基于“仿、賽、做”與機器人創(chuàng)新的教學(xué)實踐探討*

陸 葉

(茂名職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機電信息系， 廣東 茂名 525000)

0 引 言

隨著機器人產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，中國制造向“中國智造”轉(zhuǎn)變，社會及企業(yè)對機電類技能人才的知識與技能結(jié)構(gòu)提出了更新、更高的要求，同時機電類專業(yè)學(xué)生擴招，各種問題隨之產(chǎn)生。一方面機器人設(shè)備造價比較高，僅依靠學(xué)校經(jīng)費購買相關(guān)設(shè)備遠不能滿足教學(xué)的需求，加上很多教師以前沒學(xué)過機器人，實踐教學(xué)能力不足，造成學(xué)生的動手實踐能力較弱，綜合應(yīng)用能力不足，畢業(yè)后還需要較長時間的培訓(xùn)才能適應(yīng)企業(yè)的需求。另一方面由于許多高職學(xué)生基礎(chǔ)較差，缺乏學(xué)習(xí)積極性，而工業(yè)機器人融合了機械、電子、計算機、控制等先進技術(shù)，高職學(xué)生學(xué)習(xí)難度大，教學(xué)質(zhì)量不高。為提高教學(xué)效果，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、培養(yǎng)學(xué)生綜合能力，通過組裝、搭建、運行教學(xué)機器人來進行的機器人教育是一種很好地提高學(xué)生綜合能力的方法手段。目前，機器人競賽盛行，但是由于參賽費用昂貴、師資力量不足、機器人競賽推廣程度不夠等原因，很多學(xué)校無法參與，總體效果甚微。如何進行教學(xué)環(huán)節(jié)的創(chuàng)新，推進教學(xué)改革，是高職機電類專業(yè)教學(xué)面臨的重要課題[1-2]。

1 基于“仿、賽、做”的教學(xué)模式

1.1 “仿”+“做”的教學(xué)改革

為滿足機器人課程的教學(xué)，我校引進了一套ABB機器人生產(chǎn)線，校企合作共同開發(fā)了一套由四臺富士康機器人和若干設(shè)備組成的手機組裝生產(chǎn)線，建立了工業(yè)機器人實訓(xùn)室。但是在教學(xué)中，發(fā)現(xiàn)仍存在學(xué)生人數(shù)多、設(shè)備少、設(shè)備昂貴易損耗、實際操作中存在安全隱患等問題，為此，引入仿真軟件教學(xué)，探討仿真在專業(yè)教學(xué)中的研究和應(yīng)用，進行了仿真教學(xué)與理論教學(xué)、實踐教學(xué)相結(jié)合的“仿”+“做”的教學(xué)改革。

1.2 “賽”+“做”的教學(xué)改革

結(jié)合“賽教結(jié)合，以賽促改，以賽促教，以賽促學(xué)”的教學(xué)理念，組織學(xué)生參加技能大賽，通過競賽樹立大賽意識，研究大賽規(guī)則，對專業(yè)所涉及的各賽項進行深入分析，分析大賽中的職業(yè)技能標(biāo)準(zhǔn)要求、行業(yè)(企業(yè))新技術(shù)，提煉競賽知識點，探討大賽的內(nèi)容融入日常課程教學(xué)；開發(fā)校內(nèi)競賽方案、設(shè)計方案及評分標(biāo)準(zhǔn)等，進行競賽與理論課程、實訓(xùn)教學(xué)相融合的“賽”+“做”的教學(xué)改革。如以競賽+項目為主線，學(xué)生為中心，教師把總的教學(xué)內(nèi)容細分為各個子任務(wù)，以競賽活動為載體，鼓勵學(xué)生以積極、主動的學(xué)習(xí)態(tài)度，以競賽形式完成任務(wù)的同時掌握知識、技能與方法。同時通過舉行企業(yè)贊助的專業(yè)比賽以及省賽前的校內(nèi)選拔賽，有效地搭建技能大賽與常規(guī)教學(xué)結(jié)合的平臺。

1.3 構(gòu)建高職機電類專業(yè)“仿、賽、做”一體的教學(xué)模式

整合課程內(nèi)容，開發(fā)以仿真、競賽和課程相結(jié)合的一體化課程。如，一是《工業(yè)機器人技術(shù)應(yīng)用》課程開展虛實結(jié)合的課程教學(xué)，利用機器人虛擬仿真軟件如 ABB機器人的RobotStudio、富士康機器人的Foxbot軟件，通過理論、實驗、實訓(xùn)交叉同步進行的方式，將理論講授原理、編程、驗證仿真系統(tǒng)、實際操作進行有機結(jié)合，進行直觀教學(xué)和現(xiàn)場教學(xué)，使學(xué)生具備機器人的操作編程能力；二是《自動生產(chǎn)線安裝與調(diào)試》、《電氣控制與PLC應(yīng)用》等課程整合，融合“自動生產(chǎn)線安裝與調(diào)試” 和“機械裝調(diào)與控制技術(shù)”技能大賽內(nèi)容，使學(xué)生具備設(shè)備安裝編程、調(diào)試維修能力；三是《工業(yè)機器人應(yīng)用技術(shù)》等內(nèi)容整合，教學(xué)中融入“工業(yè)機器人應(yīng)用技術(shù)”的大賽知識點，使學(xué)生掌握先進技術(shù)應(yīng)用的能力。圖1是構(gòu)建的高職機電類專業(yè)“仿、賽、做”一體的教學(xué)模式圖，該模式促進了教學(xué)理念的更新和教學(xué)方法的改進，教學(xué)效果明顯提升。

圖1 高職機電類專業(yè)“仿、賽、做”一體的教學(xué)模式

2 探索以機器人為載體的協(xié)同創(chuàng)新能力培養(yǎng)模式

2.1 創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)為背景的培養(yǎng)模式

隨著智能制造的發(fā)展，傳統(tǒng)教育已不能很好地培養(yǎng)適應(yīng)社會需求的創(chuàng)新型人才，必須要大力推進大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育[3-4]。為此，我校開設(shè)了產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計及加工課程，開發(fā)課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)手段。學(xué)生由四至六名學(xué)生一組，組成項目團隊，分工協(xié)作，從產(chǎn)品機械設(shè)計制作、控制線路設(shè)計、編程到完成后作品展示、推廣等。通過這一系列活動，激發(fā)學(xué)習(xí)熱情，樹立學(xué)生創(chuàng)新觀念，引導(dǎo)他們主動參與學(xué)習(xí)、培養(yǎng)積累知識的意識，逐步達到獨立解決問題的目標(biāo)。

2.2 機器人協(xié)會社團培養(yǎng)模式

以智能機器人為載體的創(chuàng)新教育可以增加學(xué)生應(yīng)用體驗，加強理論知識的理解和應(yīng)用創(chuàng)新[6]。我校創(chuàng)立了面向全校學(xué)生的機器人協(xié)會社團，新生加入機器人協(xié)會，確定研究小組；二年級學(xué)生經(jīng)過選拔訓(xùn)練，參加各類競賽、科技創(chuàng)新項目等；三年級學(xué)生參加創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目，進行畢業(yè)設(shè)計等。指導(dǎo)教師定期舉行項目討論會，學(xué)生以老帶新，循環(huán)滾動學(xué)習(xí)，進行機器人科技創(chuàng)新項目研究，建設(shè)跨專業(yè)的學(xué)生創(chuàng)新團隊。其中，機械類專業(yè)的學(xué)生側(cè)重于機器人機械結(jié)構(gòu)；而電氣類專業(yè)的學(xué)生是電路方面；計算機類專業(yè)的學(xué)生則研究機器人控制編程。如輪式機器人的開發(fā)項目，學(xué)生利用三維建模、3D打印、Arduino單片機進行機器人的設(shè)計制造及軟件系統(tǒng)開發(fā)，采用模塊化的程序設(shè)計思路，實現(xiàn)機器人的運動控制。

學(xué)生經(jīng)過選拔、競賽、項目訓(xùn)練，參加省級或國家級競賽、項目，搭建了大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實踐平臺。圖2是構(gòu)建的大學(xué)生創(chuàng)新實踐平臺。

圖2 大學(xué)生創(chuàng)新實踐平臺

通過平臺建設(shè)，提高了學(xué)生實踐能力和工程素質(zhì)，降低機器人等設(shè)備的開發(fā)成本，教師整理完善研究成果，形成系統(tǒng)的教學(xué)方案。近年來，我校學(xué)生參加挑戰(zhàn)杯比賽、大學(xué)生科技創(chuàng)新項目、互聯(lián)網(wǎng)+創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目等大學(xué)生競賽項目，均取得了很好的成績。

2.3 工作室培養(yǎng)模式

建立教師工作室，遵循產(chǎn)學(xué)研教結(jié)合的人才培養(yǎng)思路，積極跟蹤機器人的前沿技術(shù)與發(fā)展動態(tài)，承擔(dān)教科研項目，帶動教師團隊和學(xué)生創(chuàng)新團隊建設(shè)[6]。工作室以任務(wù)為驅(qū)動，企業(yè)的工作任務(wù)、競賽項目或教師承擔(dān)的項目為載體，學(xué)生協(xié)作完成工作任務(wù)，形成了“技能-專業(yè)-科研”一體化。工作室在科研成果轉(zhuǎn)化方面，成功申報省工程技術(shù)研究中心，1個市工程技術(shù)研究中心，已授權(quán)專利數(shù)十項，已發(fā)表學(xué)術(shù)論文數(shù)十篇，立項建設(shè)省部級科研項目一項、市級、校級科研項目近十項，教學(xué)成果轉(zhuǎn)化方面，省級教學(xué)改革項目三項，省級精品在線開放課程建設(shè)一門，省級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目兩項等等。

通過基礎(chǔ)課與專業(yè)課、理論教學(xué)與實踐教學(xué)等主要環(huán)節(jié)加強學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)，以大學(xué)生創(chuàng)新平臺、教師工作室為依托，構(gòu)建了專業(yè)社團平臺-專業(yè)實訓(xùn)平臺-創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)平臺層層延伸的機電類大學(xué)生協(xié)同創(chuàng)新能力培養(yǎng)體系，如圖3。

圖3 協(xié)同創(chuàng)新能力培養(yǎng)體系

3 校企聯(lián)合培養(yǎng)，構(gòu)建“能力遞進、工作過程系統(tǒng)化”的課程體系

校企合作貫穿人才培養(yǎng)全過程，將企業(yè)的需求和意見作為人才培養(yǎng)中重要的考量標(biāo)準(zhǔn)，人才培養(yǎng)與企業(yè)實際需求實現(xiàn)“無縫對接”[7]。以職業(yè)能力為主線，構(gòu)建了能力遞進、工作過程系統(tǒng)化的課程體系。經(jīng)過充分調(diào)研、研討，分析企業(yè)崗位要求，梳理整合崗位典型工作任務(wù)，將崗位要求與機電行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及國家職業(yè)技能鑒定標(biāo)準(zhǔn)相結(jié)合，確定課程學(xué)習(xí)領(lǐng)域，校企合作共同開發(fā)了學(xué)習(xí)情景，形成了由技術(shù)基礎(chǔ)模塊、專業(yè)能力模塊、綜合專業(yè)能力模塊和拓展能力模塊的課程設(shè)置思路，構(gòu)建的系統(tǒng)化課程體系具有課程設(shè)置目標(biāo)清晰、課程定位有企業(yè)特色、以工作過程為主線

的機電類專業(yè)的課程體系構(gòu)架如圖4所示。

圖4 機電類專業(yè)的課程體系構(gòu)架

近年來，我校與多個大型企業(yè)建立了長期校企合作人才培養(yǎng)的關(guān)系，共同建立了人才培養(yǎng)基地，設(shè)立訂單班，訂單班在校內(nèi)進行一體化教學(xué)，共管共教，注重過程考核，取得很好的教學(xué)效果。訂單班的就業(yè)質(zhì)量高，崗位對口，待遇滿意，學(xué)生穩(wěn)定，家長安心，企業(yè)放心。同時，企業(yè)指導(dǎo)老師把企業(yè)要求、文化帶進校園，培養(yǎng)學(xué)校良好的學(xué)習(xí)風(fēng)氣，對專業(yè)教學(xué)起了較大的示范促進作用。

4 結(jié) 語

分析了高職機電類專業(yè)課程教學(xué)中存在的問題，提出了基于“仿、賽、做” 與機器人創(chuàng)新的教學(xué)模式。實踐表明，仿真、競賽、實踐相結(jié)合，通過理論、實驗、實訓(xùn)交叉同步的方式開展教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生進行創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)活動，校企合作共同培養(yǎng)人才，可以調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和創(chuàng)造性，提高學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力。這對機電類專業(yè)的教學(xué)改革和發(fā)展有著重要的意義和促進作用。

[1] 呂景泉, 張興會,湯曉華,等.開發(fā)技能賽項及其教學(xué)資源推進高職機電類專業(yè)綜合實訓(xùn)教學(xué)的改革與實踐[J].中國職業(yè)技術(shù)教育.2014(30):5-9.

[2] 徐 婷,焦玉民,劉 斌,等.混合式教學(xué)模式在機械專業(yè)課程的應(yīng)用研究[J].機械研究與應(yīng)用,2017,30(3):207-210.

[3] 陳 巍.基于機器人競賽的大學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)模式[J].實驗室研究與探索,2012(31)7:297-300.

[4] 劉淑云,馬 燕,范文翔.創(chuàng)客理念下師范院校的機器人教學(xué)模式探究[J].現(xiàn)代教育技術(shù),2016(7):120-126.

[5] Shouling He, Jonathan Zubarriain and Nicholas Kumia. Integrating robotics education in Pre-college engineering program[C]. 5th IEEE Integrated STEM Conference,2015:183-188.

[6] 黃敦華,趙 丹,朱莉莉,等.基于大學(xué)生科學(xué)研究與創(chuàng)業(yè)行動計劃的機器人創(chuàng)新團隊建設(shè)研究與實踐[J].機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新,2011(24)4:181-184.

[7] 徐作華.校企合作構(gòu)建項目化專業(yè)課程體系——以機電一體化專業(yè)為例[J].職教論壇,2015(30):80-82.