虛實結(jié)合的工業(yè)機(jī)器人教學(xué)模式探索與研究

鄭英 許慶 辛海燕 郁佳佳

摘 要：本文結(jié)合學(xué)院實際情況分析了應(yīng)用型本科院校工業(yè)機(jī)器人教學(xué)中存在的問題，有針對性地提出虛實結(jié)合的教學(xué)模式，并在實際的機(jī)器人教學(xué)過程中進(jìn)行實踐和總結(jié)，不斷完善教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)模式，探索應(yīng)用型人才培養(yǎng)的新途徑。

關(guān)鍵詞：虛實結(jié)合 工業(yè)機(jī)器人 教學(xué)模式

隨著工業(yè)4.0和中國智能制造2025的提出，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)得以飛速發(fā)展。工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用型人才的需求日益增大，據(jù)統(tǒng)計，目前長三角使用工業(yè)機(jī)器人的制造企業(yè)就多達(dá)6000多家，人才缺口達(dá)5萬人左右，預(yù)計未來幾年，工業(yè)機(jī)器人的增速可達(dá)25%以上，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)人才緊缺。作為應(yīng)用型人才培養(yǎng)的高校，也紛紛開設(shè)機(jī)器人專業(yè)或者在專業(yè)課程里面增加機(jī)器人的培養(yǎng)方向，作為應(yīng)用型本科院校，必須探索新的機(jī)器人教學(xué)模式，同時密切關(guān)注市場需求，為智能制造的企業(yè)輸送真正的機(jī)器人工程師，以滿足制造業(yè)的發(fā)展需求。

一、機(jī)器人教學(xué)模式現(xiàn)狀

工業(yè)機(jī)器人作為一種高科技集成裝備，對人才有著多層次的需求。但由于種種原因，工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用型人才培養(yǎng)很難落到實處，工業(yè)機(jī)器人人才很難滿足市場的需求。目前來看，本科院校的機(jī)器人教學(xué)存在以下問題：

（一）機(jī)器人軟硬件資源不足

工業(yè)機(jī)器人的教學(xué)開展必須配套軟硬件資源，一套普通的工業(yè)機(jī)器人工作站少則十幾萬，甚至上百萬，導(dǎo)致高校投入不足，硬件設(shè)備跟不上，有的院校覺得投入產(chǎn)出比不高，遲遲不肯購買設(shè)備，導(dǎo)致學(xué)生僅僅停留在理論層面。缺乏實踐環(huán)節(jié)，應(yīng)用型院校的培養(yǎng)目標(biāo)很難達(dá)成。此外，機(jī)器人廠商軟件不開源或者仿真軟件有版權(quán)問題，也很難和具體的工業(yè)機(jī)器人配套使用。導(dǎo)致學(xué)生自主學(xué)習(xí)的資源非常少。

（二）機(jī)器人師資力量薄弱

在機(jī)器人技術(shù)迅速發(fā)展的今天，很多教師面臨轉(zhuǎn)型問題，原來的經(jīng)典的機(jī)械和控制要向機(jī)電結(jié)合的工業(yè)機(jī)器人轉(zhuǎn)型，每所院校都面臨機(jī)器人專業(yè)教師的緊缺的現(xiàn)狀。原來的老教師也需要再學(xué)習(xí)才能勝任機(jī)器人教學(xué)崗位，新的教師又招不到，想要短期內(nèi)開設(shè)機(jī)器人專業(yè)的課程困難重重。

（三）實踐平臺缺乏

工業(yè)機(jī)器人要面向工業(yè)生產(chǎn)，學(xué)生只在教室學(xué)習(xí)理論知識是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足市場需求。實踐平臺的搭建尤為重要，一方面需要學(xué)校投入資金購買機(jī)器人工作站設(shè)備，一方面又需要學(xué)生做一些實踐類的操作。很多學(xué)校實驗室建設(shè)面臨困難，學(xué)生實踐機(jī)會比較少，或者一臺設(shè)備上同時有很多學(xué)生操作，利用率很低。

二、虛實結(jié)合的機(jī)器人教學(xué)模式

針對目前許多高校工業(yè)機(jī)器人教學(xué)面臨的問題，根據(jù)學(xué)院基于應(yīng)用型人才培養(yǎng)的定位，結(jié)合機(jī)器人課程本身的特點和實際的教學(xué)情況，提出虛實結(jié)合的教學(xué)模式。

（一）虛擬仿真教學(xué)與實踐項目結(jié)合的必要性

為了充分體現(xiàn)應(yīng)用型本科教學(xué)目標(biāo)，彌補教學(xué)設(shè)備投入不足，加快提高學(xué)生綜合實踐能力，課題組提出將仿真教學(xué)與實踐項目相結(jié)合的教學(xué)模式，利用仿真軟件及離線編程軟件來完成實現(xiàn)模擬任務(wù)，既能提高實踐練習(xí)的效率，又能避免硬件平臺的損壞，更能保障學(xué)生實踐過程的安全。通過仿真訓(xùn)練，學(xué)生能夠很快掌握工業(yè)機(jī)器人的坐標(biāo)系的建立和示教器編程的操作要領(lǐng)。提高學(xué)生機(jī)器人的實操能力，又能聯(lián)系實際解決問題。

（二）虛實結(jié)合教學(xué)模式

機(jī)器人技術(shù)課程理論性強，內(nèi)容廣泛，涉及機(jī)械、電子、控制等學(xué)科，目前的教學(xué)過程理論教學(xué)過于單一，學(xué)生不感興趣，也很難出成果。本次改革提出將虛擬仿真技術(shù)，實物搭建模型引入機(jī)器人教學(xué)，調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，以知識應(yīng)用為重點，提升學(xué)生的綜合實踐能力。

1.教學(xué)大綱的修改

工業(yè)機(jī)器人大綱規(guī)定3學(xué)分的課程，按計劃理論課2.5個學(xué)分，實踐安排0.5個學(xué)分。考慮到工業(yè)機(jī)器人面向應(yīng)用型培養(yǎng)的需要，修改為理論課2學(xué)分，實驗課1學(xué)分，從實踐學(xué)時上保證學(xué)生實踐比例的增加，提高學(xué)生應(yīng)用能力。

2.充分開展理論教學(xué)

教師通過網(wǎng)絡(luò)平臺介紹機(jī)器人的組成，核心部件的工作原理，如RV減速器的工作原理。示教器的使用，軟件編程等，讓學(xué)生充分了解機(jī)器人本體，控制器和示教器的工作流程。課上，教師講解理論知識，和介紹仿真軟件以及仿真案例演示。

3.虛實結(jié)合的一體化實踐

實踐教學(xué)在課程教學(xué)中具有非常重要的作用，是培養(yǎng)高素質(zhì)應(yīng)用型人才的關(guān)鍵部分。（1）先從虛擬仿真開始，讓學(xué)生學(xué)會使用機(jī)器人仿真軟件，在此基礎(chǔ)上，完成本體的運動控制，比如關(guān)節(jié)運動，直角坐標(biāo)系下的運動。熟悉直線運動，圓弧運動等基本指令。對實驗項目進(jìn)行任務(wù)分解，讓學(xué)生通過仿真完成工業(yè)任務(wù)，如搬運、碼垛、分揀等動作。仿真完成的基礎(chǔ)上，再把編好的程序?qū)С龅焦ぷ髡旧线M(jìn)行驗證。（2）熟悉示教器的使用，通過示教，使機(jī)器人完成基本的工業(yè)操作，比如，畫軌跡，漢諾塔等完整的實驗。（3）通過機(jī)器人編程實現(xiàn)傳輸帶上貨物的抓取、搬運和碼垛一系列工業(yè)流程。

學(xué)院投入8臺3kg桌面式工業(yè)機(jī)器人工作站供學(xué)生實踐，學(xué)生在完成仿真的基礎(chǔ)上，可以依次在工作站上驗證編程結(jié)果。這8臺工作站供學(xué)生完成搬運、碼垛、打磨、分揀等工業(yè)作業(yè)。

學(xué)院使用的是HiPeRMOS2軟件，學(xué)生用筆記本電腦就可以完成仿真。仿真軟件添加桌面和仿真圖形如圖1和圖2所示

（三）教學(xué)效果與評價

理論教學(xué)，通過網(wǎng)絡(luò)平臺，豐富了學(xué)生對機(jī)器人本體和加工工藝的認(rèn)知。讓學(xué)生全面了解機(jī)器人的構(gòu)成，核心部件的工作原理，仿真軟件的演示讓學(xué)生學(xué)到的理論知識進(jìn)一步與機(jī)器人實際進(jìn)行結(jié)合。實踐教學(xué)階段采用虛實結(jié)合，邊仿真邊改錯，完成作業(yè)任務(wù)的模擬，然后再到工作站進(jìn)行驗證。考核以小組為單位，通過過程考核和成果考核相結(jié)合的形式對學(xué)生進(jìn)行全面考核，過程考核包括考勤，仿真軟件的操作和仿真結(jié)果驗收等形式，成果考核主要以工作站的驗證為最終結(jié)果。

（四）加強師資隊伍建設(shè)

工業(yè)機(jī)器人教學(xué)設(shè)計涉及多個專業(yè)領(lǐng)域，對任課教師提出很高的要求。為了加強師資隊伍建設(shè)，一方面引進(jìn)有豐富經(jīng)驗的機(jī)器人教師，一方面可以派遣教師去高?；蚱髽I(yè)參加培訓(xùn)。派出教師與企業(yè)工程師聯(lián)合開發(fā)課程和實驗項目，開發(fā)校企合作項目，充分引進(jìn)企業(yè)工程項目，使學(xué)生的培養(yǎng)更加貼近市場需求。

結(jié)語

本文結(jié)合學(xué)院實際情況分析了應(yīng)用型本科院校工業(yè)機(jī)器人教學(xué)中存在的問題，有針對性地提出虛實結(jié)合的教學(xué)模式，通過虛擬仿真，實現(xiàn)學(xué)生對工業(yè)機(jī)器人的認(rèn)知和編程，通過仿真熟悉機(jī)器人搬運、碼垛、分揀等工業(yè)作業(yè)，虛實結(jié)合的教學(xué)模式有效防止操作失誤，保護(hù)學(xué)生人身安全和提高學(xué)生的綜合應(yīng)用能力。

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作者簡介

鄭英（1974—），女，籍貫：河北保定，副教授，碩士，研究方向：工業(yè)機(jī)器人，檢測與自動化。