4.虛擬仿真教學(xué)

在設(shè)備短缺的情況下，采用工業(yè)機器人虛擬仿真軟件進行機器人的學(xué)習。以ABB公司的RobotStudio軟件為例，RobotStudio軟件是ABB機器人公司的一款離線機器人編程與仿真工具， 使用圖形化編程、編輯和調(diào)試創(chuàng)建機器人的運動，并模擬優(yōu)化現(xiàn)有的機器人程序。圖2為采用RobotStudio軟件模擬的應(yīng)用于醫(yī)藥行業(yè)的機器人。

虛擬仿真教學(xué)使學(xué)生直觀地觀察仿真軟件觀察機器人的動作過程，同時通過編程離線調(diào)試并模擬現(xiàn)場畫面。在這個過程中，學(xué)生的軟件編程水平得到了提高，彌補了設(shè)備短缺造成的缺憾。

三、師資隊伍建設(shè)

有一支熱愛機器人教育事業(yè)并具有較高科學(xué)素養(yǎng)的師資隊伍是開展機器人教學(xué)的重要前提條件。由于技工院校存在的“知識老化”、教師老齡化嚴重等各種問題，在師資隊伍建設(shè)方面，需要從以下幾方面著手。

1.引進現(xiàn)場經(jīng)驗豐富的工程師人才

新形勢下，鐵飯碗逐步被打破，校企之間的人才流動愈加頻繁。教學(xué)經(jīng)驗豐富的教師在技能上可能稍有不足，現(xiàn)場經(jīng)驗豐富的工程師在教學(xué)能力上還需稍加磨練和指導(dǎo)。通過人才引進的方式，吸引優(yōu)秀的工程師人才長期或定期進入教育行業(yè)，能夠提高校內(nèi)教師的技能水平，同時使教學(xué)過程更加貼近現(xiàn)場。

2.豐富多樣的教師培訓(xùn)和激勵手段

通過多媒體網(wǎng)絡(luò)課堂、校企聯(lián)合師資培養(yǎng)等多種手段，為教師專業(yè)能力的提高創(chuàng)造學(xué)習條件，邀請各領(lǐng)域?qū)＜摇⒔處煹叫ｉ_展講座，交流促進，共同發(fā)展。同時，從事機器人教育的教師也應(yīng)充分意識到機器人技術(shù)發(fā)展日新月異，必須牢固樹立不斷學(xué)習的教育理念。

通過對取得成果的教師進行物質(zhì)上和精神上的獎勵，引導(dǎo)學(xué)校形成教師之間相互競爭、相互促進的良好氛圍，激勵教師積極改進教學(xué)方法，主動進行科研及教學(xué)探索。在這種你追我趕的學(xué)習氛圍下，才能形成良好的發(fā)展的機器人教學(xué)團隊。

3.積累創(chuàng)新，開發(fā)校本教材

在不斷進行教學(xué)改進和探索的同時，要及時對取得的教學(xué)成果及教學(xué)中的不足進行總結(jié)，在總結(jié)中逐步摸索出一套適合本校的、具有特色的教學(xué)方案。

由于各學(xué)校的實訓(xùn)室配備不盡相同，傳統(tǒng)單一的教材無法滿足機器人教學(xué)的要求。針對本校的機器人設(shè)備，逐步形成自己獨立的校本教材。

4.積極參賽，以賽代練

國家非常重視機器人教育的發(fā)展，因此每年都會組織大量的機器人比賽。在機器人教學(xué)的過程中，采用教師帶隊，學(xué)生為主體的方式，以賽代練。通過校內(nèi)比賽競爭，選撥優(yōu)秀的學(xué)生參加各種比賽。比賽使學(xué)生在得到鍛煉的同時，也使教師將比賽中的經(jīng)驗再次代入到日常的教學(xué)過程中，提高機器人教學(xué)的水平。

四、小結(jié)

系統(tǒng)化的教學(xué)對專業(yè)教師的知識面提出了更高的要求。將各學(xué)科的知識在教學(xué)過程中有機的串聯(lián)到一起，是對新形勢下工業(yè)機器人專業(yè)教師提出的挑戰(zhàn)。同時，“行為引導(dǎo)法”的優(yōu)勢在工業(yè)機器人教學(xué)中體現(xiàn)得更加淋漓盡致。只有讓學(xué)生成為課堂的主體，才能使學(xué)生分析解決問題的能力得到逐步提升，才能培養(yǎng)出具有創(chuàng)新精神的21世紀的高技能人才。

現(xiàn)代化的實訓(xùn)室、模塊化的實訓(xùn)設(shè)備、配合靈活的仿真軟件，都是為了更加準確地模擬出現(xiàn)場的實際工況。學(xué)生如身臨其境，才能得到熏陶和感染。在實訓(xùn)中，尤其要注重對學(xué)生“6S”工作習慣的培養(yǎng)。

以中青年教師為主、激勵機制健全的教師隊伍是工業(yè)機器人教學(xué)的基石?，F(xiàn)場經(jīng)驗豐富的工程師，通過交流和講座，能夠成為工業(yè)機器人教學(xué)的重要補充。通過“以賽代練”“校本教材”等各種措施，最終形成適應(yīng)新時代發(fā)展的、具有學(xué)校特色的工業(yè)機器人教學(xué)。

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（作者單位：珠海市技師學(xué)院）