信息化技術(shù)在提高機(jī)器人專業(yè)教學(xué)有效性中的應(yīng)用

曹魯輝

摘 要：將信息化技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)是職業(yè)教育教學(xué)改革的方向。機(jī)器人專業(yè)是新興專業(yè)，本文就信息化技術(shù)在機(jī)器人專業(yè)教學(xué)中如何應(yīng)用、如何推進(jìn)教學(xué)有效性及信息化技術(shù)在教學(xué)中應(yīng)用時(shí)應(yīng)注意的問題，提出了一些看法。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人 信息化技術(shù) 仿真軟件 工位監(jiān)控 過程性評(píng)價(jià)

在《中國(guó)制造2025》戰(zhàn)略中，五大工程中的智能制造工程中明確提出要求“關(guān)鍵崗位機(jī)器人替代”，十大領(lǐng)域中的高檔數(shù)控機(jī)床和機(jī)器人更是重中之重，關(guān)系到智能制造強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的實(shí)施。目前我國(guó)在產(chǎn)業(yè)升級(jí)中，關(guān)鍵崗位機(jī)器換人的趨勢(shì)越來越明顯，尤其在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)人力、土地等成本高漲的背景下，“機(jī)器換人”有著廣闊的應(yīng)用前景，除了節(jié)約大量的人力成本外，更是極大地提高了生產(chǎn)效率，保證了產(chǎn)品成品率，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，顯著提高了企業(yè)效益。

機(jī)器人是新興專業(yè)，職業(yè)學(xué)校機(jī)器人專業(yè)課程的基本特點(diǎn)是專業(yè)比較新穎，涉及許多專業(yè)學(xué)科，專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)比較難懂，要求學(xué)生具備動(dòng)手能力和實(shí)踐能力。但職業(yè)學(xué)校的學(xué)生學(xué)科基礎(chǔ)差，相關(guān)專業(yè)知識(shí)更是不足，更別提機(jī)電自動(dòng)化方面的知識(shí)了。而且這些專業(yè)知識(shí)畢竟難懂，單靠學(xué)生在課堂學(xué)習(xí)，是很難深入理解和掌握的。如果教師結(jié)合動(dòng)畫視頻和動(dòng)手實(shí)踐，通過綜合手段使資源立體化，更直觀地呈現(xiàn)在學(xué)生面前，就會(huì)對(duì)優(yōu)化改進(jìn)機(jī)器人專業(yè)課程教學(xué)的有效性起到極大的推動(dòng)作用。

一、信息化技術(shù)在教學(xué)中有效性的定義

信息化技術(shù)在教學(xué)中的有效性主要是指在綜合利用仿真軟件、多媒體、互聯(lián)網(wǎng)、視頻動(dòng)畫等資源前提下，緊密結(jié)合當(dāng)今職業(yè)教育發(fā)展的需求和特點(diǎn)，為改善和提高理論掌握和實(shí)訓(xùn)技能的教學(xué)效果所進(jìn)行的一種有益嘗試。主要目的是加深學(xué)生對(duì)相關(guān)理論知識(shí)的掌握，提升操作技能水平，更好地結(jié)合企業(yè)用工需求，及時(shí)調(diào)整企業(yè)市場(chǎng)需求，對(duì)滿足當(dāng)今日新月異的個(gè)性化定制需求有著極大的借鑒和促進(jìn)意義。其特點(diǎn)是信息化資源多樣性、豐富性、時(shí)效性、立體性。所借助的手段甚至可以是虛擬現(xiàn)實(shí)VR等技術(shù)，讓學(xué)生可以身臨其境地觀看內(nèi)部結(jié)構(gòu)、近距離觀察原理運(yùn)動(dòng)等，從而更有效地掌握專業(yè)理論知識(shí)和實(shí)訓(xùn)技能。相對(duì)于傳統(tǒng)教學(xué)和實(shí)訓(xùn)，信息化技術(shù)手段提供給學(xué)生體驗(yàn)式學(xué)習(xí)、自主學(xué)習(xí)的機(jī)會(huì)大大增加，通過互動(dòng)式、團(tuán)隊(duì)合作式的教學(xué)方式，增加學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性，把要求學(xué)生學(xué)習(xí)變?yōu)閷W(xué)生要學(xué)習(xí)的新模式，增加學(xué)習(xí)資源的趣味性、可視性、立體性，從而確保學(xué)生有更好的學(xué)習(xí)效率和效果。

目前開設(shè)機(jī)器人專業(yè)的職業(yè)學(xué)校不是很多，信息化技術(shù)在機(jī)器人專業(yè)教學(xué)的應(yīng)用還在探索階段。本文在應(yīng)用信息化技術(shù)于理論教學(xué)與實(shí)訓(xùn)教學(xué)中時(shí)重點(diǎn)考量?jī)煞矫?，一是考慮如何利用信息化技術(shù)才能促進(jìn)理論與實(shí)踐教學(xué)的提升，二是利用信息化技術(shù)，不能為了應(yīng)用而應(yīng)用，一切都要以教學(xué)效果為導(dǎo)向，以學(xué)生切實(shí)掌握理論和技能為目標(biāo)，希望在信息技術(shù)應(yīng)用于機(jī)器人專業(yè)方面為同行提供新的教學(xué)思路。

二、信息化技術(shù)在機(jī)器人專業(yè)教學(xué)的應(yīng)用策略

機(jī)器人專業(yè)技術(shù)集中了機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制及人工智能等多學(xué)科的最新研究成果，代表了機(jī)電一體化的最高成就。因此在職業(yè)學(xué)校專業(yè)教學(xué)中，在大部分中職學(xué)生專業(yè)基礎(chǔ)理論薄弱、相關(guān)學(xué)科知識(shí)不全面，以及學(xué)校專業(yè)教師不足、實(shí)訓(xùn)設(shè)備不足、資源不足的情況下，如何有效整合相關(guān)學(xué)科資源、如何深度理解機(jī)器人相關(guān)邏輯運(yùn)算和機(jī)器人應(yīng)用、如何結(jié)合當(dāng)前現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)有效推進(jìn)機(jī)器人專業(yè)教學(xué)，使學(xué)生通過現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)和理論學(xué)習(xí)達(dá)到企業(yè)用工要求和社會(huì)要求就成為教師面臨的難點(diǎn)。以下筆者將結(jié)合自己在教學(xué)中的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，從信息化技術(shù)應(yīng)用的四個(gè)方面入手，闡述在機(jī)器人理論和實(shí)訓(xùn)教學(xué)中如何破解這些困境，為其他同行提供參考。

1.運(yùn)用RobotArt仿真軟件

近些年，隨著智能制造和高端裝備制造業(yè)的推進(jìn)，工業(yè)機(jī)器人不再局限于汽車生產(chǎn)制造和電子裝配等領(lǐng)域，而是越來越多地應(yīng)用于各種精密制造新興產(chǎn)業(yè)、拋光打磨危險(xiǎn)傳統(tǒng)行業(yè)等。通常工業(yè)機(jī)器人操作者是利用示教器現(xiàn)場(chǎng)編程，這種編程方式一般用在對(duì)軌跡路徑精度要求不高的情況下，具有方便、高效、適應(yīng)個(gè)性化定制等優(yōu)點(diǎn)。因此，采用示教器編程依然是主要編程方式。

但隨著高端裝備對(duì)制造和裝配精度要求的提高，傳統(tǒng)采用示教器編程的方式已不能滿足項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)的需要。雖然各大機(jī)器人公司有自己的離線編程軟件，但都是基于自身品牌和應(yīng)用開發(fā)的，如庫卡的Workvisual、ABB的RobotStudio。

RobotArt利用最新的三維軟件開發(fā)技術(shù)，結(jié)合工業(yè)機(jī)器人離線編程技術(shù)，采用最新拓?fù)溥\(yùn)算技術(shù)、形成了機(jī)器人離線編程系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)體仿真、模擬、加工提高機(jī)器人編程效率，從而可以滿足加工的高精度、個(gè)性化定制等需求，同時(shí)還可以大幅度提高加工效率和加工質(zhì)量。

在實(shí)際教學(xué)中，教師利用仿真軟件可以有效檢測(cè)加工中的干涉、位姿調(diào)整以及安全防碰撞檢測(cè)技術(shù)，最大限度地減少實(shí)操中安全隱患的發(fā)生。同時(shí)可以在教學(xué)中先讓一部分學(xué)生學(xué)習(xí)仿真軟件，另外一部分學(xué)習(xí)實(shí)際操作，等兩部分學(xué)生都已經(jīng)熟練掌握，再進(jìn)行交換學(xué)習(xí)。這種方法可以對(duì)教學(xué)資源進(jìn)行最大化利用，又可以使學(xué)生仿真和實(shí)操能力都得到充分的訓(xùn)練和學(xué)習(xí)，提高了學(xué)習(xí)效率和效益，增加了課堂的容量和質(zhì)量，為學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)掌握理論實(shí)訓(xùn)內(nèi)容奠定了扎實(shí)基礎(chǔ)，也為學(xué)生將來進(jìn)入操作項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)積累了一定的經(jīng)驗(yàn)。

2.工位監(jiān)控

筆者在實(shí)際教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)教師和實(shí)訓(xùn)設(shè)備遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足學(xué)生對(duì)個(gè)性化指導(dǎo)和實(shí)際操作時(shí)間的需求。同時(shí)由于工業(yè)機(jī)器人在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)往往帶有一定安全隱患，尤其是在焊接中，安全隱患更大。為解決在機(jī)器人實(shí)訓(xùn)操作中教師人手不足、學(xué)生工位較多、無法及時(shí)指導(dǎo)監(jiān)控到位等矛盾，在教學(xué)中，筆者對(duì)每臺(tái)機(jī)器人工位都安裝了監(jiān)控鏡頭，并通過監(jiān)控視頻軟件建立了中央監(jiān)控系統(tǒng)，這樣教師就可以實(shí)時(shí)查看學(xué)生的操作情況，指導(dǎo)和規(guī)范學(xué)生的操作流程，并對(duì)學(xué)生的不當(dāng)操作進(jìn)行及時(shí)排查和干預(yù)，避免安全事故，減少隱患發(fā)生，保證了實(shí)訓(xùn)過程的可控性、學(xué)生的實(shí)操安全性，提高了課堂的教學(xué)質(zhì)量和效率。

3.立體化資源

筆者在實(shí)際教學(xué)中，充分利用華航唯實(shí)配套工業(yè)機(jī)器人工作站的學(xué)徒寶資源，立體形象地幫助學(xué)生獲得直觀解決機(jī)器人專業(yè)課學(xué)習(xí)中的難題。學(xué)生通過配套教材中每個(gè)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目中的二維碼，可以獲得詳細(xì)的視頻講解，學(xué)習(xí)如何操作和完成每個(gè)項(xiàng)目。其中利用學(xué)徒寶里面的3D虛擬操作讓學(xué)生可以在虛擬現(xiàn)實(shí)的場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的虛擬操作，最大限度減少事故隱患的發(fā)生。而通過實(shí)戰(zhàn)現(xiàn)場(chǎng)項(xiàng)目分析則可以使學(xué)生更直觀觀察和學(xué)習(xí)機(jī)器人如何應(yīng)用于工廠的生產(chǎn)環(huán)節(jié)，使學(xué)生加深理解，建立實(shí)踐觀念。

4.過程性評(píng)價(jià)

為實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生在機(jī)器人專業(yè)課從理論到仿真再到實(shí)操的全過程評(píng)價(jià)，筆者在實(shí)施教學(xué)中利用MAKA和教學(xué)平臺(tái)評(píng)價(jià)系統(tǒng)等分別對(duì)理論和實(shí)操進(jìn)行打分。理論部分教師通過知識(shí)講解、設(shè)計(jì)問題、學(xué)生答題、平臺(tái)提交、自動(dòng)打分、實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)，可以直觀看到學(xué)生整體作答情況。在學(xué)生實(shí)際操作機(jī)器人部分，教師通過巡視指導(dǎo)、工位監(jiān)控等手段，運(yùn)用教學(xué)平臺(tái)評(píng)價(jià)系統(tǒng)對(duì)學(xué)生的安全實(shí)操、正確編程規(guī)范操作等環(huán)節(jié)分類打分。最后教師可以綜合理論和實(shí)操對(duì)學(xué)生進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，從而實(shí)現(xiàn)信息化評(píng)價(jià)。

利用以上四種信息化技術(shù)手段，教師可以有效解決教學(xué)中的設(shè)備不足、教師人手不足的問題，同時(shí)可最大限度地降低事故的發(fā)生。豐富的數(shù)字化、可視化的教學(xué)資源還能比較好地突破教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)，從而為學(xué)生掌握工業(yè)機(jī)器人的基礎(chǔ)理論、機(jī)器人的相關(guān)應(yīng)用打下良好基礎(chǔ)，更為中職生走向社會(huì)、快速地適應(yīng)崗位需求提供強(qiáng)有力的支撐。

三、機(jī)器人專業(yè)課程信息化教學(xué)中應(yīng)注意的事項(xiàng)

雖然信息化技術(shù)在機(jī)器人專業(yè)教學(xué)中有諸多優(yōu)勢(shì)，也是機(jī)器人專業(yè)教學(xué)方式變革的一個(gè)方向，但是在實(shí)際運(yùn)用中也有一些特別要注意的地方。

1.在實(shí)際教學(xué)中注意是否必須要用信息化技術(shù)

在進(jìn)行實(shí)訓(xùn)教學(xué)時(shí)，教師過多使用信息化技術(shù)可能會(huì)違背教學(xué)的初衷，不能為了信息化而使用信息化技術(shù)。在使用信息化技術(shù)教學(xué)時(shí)應(yīng)充分考慮教學(xué)的實(shí)際情況，一些實(shí)踐性強(qiáng)、需要重復(fù)訓(xùn)練才能達(dá)到一定水平的技術(shù)操作，就不需要花太多資源制作信息化資源。

2.仿真軟件不能取代實(shí)訓(xùn)操作

機(jī)器人專業(yè)課程分為兩部分，現(xiàn)場(chǎng)編程和離線編程。現(xiàn)場(chǎng)編程部分會(huì)涉及示教器安裝調(diào)試、控制柜安裝調(diào)試還有機(jī)器人本體的零點(diǎn)矯正，這些都必須通過現(xiàn)場(chǎng)操作反復(fù)訓(xùn)練才能掌握。而且進(jìn)行精度控制和路徑設(shè)計(jì)，現(xiàn)場(chǎng)情況往往很復(fù)雜，單純依靠仿真軟件，現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)用會(huì)經(jīng)常遇到干涉問題，這就要求操作者必須多積累現(xiàn)場(chǎng)操作示教編程的經(jīng)驗(yàn)，這些都是仿真軟件代替不了的。雖然仿真軟件可以解決教師人手不足、設(shè)備不足等問題，但是現(xiàn)場(chǎng)情況復(fù)雜，運(yùn)用在精密大型等加工時(shí)采用仿真離線編程會(huì)更合適。

由此可見，在機(jī)器人專業(yè)教學(xué)中，教師在合理地運(yùn)用信息化技術(shù)、充分考慮現(xiàn)場(chǎng)情況的前提下，要實(shí)現(xiàn)教學(xué)有效性的目標(biāo)，就要綜合發(fā)揮各種信息化技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，以達(dá)到良好效果。

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（作者單位：廈門市海滄區(qū)職業(yè)中專學(xué)校）