高职院校工业机器人操作与编程课程建设探索获奖科研报告

高职院校工业机器人操作与编程课程建设探索获奖科研报告【摘要】在“工业机器人操作与运维职业技能等级证书”的背景下，针对工业机器人操作与编程课程，分析在教学过程中存在的相关问题，从设备、师资、课程与学生角度提出多项教学改革方案，从而提高课程教学质量与学生学习效率。

【关键词】工业机器人;课程建设;过程考核;学生社团

随着工业自动化的普及，工业机器人作为终端设备，在中国制造业的升级中扮演着极其重要的角色。政府已经多次出台政策用以促进我国工业机器人发展，如国务院提出的《中国制造2025》中明确了工业机器人是未来制造产业发展升级的重中之重。我国的制造业会逐步普及智能化，其中工业机器人将大量应用于关键岗位中。为满足企业对机器人操作与编程方面的用人需求，各高职院校纷纷开设了工业机器人专业及相关课程。

一、教学过程中存在的相关问题

我校的工业机器人操作与编程课程是在“工业机器人操作与运维职业技能等级证书”的背景下开展建设的，贴近实际的工业用人需求。但由于软硬件条件的不足，在教学过程中仍然存在以下几个问题。

1、实训条件不足

工业机器人存在价格昂贵，购置成本高的特点。另外，工业机器人尺寸较大，放置空间也是需要考虑的问题之一。在实训室条件紧缺的情况下，如何放置多台工业机器人及其外围设备是实训室建设不可避免的考虑因素。此外，机器人的品种繁多，仅仅从应用最广的品牌上来说就有四大家族可以选择，而每个家族都存在许多型号可以选择。在资金投入大，实训室不足的情况下，如何选择适合既教学又贴近工业应用，既投入小又利用率高的工業机器人是不得不考虑的问题。

2、师资力量缺乏

教师的实操技能不足是当前面临的另一个问题，虽然相关授课教师拥有机器人方向的硕士学历，但过去主要研究的是更为细节的内容，如机器视觉理论、机器人控制理论等。对于工业机器人的编程及工业应用经验相对匮乏，造成自身储备难以满足授课需求，授课内容缺乏实践经验支撑，过多地讲解理论知识则难以激发学生的兴趣。

3、课程设计及考核方式有待改进

过去的工业机器人操作与编程课程设计偏重理论知识，实操内容较少，主要是以开拓学生的眼界，增长学生的见识为目的的专业选修课。授课的方式较为陈旧，授课的内容也偏重理论学习。考核方式由平时成绩与期末笔试组成，形式较为单一。而随着工业机器人的广泛应用，面对机器换人的发展趋势，以及学生考取“工业机器人操作与运维职业技能等级证书”的实际需求，过去的授课方式以及单一的理论考试已经不再适用于当前的教学环境，工业机器人课程体系的重新设计及建设是迫在眉睫的工程。

4、学生理论基础薄弱

工业机器人是近几十年机电一体化技术迅猛发展的成果，其将传统的机械工程、控制工程、计算机技术融为一体，具有综合性强、学习难度大的的特点。根据专业课程体系的安排，前期会先学习一系列的核心课程如机械设计基础、电子电工、可编程序控制器等相关课程，但每门课程都会有一部分学生的掌握情况不够理想，尤其是对于高职院校的学生来说此类情况更为常见。对于前期课程掌握较为薄弱的学生来说，后续的机器人相关理论课程的学习就是较为困难的环节。

5、学生学习热情不足

由于课程难度大、综合性强等原因，工业机器人的相关课程开设的时间较晚，一般是在大二下学期。此阶段总课程减少，此外临近大三的高职顶岗实践，学生普遍存在迷茫、厌学等特点。如何激发学生的学习热情是课程建设的重难点之一。

二、课程建设的相关措施

针对上述的若干问题，综合学校相关情况，本文提出了以下几点解决措施：

1、采购适用设备，改善实训条件

采购品牌主要考虑FANUC和ABB，这两类品牌属于工业机器人四大家族，具有成熟的技术及可靠的质量，且在高校中应用广泛，网络上有较多的资源可供参考，便于教师教学与学生学习。在采购设备时以小型工业机器人为主，如FANUC的200id或ABB的120，这两种型号的工业机器人具有成本低，体积小的优势，便于大量购买及实训场地布置，并且编程方式与大中型工业机器人没有什么不同，区别仅在负载能力。

此外，此类小型工业机器人本体便于与原有的自动化生产线设备配合使用，有利于后续自动化生产线与工业机器人协同工作的课程开发与相关竞赛使用。

除了购买相应的工业机器人本体，在工业机器人实训室引入相关的仿真软件也是缓解实训条件不足的有效措施。Roboguide与RobotStudio分别是FANUC和ABB公司提供的仿真软件，其编程方法与指令与相应工业机器人完全一致。学生在仿真软件上先完成教师布置的任务后再完成实体编程，可使相关问题提早暴露，避免学生直接实操错误造成设备损坏，并能有效缩短人均设备使用时间，缓解设备使用压力。此外机械结构、电气结构部分的内容还可以采用VR设备教学。

将机器人本体与仿真软件结合使用，在教学过程中充分利用二者的优势。利用仿真软件弥补实训室设备不足、功能单一等缺陷，激发学生的创造力、想象力;利用机器人本体弥补软件仿真不够直观的缺陷，培养学生严谨认真的操作意识。

2、利用校外资源，缓解师资压力

针对授课教师理论知识丰富而实践操作经验不足的问题，应该积极联系校外相关企业，寻求教师顶岗与合作机会。争取授课教师都有在一线顶岗实践的经历，理论知识结合实践经验，并将相关经历沉淀积累，转化成为教学资源。此外还应该在顶岗实践中深入了解企业需求及机器人领域发展动向，将这些内容融入到工业机器人相关课程的教学大纲及实训室建设意见里。此外具有较强理论知识的授课教师还能帮企业解决相关问题，深度强化校企合作。

除了校外企业的资源外，师资力量的缓解还可以通过聘请相关培训机构的工程师作为外聘教师来解决，如指南车、哈工海渡等专业机器人培训机构。这些机构是国内较早从事机器人教育的培训机构，具有成熟的教学体系及丰富的教学资源，其内部的讲师都是具有多年实践经验的工程师。通过聘请这些工程师作为外聘教师，一方面可以有效缓解师资压力;另一方面，本校教师通过观摩他们的教学过程、探讨他们的教学大纲、消化吸收他们的教学资源，兼容并包，取长补短，能够有效地完善工业机器人课程建设，促进本校工业机器人专业的快速发展。

3、改革教学体系，丰富考核方式

根据工业机器人操作与运维职业技能等级标准以及学校基本教学条件，将基础教学内容分为7大模块，分别是：操作安全保护、安装、操作与示教编程、数据备份及恢复、系统维护、校对与调试、系统故障诊断及处理。以这7大模块为基础，制作相关的教学资料库，并上传到MOOC平台上供学生学习参考。

除了以上基本的7大模块内容外，另将工业机器人在搬运、码垛、焊接、装配等方面的应用，结合电子电工、单片机、PLC、液压与气动、自动化生产线课程的相关内容，在MOOC平台上制作成各个独立的实践模块。在这些实践模块的学习过程中，始终贯穿着职业技能等级标准的要求，并及时复习回顾相关的模块内容。

以“项目导向，任务驱动”理念为指导，落实过程考核的考核方式，将工业机器人的学习过程模块化，在教学中嵌入过程考核。充分利用MOOC平台，引导学生在课前完成自学工作，让其带着一定的问题来学习。学生在上课操作时如有困难可以在平台上轻松找到相关的教学文档与视频。在课后于平台上设置相关的讨论、练习题，加深学生学习后的理解。最后针对学生的平台学习情况以及课程实践情况进行综合评分。

4、调整教学内容，联系新旧知识

在引入合适的工业机器人教材以后，综合讨论教学内容，减少数学推导知识，增加实践的相关背景知识，注重理论与实践相结合。针对学生理论基础薄弱的特点，在进入工业机器人课程学习以前先安排几次先导课程，回顾过去学过的相关基础课程如机械设计基础、电子电工、可编程序控制器等，并以工业机器人应用中的实际案例向学生介绍这些课程究竟用在哪里，处于工业机器人学习的什么地位，若是遇到某种问题需要解决应该回去复习哪方面内容的知识。并在工业机器人后续的课程设计中注重新内容与基础课程知识之间的联系，如在上新课前布置一些任务让学生复习过去学过的知识，课上设置问题点拨学生联系旧知识来解答，课后设置一部分主观作业让学生查阅资料开拓眼界。使学生明白工业机器人是一门综合性极强的课程，过去学过的课程并不是毫无用处的，而是贯穿于工业机器人乃至机電工业的方方面面，以此来培养学生“温故而知新”的意识。

5、丰富教学资源，激发学生兴趣

授课教师在上工业机器人理论课程时，在课程中加入工业机器人相关的前沿科技的介绍视频，激发学生的学习兴趣。在上实践课程时，穿插讲解生产线上易被工业机器人替代的步骤或环节，引导学生思考如何在生产中使用工业机器人。

此外，这些关于工业机器人前沿科技信息的引入会增强学生的专业学习意识。让学生意识到，未来机器人会在许多岗位上替代人类，毕业后会遇到更多的就业压力，因此学好工业机器人的课程是十分有益于自身发展的。

6、组织学生社团，营造学习氛围

鼓励学生组建机器人社团，可以充分激发学生学习工业机器人的积极性，有效利用好学生的课余时间。在不影响学生正常生活和学习的情况下，开展各项有益于学生自身发展的活动，使学生自主管理能力得到提升、课余生活得到丰富。

机器人社团可以举办诸如机器人实操竞赛、工业机器人知识竞赛及工业机器人学习互助等活动。通过学生社团组织的这些活动，社团的学生理论与实践能力都能获得极大提升。此外各学生之间可以集体讨论教师课上的内容，针对课程中出现的重难点，通过学习成绩好的学生带领学习成绩差的学生进步，不仅可以解决成绩较差同学