基于CBE 理念的工業(yè)機(jī)器人操作與編程實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)

祁曉玲

（山西鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030013）

0 引言

隨著機(jī)器人技術(shù)的飛速發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人作為現(xiàn)代制造業(yè)的重要自動(dòng)化裝備在工業(yè)生產(chǎn)中的很多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。在工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用過程中，技術(shù)人才的需求量逐漸增加，高職院校在這方面的人才培養(yǎng)任務(wù)也會(huì)同步加大。為滿足社會(huì)的需求，山西鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院開設(shè)了工業(yè)機(jī)器人相關(guān)課程，并安裝了機(jī)器人實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，其中“機(jī)器人操作與編程實(shí)訓(xùn)”是機(jī)電一體化專業(yè)的核心課程，也是實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，在專業(yè)理論運(yùn)用、實(shí)踐操作、綜合應(yīng)用能力等方面，都發(fā)揮著重要作用。

目前，國(guó)內(nèi)工業(yè)機(jī)器人品牌眾多，產(chǎn)品質(zhì)量不一，互相不兼容。而且工業(yè)機(jī)器人價(jià)格昂貴，對(duì)場(chǎng)地有一定限制[1]。綜上，具體的工業(yè)機(jī)器人的選擇、建設(shè)實(shí)訓(xùn)室成本和對(duì)場(chǎng)地的考慮，都是學(xué)校面臨的困難。山西鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院現(xiàn)有不同廠家的幾種工業(yè)機(jī)器人，數(shù)量較少，人人都熟練操作不易實(shí)現(xiàn)。作為新開課程，部分教師還缺少相關(guān)的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，不能形成以職業(yè)崗位能力為導(dǎo)向的教學(xué)方法。實(shí)踐教學(xué)的教師應(yīng)該具有相應(yīng)崗位的職業(yè)能力，參與過企業(yè)實(shí)際操作并積累一定的經(jīng)驗(yàn)。但目前真正與實(shí)踐對(duì)接的專業(yè)教學(xué)教師仍然較少。因此，依據(jù)工業(yè)機(jī)器人編程操作崗位職責(zé)，對(duì)工業(yè)機(jī)器人操作與編程實(shí)訓(xùn)課程進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)和教學(xué)方法的研究十分必要。

1 CBE 職教模式

CBE（competency based education）是能力本位教育的簡(jiǎn)稱，是指圍繞職業(yè)工作崗位所要求的知識(shí)、技能和能力組織課程與教學(xué)的教學(xué)體系[2]。其教學(xué)目標(biāo)明確，針對(duì)性強(qiáng)，能最大限度地使受教育者具備將來從事某種工作所應(yīng)有的綜合能力。CBE 強(qiáng)調(diào)的是學(xué)生的自我學(xué)習(xí)，并將學(xué)生的實(shí)踐技能鍛煉放在首位，教師在整個(gè)教學(xué)過程起到組織指導(dǎo)監(jiān)督的作用[3]。

“工業(yè)機(jī)器人操作與編程實(shí)訓(xùn)”課程的開發(fā)或編寫需要人員應(yīng)具有較深的學(xué)科造詣和豐富的教學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，有改革創(chuàng)新精神;對(duì)工業(yè)機(jī)器人操作與編程實(shí)訓(xùn)的現(xiàn)狀及改革發(fā)展趨勢(shì)有深入的分析和研究。了解學(xué)生身心發(fā)展的特點(diǎn)，熟悉教材編寫的一般規(guī)律和編寫業(yè)務(wù)，文字表達(dá)能力強(qiáng)。

隨著機(jī)器人技術(shù)的不斷發(fā)展以及相關(guān)產(chǎn)品使用，傳統(tǒng)的以知識(shí)為導(dǎo)向的教育模式已經(jīng)不能滿足工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀。因此，將CBE 教育模式應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人職業(yè)教育，對(duì)于提高教育教學(xué)質(zhì)量以及畢業(yè)生走向工作崗位能盡快都具有積極的作用。

2 工業(yè)機(jī)器人操作與編程課程實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目開發(fā)

職業(yè)教育本身是為了培養(yǎng)具有一定專業(yè)知識(shí)的全面發(fā)展型人才，但目前很多學(xué)校對(duì)相關(guān)行業(yè)的實(shí)際需求了解并不充分，理論課程與實(shí)踐教學(xué)脫節(jié)現(xiàn)象仍然比較普遍，從而使得初次進(jìn)入職場(chǎng)的學(xué)生難以把握方向。所以在實(shí)訓(xùn)教學(xué)模式上，將比較抽象的理論知識(shí)與實(shí)際生產(chǎn)結(jié)合起來，對(duì)培養(yǎng)適合社會(huì)發(fā)展需要的人才十分必要。職業(yè)教育不僅要傳授知識(shí)，還要培養(yǎng)學(xué)生操作技能，所以學(xué)生的職業(yè)能力體現(xiàn)是檢驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的重要標(biāo)準(zhǔn)。

目前企業(yè)對(duì)工業(yè)機(jī)器人的人才需求分為操作維護(hù)、應(yīng)用設(shè)計(jì)與銷售3 個(gè)主要專業(yè)方向[4]。工作崗位對(duì)應(yīng)的職業(yè)能力要求具體見表1。

表1 工業(yè)機(jī)器人人才崗位需求及職業(yè)能力要求

在CBE 教育模式下，根據(jù)職業(yè)能力要求，轉(zhuǎn)化成模塊化的課程。工業(yè)機(jī)器人編程與操作的實(shí)訓(xùn)教學(xué)根據(jù)三種技術(shù)崗位的職業(yè)技能需求進(jìn)行實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的開發(fā)。三種崗位分別對(duì)應(yīng)基礎(chǔ)操作模塊、虛擬仿真模塊以及實(shí)訓(xùn)任務(wù)匯報(bào)展示模塊等三部分學(xué)習(xí)內(nèi)容[5]。根據(jù)學(xué)生自身理解能力和實(shí)踐能力的差異，開發(fā)出不同要求的模塊化課程，可以達(dá)到不同學(xué)生能力、素質(zhì)和個(gè)性化的培養(yǎng)。

2.1 基礎(chǔ)操作模塊

該模塊主要是通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物學(xué)習(xí)工業(yè)機(jī)器人，包括對(duì)工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)的認(rèn)知，了解機(jī)器人及工作站的操作安全注意事項(xiàng)、手動(dòng)操作、示教編程等。

該實(shí)訓(xùn)模塊的設(shè)計(jì)主要是使學(xué)生能夠根據(jù)任務(wù)自主思考編程動(dòng)作，手動(dòng)操縱機(jī)器人，通過工業(yè)機(jī)器人示教器示教、編程和再現(xiàn)能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)器人動(dòng)作，滿足實(shí)訓(xùn)任務(wù)要求。并且要求在手動(dòng)和自動(dòng)2 種模式下，機(jī)器人都能夠順利完成任務(wù)。通過該模塊的學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠熟悉機(jī)器人結(jié)構(gòu)，熟練操縱機(jī)器人，掌握編程與操作結(jié)合的重要性，可以提高學(xué)生的動(dòng)手能力和綜合應(yīng)用能力。

2.2 虛擬仿真模塊

該模塊是基于Robotstudio 軟件的虛擬仿真，主要包括掌握ABB 機(jī)器人坐標(biāo)系的建立方法、機(jī)器人常用指令、I/O 配置及使用、程序與數(shù)據(jù)的建立等。

該實(shí)訓(xùn)模塊可以使學(xué)生進(jìn)一步理解和掌握機(jī)器人編程知識(shí)，通過自主選擇工業(yè)機(jī)器人型號(hào)、搭建外圍設(shè)備、建立信號(hào)連接、使用虛擬示教器進(jìn)行編程等一系列步驟，讓機(jī)器人完成特定的工作任務(wù)。實(shí)訓(xùn)過程中可以設(shè)置任務(wù)的難易程度，學(xué)生量力而行，該模塊可以讓學(xué)生了解機(jī)器人工作站的完整構(gòu)成，以及工作任務(wù)的具體設(shè)計(jì)，可以鍛煉學(xué)生對(duì)軟件的應(yīng)用能力和學(xué)生編程的標(biāo)準(zhǔn)化思想。

2.3 實(shí)訓(xùn)任務(wù)匯報(bào)展示模塊

該模塊內(nèi)容主要是通過多媒體、微課視頻等多種形式，將機(jī)器人理論知識(shí)、實(shí)際操作、離線編程相融合，并通過現(xiàn)場(chǎng)講解工業(yè)機(jī)器人基本操作、虛擬仿真、實(shí)訓(xùn)中遇到的實(shí)際問題、解決辦法以及通過這次實(shí)訓(xùn)的心得體會(huì)等，進(jìn)一步提高了機(jī)器人的應(yīng)用能力。該模塊設(shè)計(jì)的目的是樹立學(xué)生的概括總結(jié)思想，理解能力、綜合表達(dá)能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。模塊具體任務(wù)見表2。

表2 工業(yè)機(jī)器人操作與編程實(shí)訓(xùn)內(nèi)容設(shè)計(jì)

3 工業(yè)機(jī)器人技術(shù)實(shí)訓(xùn)模塊的具體實(shí)施

以“搬運(yùn)機(jī)器人系統(tǒng)的應(yīng)用”實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目中基礎(chǔ)操作模塊為例，進(jìn)行了“教、學(xué)、做、賽”一體化的教學(xué)設(shè)計(jì)。

3.1 任務(wù)描述

搬運(yùn)機(jī)器人是指在環(huán)境惡劣的情況下，采用自動(dòng)化水平代替人工效率低下，勞動(dòng)強(qiáng)度大的一些工作，從而降低生產(chǎn)成本和一些安全風(fēng)險(xiǎn)。

本任務(wù)是在老師的指導(dǎo)下，將搬運(yùn)過程進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)操作，采用的設(shè)備是機(jī)器人IRB12，要求學(xué)生完成以下任務(wù)：

3.1.1 工業(yè)機(jī)器人工作臺(tái)調(diào)整

通過操作工業(yè)機(jī)器人示教操作，使工業(yè)機(jī)器人分別沿X 軸、Y 軸運(yùn)動(dòng)，調(diào)整皮帶工作臺(tái)位置，使工作臺(tái)與工業(yè)機(jī)器人相對(duì)位置正確，并固定工作臺(tái)。

3.1.2 工業(yè)機(jī)器人示教編程

（1）通過工業(yè)機(jī)器人示教器示教、編程和再現(xiàn)能夠?qū)崿F(xiàn)拿起輪轂夾爪。抓起夾爪動(dòng)作路徑符合機(jī)器人抓起動(dòng)作一般規(guī)范。

（2）通過工業(yè)機(jī)器人示教器示教、編程和再現(xiàn)在（1）的基礎(chǔ)下，實(shí)現(xiàn)將1 號(hào)料倉的輪轂抓起后放置在要求位置上。要求放置動(dòng)作路徑符合機(jī)器人放置動(dòng)作一般規(guī)范。

（3）通過工業(yè)機(jī)器人示教器示教、編程和再現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)連續(xù)執(zhí)行編程動(dòng)作（2），自動(dòng)拿起輪轂夾爪，將1 號(hào)料倉的輪轂抓起后放置在要求位置。

3.2 教、學(xué)、做、賽一體化教學(xué)模式

CBE 的教育模式必須以職業(yè)能力培養(yǎng)為主，在職業(yè)教育的過程中除了傳統(tǒng)的教育學(xué)習(xí)，必須注重實(shí)踐能力的培養(yǎng)。

“教”是以培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力為目標(biāo)，以教師為主體，以學(xué)生為主導(dǎo)，組織形式多樣、易于實(shí)施的教學(xué)活動(dòng)[6]。教師通過深入企業(yè)調(diào)查研究，以職業(yè)分析為導(dǎo)向制定相應(yīng)的人才培養(yǎng)方案，設(shè)置模塊化的課程，除了教授學(xué)生必備的專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)外，教學(xué)過程中要注重學(xué)生技能的培養(yǎng)，提升學(xué)生的專業(yè)技能。教師在實(shí)訓(xùn)過程中起到引導(dǎo)、監(jiān)督、控制的作用。本模塊實(shí)施過程中教師根據(jù)任務(wù)引導(dǎo)學(xué)生思考工業(yè)機(jī)器人操作的步驟及注意事項(xiàng)，討論方案的可行性和優(yōu)化性，對(duì)操作過程中的每個(gè)環(huán)節(jié)嚴(yán)格跟蹤，遇到困難之處老師要給出示范，保證學(xué)生的安全，對(duì)存在的問題及時(shí)解決。

“學(xué)”與傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)不同，通過小組競(jìng)爭(zhēng)的教學(xué)，激發(fā)每個(gè)同學(xué)的參與意識(shí)和競(jìng)爭(zhēng)意識(shí)，同時(shí)提高學(xué)習(xí)的成就感和獲得感。同時(shí)應(yīng)用現(xiàn)代信息化教學(xué)手段，學(xué)生可以借助網(wǎng)絡(luò)自行搜集相關(guān)資料，自主學(xué)習(xí)。以2019 級(jí)機(jī)電一體化一個(gè)班學(xué)生為例，一個(gè)班有三十多個(gè)學(xué)生，分成六組進(jìn)行。學(xué)校工業(yè)機(jī)器人資源有限，學(xué)生可分段完成不同任務(wù)。CBE 教育理念以學(xué)生的自我學(xué)習(xí)為中心，根據(jù)具體的實(shí)訓(xùn)任務(wù)，各小組自己制定學(xué)習(xí)計(jì)劃。學(xué)習(xí)方式和時(shí)間分配。本模塊中學(xué)生分組討論提出工業(yè)機(jī)器人運(yùn)行最優(yōu)方法和路徑，如何快速準(zhǔn)確的拿起輪轂夾爪，不僅考驗(yàn)學(xué)生操作過程中的細(xì)心耐心程度，還考驗(yàn)學(xué)生對(duì)系統(tǒng)功能的全面掌握。

“做”是指在實(shí)訓(xùn)教學(xué)體系方面，注重實(shí)訓(xùn)技能的培養(yǎng)，精簡(jiǎn)理論課時(shí)，強(qiáng)調(diào)實(shí)用性。積極引導(dǎo)學(xué)生多參與技能實(shí)訓(xùn)，變被動(dòng)為主動(dòng)，大大提高了學(xué)習(xí)成效。這不僅可以讓學(xué)生提前感受真實(shí)生產(chǎn)環(huán)境，熟悉工作崗位所應(yīng)掌握的知識(shí)和技能，也可以通過實(shí)訓(xùn)發(fā)掘優(yōu)秀學(xué)生，為學(xué)生參加技能競(jìng)賽以及進(jìn)入企業(yè)頂崗實(shí)習(xí)做好準(zhǔn)備。本模塊重點(diǎn)是現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際操作，機(jī)電一體化專業(yè)的學(xué)生以男生為主，在保證安全的前提下，大部分同學(xué)都能夠勇于嘗試，并且熟練操作的同學(xué)會(huì)積極的指導(dǎo)其他同學(xué)，每人在操作時(shí)會(huì)出現(xiàn)不同的狀況，小組成員共同協(xié)商，找出解決辦法。通過協(xié)作學(xué)習(xí)和指導(dǎo)學(xué)習(xí)的方式，掌握了該模塊所需的知識(shí)和技能，進(jìn)一步提高了學(xué)生學(xué)習(xí)積極性和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。

“賽”不僅指參加學(xué)院職業(yè)周比賽和各級(jí)各類技能競(jìng)賽，也指按比賽的要求嚴(yán)格要求學(xué)生，培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力和創(chuàng)新能力。近兩年，學(xué)院指導(dǎo)老師帶領(lǐng)學(xué)生參加省級(jí)國(guó)家級(jí)機(jī)器人競(jìng)賽，積累了一定的經(jīng)驗(yàn)，獲得了令人欣慰的成績(jī)。本模塊中，根據(jù)工業(yè)機(jī)器人抓起和放置物塊動(dòng)作規(guī)范嚴(yán)格要求，在操作、行為以及認(rèn)知上形成規(guī)范的職業(yè)習(xí)慣和職業(yè)意識(shí)。遇到問題小組成員共同商討解決，取得成績(jī)一起分享收獲，培養(yǎng)了學(xué)生的個(gè)人與團(tuán)隊(duì)意識(shí)，進(jìn)一步培育了學(xué)生的職業(yè)素養(yǎng)。

3.3 教學(xué)評(píng)價(jià)

在模塊任務(wù)實(shí)施過程中，教師對(duì)學(xué)生各個(gè)小組掌握知識(shí)、技能運(yùn)用以及創(chuàng)新能力等方面進(jìn)行客觀詳細(xì)的記錄，并能夠現(xiàn)場(chǎng)給予評(píng)價(jià)[7]。小組講解完畢后對(duì)組員整體表現(xiàn)和成績(jī)做出綜合性的分析，對(duì)運(yùn)用知識(shí)點(diǎn)較好的同學(xué)給予表揚(yáng)，總結(jié)出學(xué)生學(xué)習(xí)的難點(diǎn)，并及時(shí)加強(qiáng)指導(dǎo)。本模塊實(shí)施過程中，老師需要詳細(xì)記錄下每位學(xué)生操作過程中的表現(xiàn)，并根據(jù)任務(wù)中每個(gè)動(dòng)作的執(zhí)行情況給予相應(yīng)的分?jǐn)?shù)，讓學(xué)生們發(fā)現(xiàn)自己需要改進(jìn)的地方，樹立學(xué)生的工作意識(shí)。

4 結(jié)語

《中國(guó)制造2025》明確提出，十大重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域包括機(jī)器人和高檔數(shù)控機(jī)床等[8]。工業(yè)機(jī)器人大規(guī)模應(yīng)用的趨勢(shì)已經(jīng)非常明顯，社會(huì)對(duì)工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)人才的需求不斷增加。通過對(duì)CBE 教育模式進(jìn)行分析，提出了基于CBE 理念的工業(yè)機(jī)器人操作與編程實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的模塊化設(shè)計(jì)，基于企業(yè)對(duì)人才的需求，采用了“教、學(xué)、做、賽一體化”的教學(xué)機(jī)制，在保證較高培養(yǎng)質(zhì)量的同時(shí)，可以有效加快培養(yǎng)出適應(yīng)相關(guān)行業(yè)應(yīng)用型人才，同時(shí)此教育模式的改革也在專業(yè)建設(shè)上取得了顯著成果。