基于工作站和數(shù)字化平臺的課程教學改革與實踐
——以高職《工業(yè)機器人技術》課程為例

李敏

（甘肅能源化工職業(yè)學院，甘肅 蘭州 730207）

0 引言

近年來，信息技術與制造業(yè)深度融合，已把“機器換人”列為產(chǎn)業(yè)政策。要實現(xiàn)“機器換人”，就需要大批掌握工業(yè)機器人設備裝調(diào)、維修和系統(tǒng)升級等技術技能型人才。以滿足行業(yè)企業(yè)需求為目標，高職院校都新加設《工業(yè)機器人技術》專業(yè)課程等[1]。

1 課程現(xiàn)狀

《工業(yè)機器人技術》課程涉及多學科、多專業(yè)知識內(nèi)容，理論知識抽象，對教學提出了挑戰(zhàn)。

1.1 理論與實際應用脫節(jié)，學生動手能力不強

《工業(yè)機器人技術》課程理論知識抽象并涉及復雜的算法，高職學生不感興趣，此外，很多高職院校機器人系統(tǒng)設備，種類單一、數(shù)量有限，教師在教學時沒能涉及具體的能力本位教學案例，理論知識學習不夠深入，動手操作能力不強，學生畢業(yè)后難以達到企業(yè)要求。

1.2 設備操作不規(guī)范，教學難度大

操作工業(yè)機器人時必須嚴格按照規(guī)定進行，往往初學者在實訓過程中對工業(yè)機器人相關理論專業(yè)知識了解不是很多，操作不熟練，就會因操作不當致使設備出現(xiàn)故障或直接損壞。因此機器人設備就要進行不定期的維修，機器人設備的數(shù)量本來就有限，極大地影響學生實訓。

2 課程改革

2.1 基于工作站和仿真平臺的課程教學改革

實訓教學場地是開展實踐教學的重要場所，利用蘭州新區(qū)職教園區(qū)公共實訓中心工業(yè)機器人實訓室開展了“理實一體化”教學改革。以ABB工業(yè)機器人為核心的多功能實訓平臺（以下簡稱“工作站”）為基礎，將機器人結構認知、基礎編程和操作有機結合，本設備包含六自由度工業(yè)機器人，可以實現(xiàn)對工件進行檢測、搬運、加工、存儲等操控。加強學生理論知識儲備的同時，鍛煉實操能力及工業(yè)機器人現(xiàn)場編程與調(diào)試操控能力[2]。

此外，積極開發(fā)虛擬仿真平臺，盡可能與企業(yè)工作站相似。學生先在仿真平臺建立的工作站（見圖1）中編程模擬調(diào)試，熟悉設備的組成和控制，總結排除故障的方法和技巧，然后進行實操，設備就不易損壞，提高學生實操時的安全意識。另外，在實訓過程中利用仿真技術可以增加實訓工位，優(yōu)化、解決設備不足的問題。

圖1 虛擬工業(yè)機器人工作站

2.2 基于數(shù)字化平臺的課程教學改革

2.2.1 課前預習

教師將工業(yè)機器人項目進行仿真模擬過程、實訓設備操作過程以及安全注意事項等，拍成小視頻后上傳數(shù)字化學習平臺，以便提前預習，增加學生對實際應用場景的直觀感受，學生可隨時根據(jù)自己的具體需求去學習，有問題隨時在留言區(qū)留言，也可以在線上直接跟教師交流溝通，起到事半功倍的效果，教師可實時查看每一個學生的學習過程并答疑，方便教與學[3]。

2.2.2 課中知識講解

創(chuàng)設任務情境，發(fā)放任務書，闡明具體要求。首先，針對線上學習和課中反饋的疑問進行講解，深入加深理解。其次，學生分組并要求每個小組要有一名CEO和一名負責記錄組內(nèi)成果的同學，CEO主持并督促每一位同學積極參與小組活動，合作完成本組的任務，學生在操作過程中，教師的任務是引導、示范、檢查，每一個小組的學習情況都要掌握，保證每一位學生要能積極參與，及時排除錯誤。最后，要求每組的CEO進行操作演示，每位同學詳細記錄筆記，演示結束要求其他組組員隨機提問，CEO答疑，教師針對每個組存在的問題作出總結。要求學生將自己拍攝的解說實操過程的視頻以作業(yè)的形式上傳，以檢驗學習效果。通過角色扮演，親身體驗工作過程，既提高了學生的技能，也在口語表達方面得到了很好的鍛煉，更符合用人單位的需求[4]。

2.2.3 考核評價和總結

提前下發(fā)評價量表，根據(jù)量表要求認真做好自我、組內(nèi)及組間評價，每位同學的評價一定要真實，然后教師進行詳細地課后總結，幫助學生對虛擬仿真以及實操過程中遇到的疑難問題歸納總結，整個教學環(huán)節(jié)，過程性評價貫穿課堂始終，“教、學、做一體化”教學模式真正落地，大大提高了課堂教學質量。

2.2.4 布置作業(yè)及反饋

教師通過數(shù)字化平臺下發(fā)課后作業(yè)，學生把完成的作業(yè)拍成照片做成WORD文檔或拍攝成小視頻按作業(yè)要求按時提交，教師會及時批改，針對作業(yè)出錯多的學生給予詳細解析過程（可以有選擇性地附圖附視頻），并進行評論。學生可根據(jù)教師給予的解析過程加深知識點的理解和鞏固，并將此作業(yè)成績記為平時成績。

2.3案例舉例

以ABB機器人搬運、碼垛項目為例。圖2為ABB機器人搬運項目，啟動后，機器人將抓取吸盤工具，通過吸盤工具吸取碼垛倉A區(qū)紅色的工件，搬運碼垛到碼垛倉B區(qū)，吸取C區(qū)的藍色工件，搬運碼垛到碼垛倉D區(qū)。

圖2 ABB機器人搬運項目

（1）構建基于工作過程的項目化課程體系，整合教學內(nèi)容，確定項目，確定任務，每個教學任務對應具體的知識點。

（2）課前，教師通過數(shù)字化平臺將本講相關課程資源以PPT、視頻、Word的形式提前上傳給學生，學生可根據(jù)課程資源針對自己不會的內(nèi)容，提前去查閱去搞懂，實在借助手頭現(xiàn)有資源和自己的知識水平無法解決的問題，也可以線上和教師交流，直到搞清楚為止，保證課前預習環(huán)節(jié)的質量。

（3）課堂中，教師下發(fā)具體任務書，講解機器人搬運、碼垛任務的實施步驟，講解過程中用虛擬仿真平臺示范操作，教會學生如何獨立操作完成（如目標點的示教等），最后要求學生分組完成，CEO負責并督促組員，記錄員詳細記錄在操作過程中存在的問題，直到對虛擬機器人調(diào)試過程操作熟練，達到不出錯狀態(tài)時，再利用實訓平臺嘗試調(diào)機械零點，更新轉數(shù)計數(shù)器，I/O板配置等整個完整的柔性制造的任務。現(xiàn)場教學，使學生增加對工作站的直觀認識，幫助學生快速地掌握操作步驟、操作技巧，熟練實際操作和編程的能力[5]。

圖3為ABB機器人碼垛項目，啟動后，機器人將抓取吸盤工具，通過吸盤工具吸取碼垛倉C區(qū)紅色的工件，搬運碼垛到碼垛倉B區(qū)，搬運3次，然后吸取D區(qū)的藍色工件，搬運碼垛到碼垛倉B區(qū)。工業(yè)生產(chǎn)中的碼垛任務是指將指定物品按照一定的規(guī)則進行移動和堆放，是集抓取、移動、堆放功能于一體的操作。教師下發(fā)任務單后，學生們已經(jīng)有了搬運項目的理論與實踐基礎，高效率的分組分工合作，本設計中，學生已清楚機器人程序編寫主要包含兩部分，第一部分是各點位的移動程序，第二部分是抓取程序，分為機械手爪抓取和松開2個程序。位置變化程序是主程序的編寫，整個物料加工和碼垛過程是按照預定工藝流程順序進行；抓取程序是系統(tǒng)的子程序的編寫，在主程序運行到抓取和放松環(huán)節(jié)時，進行相應程序的調(diào)用，實現(xiàn)對物料的抓取和放松操作。移動程序的編寫指令分別是MoveL(直線移動）和MoveJ(關節(jié)移動），其中直線移動是以工具手爪為坐標，在三維空間內(nèi)實現(xiàn)X、Y和Z軸方向的移動，主要應用在抓取物料，MoveL和MoveJ指令格式相同，以MoveL指令為例，其指令格式為：MoveL,P10,v1000,fine,tool0；其中，P10是移動目標點，通過手動示教確定該點位后，點擊示教器中的“修改改置”，將當前點的位置信息存入P10點；v1000是機械臂移動速度，每秒移動1000毫米，根據(jù)不同點位的情況，可以設置不同的移動速度，其中空間內(nèi)的大范圍移動，可以提高移動速度，在接近目標位置時，要降低移動速度，防止由于慣性過大沖擊物料或發(fā)生碰撞；fine是立即到達，可用Z50等替代，其中數(shù)值越大，運行軌跡越圓滑，如果設置為fine,則移動路徑比較生硬，但是運動精準；tool0是工具坐標。

圖3 ABB機器人碼垛項目

在本設計的任務中，其運動位置軌跡點較多，比如機械手抓抓的位置和機械手抓抓的位置的正上方某個位置，共計2個點位，并采用直線的運行方式，編寫這2個點位程序的過程是：先將機械臂移動至抓取點，記錄該位置點，然后通過直線方式將手爪沿著Z軸方向向上提起至一定高度，用偏移指令實現(xiàn)。

手爪夾緊和放松程序的編寫思路是：將控制夾緊和放松地數(shù)字量輸出進行置位和復位。

（4）課后，引導學生針對虛擬仿真平臺和實際操作平臺操作過程中遇到的問題做好詳細記錄并做最后終結性總結。

3 結語

以工業(yè)機器人數(shù)字化平臺、虛擬仿真平臺、實際工作站為基礎，改革教學方法和手段，以實際工作過程為主線的項目化課程體系，模擬企業(yè)工作流水線，相當于讓學生在完成流水線任務的過程中鞏固工業(yè)機器人的理論知識，在有理論知識支撐的前提下再去實踐操作，這樣就可以讓學生遇到實際的問題具體分析，知道怎樣隨機應變，直到真正的解決問題，在整個過程中將是一個不斷地積累經(jīng)驗的過程，真正達到企業(yè)用人的標準。

經(jīng)過反復的實踐、改進、推進實施，應用工作站、數(shù)字化和仿真平臺進行實訓課程改革，課程改革效果顯著。明確的目標，能更好地保證學生在校期間應該努力的方向，使人才培養(yǎng)真正落地，更加符合企業(yè)的需要，也能高質量體現(xiàn)教師的能力本位教學水平，實現(xiàn)三贏。