基于科技創(chuàng)新與CDIO 項(xiàng)目化教改的《工業(yè)機(jī)器人操作與編程》實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目開發(fā)

葉泉，朱紅娟

（南京機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動化工程系，江蘇 南京 211306）

1 前言

當(dāng)前，新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革加速演變，更加凸顯了加快提高我國科技創(chuàng)新能力的重要性，對創(chuàng)新技能型人才的需求將愈加迫切。職業(yè)教育作為實(shí)現(xiàn)技術(shù)技能人才有效供給的重要一環(huán)，在制造業(yè)生產(chǎn)方式的更新迭代、產(chǎn)業(yè)的技術(shù)革新過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用，是推動制造業(yè)智能化發(fā)展不可或缺的核心力量。高職教育培養(yǎng)生產(chǎn)、建設(shè)、管理、服務(wù)一線的高素質(zhì)技術(shù)應(yīng)用型人才，強(qiáng)調(diào)學(xué)生動手能力和管理能力，高職學(xué)生科技創(chuàng)新在生產(chǎn)一線有其獨(dú)特的價(jià)值和優(yōu)勢。

《工業(yè)機(jī)器人操作與編程》是工業(yè)機(jī)器人、機(jī)電一體化技術(shù)等專業(yè)的常見專業(yè)課程，是通過分析企業(yè)對崗位的需求而開設(shè)的課程，直接面向企業(yè)崗位培養(yǎng)學(xué)生的工作能力。但當(dāng)前課程教學(xué)中往往過于強(qiáng)調(diào)工作任務(wù)對人能力的需求，高職學(xué)生普遍科技創(chuàng)新意識薄弱、科技創(chuàng)新能力普遍不足，因此，如何科技創(chuàng)新教育貫穿專業(yè)課程教學(xué)全過程，真正將學(xué)生納入科技創(chuàng)新體系是廣大學(xué)者普遍關(guān)注的問題。本文基于課程教學(xué)現(xiàn)狀及“創(chuàng)客校園”背景詳細(xì)介紹了我校機(jī)電一體化技術(shù)專業(yè)《工業(yè)機(jī)器人操作與編程》科技創(chuàng)新和CDIO 項(xiàng)目化教學(xué)改革與實(shí)施經(jīng)驗(yàn)。

2 課程教學(xué)現(xiàn)狀

《工業(yè)機(jī)器人操作與編程》課程的內(nèi)容既包括工業(yè)機(jī)器人的基本硬件原理，同時(shí)還包括工業(yè)機(jī)器人的示教編程方法以及工業(yè)機(jī)器人日常維護(hù)等內(nèi)容，總學(xué)時(shí)為40學(xué)時(shí)，授課時(shí)間安排在大二第一學(xué)期。授課對象為高職二年級學(xué)生，經(jīng)過大一的學(xué)習(xí)，他們具備一定的專業(yè)基礎(chǔ)知識，動手能力較強(qiáng)，普遍思維活躍，但單純理論的講解較難讓學(xué)生感興趣。

3 教學(xué)設(shè)計(jì)與分析

3.1 總體教學(xué)方案設(shè)計(jì)

本課程教學(xué)設(shè)計(jì)采用線上+線下/虛實(shí)結(jié)合課堂的模式。課前借助信息化手段，以學(xué)生為主體，自主預(yù)習(xí)實(shí)施“一課一問、一問一法”。課中在教學(xué)過程中進(jìn)行“分層評價(jià)、分類培養(yǎng)”學(xué)生依據(jù)職業(yè)興趣和未來發(fā)展方向，在課程教學(xué)過程中，自主并動態(tài)選擇“合格”“提高”“優(yōu)秀”三個(gè)層次的學(xué)習(xí)內(nèi)容及評價(jià)方式，教師根據(jù)“知識型，實(shí)踐型，創(chuàng)新型，應(yīng)用型”四類學(xué)生特點(diǎn)實(shí)施不同的課程項(xiàng)目，采取不同的教學(xué)策略，培養(yǎng)學(xué)生自信、發(fā)揮學(xué)生特長，達(dá)到因材施教的目的。注重引導(dǎo)和培養(yǎng)學(xué)生的愛崗敬業(yè)的職業(yè)精神，以及精益求精嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致的工匠精神。

教學(xué)分為四大模塊：（1）線上課前預(yù)習(xí)模塊。教師采用線上學(xué)習(xí)通發(fā)布課程預(yù)習(xí)資料，學(xué)生通過預(yù)習(xí)和在討論區(qū)提問，教師通過學(xué)生預(yù)習(xí)情況實(shí)施“一課一問、一問一法”并調(diào)整教學(xué)策略。（2）線下課堂模塊。線下教師理論講解+虛擬仿真軟件操作演示并通過學(xué)習(xí)通下發(fā)本課任務(wù)，學(xué)生使用虛擬仿真軟件完成課堂任務(wù)，并通過學(xué)習(xí)通線上提交任務(wù)完成后的視頻，學(xué)生課堂操作期間教師給予指導(dǎo)，最后采用小組點(diǎn)評+教師點(diǎn)評作品，教師通過學(xué)習(xí)通給予本次課堂任務(wù)考核分?jǐn)?shù)。（3）實(shí)訓(xùn)操作模塊。教師發(fā)布任務(wù)單，學(xué)生分組完成任務(wù)，實(shí)施“分層評價(jià)，分類培養(yǎng)”，知識型主要負(fù)責(zé)撰寫項(xiàng)目任務(wù)書；實(shí)踐型負(fù)責(zé)機(jī)器人操作指導(dǎo)和小組安全員；創(chuàng)新型負(fù)責(zé)程序設(shè)計(jì)；應(yīng)用型負(fù)責(zé)匯報(bào)。通過前次課程學(xué)生具有一定操作基礎(chǔ)，通過在實(shí)訓(xùn)室操作真實(shí)設(shè)備，將課本知識運(yùn)用到現(xiàn)場實(shí)際，讓理論指導(dǎo)實(shí)踐應(yīng)用，并且教師在現(xiàn)場給予本次課堂任務(wù)考核分?jǐn)?shù)。（4）創(chuàng)新實(shí)踐模塊。通過前面的理論+技能操作，繼續(xù)實(shí)施“分層評價(jià)，分類培養(yǎng)”，教師組織頭腦風(fēng)暴讓同學(xué)們回憶在實(shí)際操作設(shè)備時(shí)的痛點(diǎn)和難點(diǎn)，學(xué)生分組討論，知識型主要負(fù)責(zé)撰寫創(chuàng)客項(xiàng)目課程標(biāo)準(zhǔn)；實(shí)踐型負(fù)責(zé)課后制作創(chuàng)客作品；創(chuàng)新型負(fù)責(zé)方案設(shè)計(jì)；應(yīng)用型負(fù)責(zé)匯報(bào)。教師進(jìn)行有效分析提煉出有價(jià)值、可行的想法，進(jìn)而結(jié)合專業(yè)知識挖掘?qū)＠c(diǎn)、創(chuàng)客作品和創(chuàng)客項(xiàng)目課程標(biāo)準(zhǔn)（圖1）。

圖1 《工業(yè)機(jī)器人操作與編程》教學(xué)設(shè)計(jì)

3.2 優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容

本課程的基本任務(wù)是：本課程以6 個(gè)學(xué)習(xí)項(xiàng)目為教學(xué)內(nèi)容的載體，通過6 個(gè)學(xué)習(xí)項(xiàng)目使學(xué)生掌握工業(yè)機(jī)器人的操作、編程等技能，工業(yè)機(jī)器人的硬件原理，以及工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)的調(diào)試、測試能力。項(xiàng)目以實(shí)際工程案例為主，分解為若干任務(wù)，由任務(wù)驅(qū)動，每個(gè)任務(wù)分解為相關(guān)知識、任務(wù)實(shí)施、任務(wù)提高，由淺入深，體現(xiàn)理實(shí)一體。每個(gè)項(xiàng)目中的“任務(wù)擴(kuò)展”環(huán)節(jié)作為拓展練習(xí)，可提高學(xué)生發(fā)散思維和綜合應(yīng)用能力（表1）。

表1 《工業(yè)機(jī)器人操作與編程》項(xiàng)目化教學(xué)任務(wù)

3.3 優(yōu)化考核方式

課程考核采用“過程考核+期末考試”的方式，以期實(shí)現(xiàn)對學(xué)生課堂全過程的考核，其中過程考核=平時(shí)考勤（10%）+作業(yè)（30%）+任務(wù)考核（60%），最終課程總成績=過程考核（50%）+期末考試（50%）。其中任務(wù)考核需要學(xué)生完成團(tuán)隊(duì)任務(wù)匯報(bào)、撰寫項(xiàng)目任務(wù)書、程序設(shè)計(jì)、設(shè)備操作調(diào)試等，完成任務(wù)的過程體現(xiàn)了團(tuán)隊(duì)協(xié)作的能力，團(tuán)隊(duì)中的每個(gè)學(xué)生進(jìn)行“分層評價(jià)，分類培養(yǎng)”，提升學(xué)生工業(yè)機(jī)器人操作的綜合能力。

4 科技創(chuàng)新實(shí)踐項(xiàng)目

針對學(xué)校的工業(yè)機(jī)器人工作站實(shí)訓(xùn)設(shè)備，我們在課堂上鼓勵學(xué)生利用現(xiàn)有設(shè)備二次開發(fā)進(jìn)行科技創(chuàng)新實(shí)踐項(xiàng)目，本文提供了一種開發(fā)案例“工業(yè)機(jī)器人防撞保護(hù)學(xué)習(xí)裝置”，學(xué)生以此項(xiàng)目申請了2021 年“江蘇省高等學(xué)校大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目”、申報(bào)多項(xiàng)專利、參與三創(chuàng)大賽并獲獎。

4.1 系統(tǒng)總體方案

本項(xiàng)目在工業(yè)機(jī)器人工作站上加入防撞、報(bào)警裝置，解決工業(yè)機(jī)器人在使用過程中安全問題；加入可調(diào)升降器，以此可自由改變教學(xué)時(shí)的難度；加入工作臺臺面的柔性材料，以防機(jī)械臂無法控制時(shí)，提供最后的保障。實(shí)際設(shè)備如圖2 所示。

圖2 “工業(yè)機(jī)器人防撞保護(hù)學(xué)習(xí)裝置”實(shí)物圖

4.2 程序設(shè)計(jì)

（1）PLC 程序設(shè)計(jì)。在博途V15 軟件中，添加S7-1200 系列PLC 硬件，本項(xiàng)目采用了CPU1215C DC/DC/DC，由于防撞報(bào)警信號端采用帶有MODBUS-TCP 協(xié)議的工業(yè)以太網(wǎng)I/O 模塊，因此，在程序中讀取I/O 模塊信號采用“MB_CLIENT”指令。需要提前做好全局DB 模塊，并在其中添加MODBUS-TCP 需要用到的TCON_IP_v4 數(shù)據(jù)，建立指定I/O 模塊連接時(shí)所需的所有地址參數(shù)。后續(xù)編程需要的一些數(shù)據(jù)也可以建立在這個(gè)DB 塊中。

在FB 函數(shù)塊中，添加了兩個(gè)“MB_CLIENT”指令，分別用于I/O 模塊的讀取、寫入，如圖3 所示，用MB_MODE 引腳參數(shù)來區(qū)別，最后，如果檢測到碰撞信號則觸發(fā)報(bào)警信號“防撞_DB”。防撞報(bào)警，如圖4 所示。

圖3 “工業(yè)機(jī)器人防撞保護(hù)學(xué)習(xí)裝置”FB 函數(shù)塊-程序段1

圖4 “工業(yè)機(jī)器人防撞保護(hù)學(xué)習(xí)裝置”FB 函數(shù)塊-程序段2

（2）機(jī)器人程序設(shè)計(jì)。機(jī)器人的主要任務(wù)為在防撞平臺上進(jìn)行繪圖或者搬運(yùn)等作業(yè)，當(dāng)觸發(fā)警報(bào)時(shí)機(jī)器人能調(diào)用中斷程序停止運(yùn)動。機(jī)器人主程序包含調(diào)用“rChuShiHua”初始化程序以及在PLC 發(fā)送組信號為100 時(shí)調(diào)用“rFuWei”復(fù)位程序、PLC 發(fā)送組信號為310 時(shí)調(diào)用“rHuiTu”繪圖程序，當(dāng)PLC 的“防撞_DB”防撞報(bào)警信號為1 時(shí)會發(fā)送104 組信號給機(jī)器人，機(jī)器人端接收到信號后，則調(diào)用“tTingZhi”讓機(jī)器人執(zhí)行“StopMove”指令停止運(yùn)動，同理，當(dāng)故障排除機(jī)器人端接收到105 的組信號時(shí)，機(jī)器人則執(zhí)行“StartMove”指令重新開始運(yùn)動。機(jī)器人端程序如表2 所示。

表2 機(jī)器人程序

5 結(jié)語

通過本次基于科技創(chuàng)新與CDIO 項(xiàng)目化教改的《工業(yè)機(jī)器人操作與編程》實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目開發(fā)，對課程總體教學(xué)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)、優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容、優(yōu)化考核方式，并針對學(xué)校的工業(yè)機(jī)器人工作站實(shí)訓(xùn)設(shè)備引導(dǎo)學(xué)生開發(fā)設(shè)計(jì)科技創(chuàng)新實(shí)踐項(xiàng)目，產(chǎn)生了以下改革效果。

（1）虛實(shí)結(jié)合有效提升課堂效率。課堂教學(xué)中使用到了虛擬仿真軟件，虛擬仿真軟件和真實(shí)實(shí)訓(xùn)室的配合使用緩解了設(shè)備不足、實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)教師維護(hù)設(shè)備工作量大等實(shí)際問題，增強(qiáng)了學(xué)生的實(shí)踐動手能力。課程配套教材于2021 年1 月由機(jī)械工業(yè)出版社出版，出版后在本校、許昌電氣職業(yè)學(xué)院、鄭州財(cái)經(jīng)技師學(xué)院、湖南財(cái)經(jīng)工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院等院校中得到了推廣應(yīng)用。

（2）助力完善地方職業(yè)技能培訓(xùn)體系。課程配套錄制的《工業(yè)機(jī)器人操作與編程》課程視頻中標(biāo)南京市人社局南京市職業(yè)技術(shù)培訓(xùn)指導(dǎo)中心線上優(yōu)質(zhì)課程資源，在南京人社網(wǎng)中南京市職業(yè)培訓(xùn)e 起學(xué)學(xué)習(xí)平臺為南京市市民提供在線技能培訓(xùn)。

（3）開發(fā)新工種培訓(xùn)助力人才培養(yǎng)。課程促進(jìn)開發(fā)了《工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用工程》新工種培訓(xùn)，參與南京市職業(yè)技能培訓(xùn)助力智能制造人才培養(yǎng)，開展以來完成校內(nèi)培訓(xùn)1586 人次。同時(shí)，完成了金陵科技學(xué)院、南京工程學(xué)院、南京工業(yè)大學(xué)浦江學(xué)院等本?？茖W(xué)校的培訓(xùn)，共培訓(xùn)了1082 名學(xué)生，有效地解決了高校畢業(yè)生就業(yè)一公里的問題，受到了廣泛的好評。

（4）以賽促教爭提升，結(jié)合創(chuàng)新育人才。機(jī)電團(tuán)隊(duì)師生多次獲得全國大學(xué)生機(jī)器人大賽、江蘇省機(jī)器人大賽二、三等獎。通過結(jié)合機(jī)器人相關(guān)專業(yè)知識來培養(yǎng)師生創(chuàng)新能力。學(xué)生申報(bào)專利230 多項(xiàng)，授權(quán)專利190多項(xiàng)。機(jī)電173 班39 人結(jié)合專業(yè)課程共申請專利65 項(xiàng)，授權(quán)57 項(xiàng)，被“現(xiàn)代快報(bào)”ZAKER 直播平臺稱為“最牛發(fā)明班”，這場直播共吸引12.2 萬人在線觀看討論。機(jī)電172 班和174 班被江蘇省教育廳授予“江蘇省省級先進(jìn)班集體”。

同時(shí)，我們也要在教學(xué)實(shí)施中應(yīng)該多一些拓展開放性的任務(wù)，實(shí)踐項(xiàng)目應(yīng)該校企結(jié)合密切關(guān)注實(shí)際生產(chǎn)實(shí)踐案例，把優(yōu)秀的案例引到教學(xué)中，為培養(yǎng)具有一定創(chuàng)新能力的高素質(zhì)技術(shù)技能人才提供借鑒。