朱強，張宇，張冰潔，康國坡

（廣東開放大學(xué)機器人學(xué)院，廣東 廣州 510091）

工業(yè)機器人專業(yè)是最近幾年隨著中國制造業(yè)產(chǎn)業(yè)升級對機器人人才需求而開設(shè)的一個新專業(yè)，截至2020 年，全國已經(jīng)超過700 所高職院校成功申報了工業(yè)機器人技術(shù)專業(yè)，專業(yè)開設(shè)較早的院校，已經(jīng)有幾屆畢業(yè)生進入勞動力市場[1]。

工業(yè)機器人專業(yè)主要培養(yǎng)能勝任工業(yè)機器人操作編程，工業(yè)機器人安裝調(diào)試，自動化生產(chǎn)線安裝、調(diào)試和維護工作任務(wù)的技術(shù)技能型人才[2]。各個高職高專院校為了培養(yǎng)能適應(yīng)社會需求的合格人才，在設(shè)計人才培養(yǎng)方案時都有大量的實訓(xùn)教學(xué)學(xué)時，學(xué)生在畢業(yè)前需要經(jīng)過大量的機器人操作實訓(xùn)才能滿足畢業(yè)要求。

由于工業(yè)機器人及配套實訓(xùn)設(shè)備動輒幾十萬上百萬一套，并且實訓(xùn)中機器人設(shè)備容易發(fā)生故障和損耗，許多院校采用離線仿真軟件學(xué)習(xí)機器人編程和產(chǎn)線調(diào)試，在保證教學(xué)內(nèi)容實施的前提下能大大降低對實體設(shè)備的需求，教學(xué)取得不錯效果。但是現(xiàn)有的機器人仿真系統(tǒng)多是單臺設(shè)備或者是機器人典型應(yīng)用工作站的仿真訓(xùn)練，比較少借助OCTOPUZ 虛擬仿真軟件平臺和指尖陀螺智能制造實體產(chǎn)線設(shè)計工業(yè)機器人仿真虛實一體化課程“智能制造產(chǎn)線仿真與實踐”[3]。

1 課程教學(xué)內(nèi)容設(shè)計

智能制造產(chǎn)線系統(tǒng)是新一代信息技術(shù)、自動化技術(shù)、工業(yè)軟件及現(xiàn)代管理思想在制造企業(yè)全領(lǐng)域、全流程的系統(tǒng)應(yīng)用[4]。課程對應(yīng)的是典型工作崗位——產(chǎn)線規(guī)劃設(shè)計與仿真工程師崗位，要求員工負責(zé)智能工廠/生產(chǎn)線虛擬仿真規(guī)劃并驗證工藝流程、布局、設(shè)備、節(jié)拍的合理性，給出合理化建議；編寫離線程序，使現(xiàn)場設(shè)備按照智能工廠理論運行，現(xiàn)實與理論相結(jié)合，并現(xiàn)場支持；輸出虛擬仿真相關(guān)成果；參與跟蹤項目實施、調(diào)試，解決過程中發(fā)生的問題，能很好地和客戶及供應(yīng)商溝通[5]。綜合崗位要求，考慮教學(xué)與實踐的可行性、學(xué)生理論與實踐基礎(chǔ)、項目完整性，課程教學(xué)內(nèi)容為以一個典型的指尖陀螺產(chǎn)線項目為主體，包括從開始產(chǎn)線規(guī)劃設(shè)計到最終產(chǎn)品產(chǎn)出的全生產(chǎn)流程，可實現(xiàn)機器人仿真、數(shù)控機床仿真、產(chǎn)線仿真及設(shè)備聯(lián)機、聯(lián)調(diào)，真實產(chǎn)線和仿真系統(tǒng)如圖1 所示。

圖1 指尖陀螺智能制造真實產(chǎn)線和仿真系統(tǒng)

教學(xué)具體內(nèi)容包括指尖陀螺實體產(chǎn)線仿真、軸承蓋加工制造、旋轉(zhuǎn)翼加工制造、軸承定位安裝、指尖陀螺裝配、項目總結(jié)等，按照先后順序設(shè)計成6 個教學(xué)項目，每個教學(xué)項目又劃分為若干個教學(xué)任務(wù)，學(xué)時分配如圖2 所示。

圖2 “智能制造產(chǎn)線仿真與實踐”教學(xué)內(nèi)容

以項目2 軸承蓋加工單元仿真與優(yōu)化為例，該項目共12 學(xué)時，分為4 個教學(xué)任務(wù)。第1 個任務(wù)是利用前期真實產(chǎn)線生產(chǎn)任務(wù)分析與實體測量的建模模型，在仿真系統(tǒng)先把軸承蓋加工單元搭建起來并完成電氣和信號的連接；第2 個任務(wù)是在搭建好的仿真加工單元里完成機器人程序的編輯、調(diào)試與優(yōu)化；第3 個任務(wù)是分組導(dǎo)出在調(diào)試完成的程序，下載到真實產(chǎn)線加工單元上完成實操驗證，觀察程序運行的效果，進一步優(yōu)化各組的程序；第4 個任務(wù)是寫出自己的項目總結(jié)和評價。

本門課程的實際教學(xué)產(chǎn)線只有一條，如果全部教學(xué)過程都在這條產(chǎn)線采用實體設(shè)備實操教學(xué)，就是單個班級的實訓(xùn)時間都不能滿足，同時對實體產(chǎn)線造成的損耗也較大。通過分組形式，采用虛實一體化的模式教學(xué)，大部分實操都是在仿真系統(tǒng)完成，只有當程序調(diào)試完成后才進入產(chǎn)線實操，這樣就可以同時滿足多個教學(xué)班的教學(xué)需求，又不會影響對學(xué)生的技能訓(xùn)練。當6 個教學(xué)任務(wù)完成后，學(xué)生不僅從仿真系統(tǒng)里完成了從產(chǎn)線規(guī)劃到機器人編程再到PLC 聯(lián)調(diào)，同時也在實體產(chǎn)線驗證了自己編寫的程序，實現(xiàn)了產(chǎn)品生產(chǎn)的全控制過程。

2 課程教學(xué)環(huán)節(jié)實踐

2.1 學(xué)情分析

本課程授課對象為工業(yè)機器人技術(shù)專業(yè)二年級學(xué)生，學(xué)生已具備“PLC 技術(shù)與應(yīng)用”“機械工程CAD”“工業(yè)機器人操作與編程”“機器人三維設(shè)計”等基礎(chǔ)知識及應(yīng)用能力。經(jīng)歷過實訓(xùn)車間安全教育，具備基本的安全作業(yè)意識，但是團隊協(xié)作意識仍需提高，還缺乏精益求精、反復(fù)求證的工匠精神。學(xué)生喜愛動手實操、喜愛探索式學(xué)習(xí)及討論式學(xué)習(xí)；討厭枯燥無味的灌輸式理論教和監(jiān)控式指導(dǎo)；班級個別學(xué)生存在學(xué)習(xí)不積極、沉迷手機游戲的現(xiàn)象。針對上述現(xiàn)象，課程教學(xué)增加微視頻指導(dǎo)、細化操作手冊和作業(yè)指導(dǎo)書內(nèi)容，在考核時增加學(xué)生互助加分項，鼓勵學(xué)生積極交流、幫助他人。

2.2 教學(xué)理念

2.2.1 “虛實”一體化

本課程堅持“學(xué)生與員工身份合一、學(xué)習(xí)與工程項目合一、教學(xué)與生產(chǎn)場景合一”的理念，構(gòu)建“虛實”一體化的新型教學(xué)模式。以“1＋X”《工業(yè)機器人集成應(yīng)用職業(yè)技能等級標準》（中級）為綱，以合作企業(yè)引入的智能制造仿真軟件、校企共建的仿真平臺為“虛”，以省級智能制造公共服務(wù)平臺為“實”，理虛實結(jié)合，實現(xiàn)理論學(xué)習(xí)、規(guī)劃仿真、現(xiàn)場測試的銜接融合。

2.2.2 “課、證、崗、賽”融通

課程對標《高等職業(yè)學(xué)校工業(yè)機器人技術(shù)專業(yè)教學(xué)標準》與“1＋X”《工業(yè)機器人集成應(yīng)用職業(yè)技能等級標準》（中級），依托校企合作的指尖陀螺智能制造產(chǎn)線，通過虛擬仿真軟件，完成了以產(chǎn)線仿真工程師崗位為中心的職業(yè)培訓(xùn)。以學(xué)生為中心，實現(xiàn)“課、證、崗、賽”融通的課程體系，建立“以賽促教、以賽促學(xué)、課證一體、工學(xué)融合”機制，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣與課程質(zhì)量。

2.3 教學(xué)目標

本課程目標使學(xué)生具備從事工業(yè)機器人集成應(yīng)用、智能產(chǎn)線規(guī)劃仿真及裝調(diào)維護工作的基本知識、基本技能，并形成一定的職業(yè)能力，教學(xué)中有機融入愛國教育、勞動教育、職業(yè)道德教育、工匠精神，培養(yǎng)學(xué)生立業(yè)創(chuàng)業(yè)的本領(lǐng)。具體在素質(zhì)目標方面，學(xué)生要具有深厚的愛國情感，有較強的社會責(zé)任感和社會參與意識，具有質(zhì)量意識、安全意識、創(chuàng)新思維、工匠精神和綜合應(yīng)用能力；在能力目標方面，學(xué)生要能根據(jù)典型工作任務(wù)完成仿真項目，能在離線編程軟件中搭建并仿真智能制造產(chǎn)線系統(tǒng)，能根據(jù)工藝要求對集成系統(tǒng)進行聯(lián)機調(diào)試與優(yōu)化。

2.4 教學(xué)方法

本課程教學(xué)過程中，根據(jù)課前學(xué)情分析以及各項目需要達成的教學(xué)目標，靈活運用項目教學(xué)法、任務(wù)驅(qū)動教學(xué)法、角色扮演法和小組討論法等用多種教法和學(xué)法。例如通過軸承蓋加工單元項目引導(dǎo)師生共同實施一個完整工程項目，通過小組分工方式共同制定計劃，完成項目。每個教學(xué)內(nèi)容分成多個有代表性的教學(xué)任務(wù)，以完成任務(wù)作為教學(xué)活動的中心，學(xué)生在任務(wù)驅(qū)動模式下主動探索，相互協(xié)作找出完成任務(wù)的方法。項目實操任務(wù)安排在智能車間實訓(xùn)室，進行現(xiàn)場教學(xué)，給學(xué)生制定不同的生產(chǎn)角色，學(xué)、練、做相結(jié)合，以實例為媒質(zhì)培養(yǎng)學(xué)生解決問題的技能和態(tài)度，縮短了理論課堂教學(xué)與實際生產(chǎn)應(yīng)用的距離，極大地提高了教學(xué)的針對性和實效性

2.5 教學(xué)實踐

本課根據(jù)各項任務(wù)不同，教學(xué)場地分別在教室（理論教學(xué)），一體化教室（仿真）及生產(chǎn)車間（實體設(shè)備操作），采用企業(yè)6S 標準，在教學(xué)實施過程中利用圖書館、知網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)課程平臺、Solidworks 三維設(shè)計軟件、OCTOPUZ 智能制造系統(tǒng)仿真軟件等資源，提升學(xué)習(xí)效率，拓寬學(xué)生獲取知識的途徑。

課程教學(xué)實施過程分為課前準備、課中導(dǎo)學(xué)和課后拓展3 個階段，思政教育、勞動教育與職業(yè)素養(yǎng)貫穿全課程，如圖3 所示。課前準備階段，學(xué)生通讀任務(wù)書，觀看案例視頻并完成相關(guān)測試；課中導(dǎo)學(xué)階段，聚焦重難點，以項目任務(wù)驅(qū)動、案例分析為主，設(shè)計各教學(xué)環(huán)節(jié)，進行生生、師生多維問題探討，并進行相關(guān)產(chǎn)線仿真與實操練習(xí)；課后階段，學(xué)生完成仿真拓展練習(xí)，鞏固所學(xué)內(nèi)容。通過3 個環(huán)節(jié)環(huán)環(huán)相扣使學(xué)生從理論提升—分析鞏固—知識深化進行逐步提高。

圖3 教學(xué)實施過程

3 課程教學(xué)效果

課程利用仿真軟件、視頻、網(wǎng)絡(luò)課堂平臺等信息技術(shù)手段配合真實的指尖陀螺智能制造產(chǎn)線，以掌握技能為最終目的，逐步引導(dǎo)學(xué)生掌握和運用知識技能。通過多種教學(xué)方法，課程將真實產(chǎn)線實操、理論學(xué)習(xí)、虛擬仿真融為一體，以學(xué)生為中心，從理論基礎(chǔ)、虛擬仿真、設(shè)備實踐3 個維度對指尖陀螺產(chǎn)線進行學(xué)習(xí)，課程教學(xué)取得了良好效果，不僅加深了學(xué)生對專業(yè)技能和知識的掌握，還提升了學(xué)生對課程、專業(yè)及未來崗位的興趣與期待。具體教學(xué)效果表現(xiàn)為以下3 個方面。

課堂質(zhì)量好、學(xué)生興趣高。采用校企合作方式，融入學(xué)生意向選擇教學(xué)內(nèi)容，課堂將任務(wù)探究性學(xué)習(xí)貫穿始終，結(jié)合一體化教學(xué)，形成了高效的教學(xué)實施。授之以魚、授之以漁。課程由教師教授仿真項目相關(guān)理論與技能知識，逐漸向?qū)W生自己查找信息資料、完成項目規(guī)劃仿真等項目相關(guān)文件過渡。不僅高效實現(xiàn)了課程知識目標，同時有效提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)方法、職業(yè)素養(yǎng)與就業(yè)能力。勞動教育顯成效，安全教育得鞏固，工匠精神有提高，愛國情懷細入微。在教學(xué)設(shè)計有效融入勞動教育、安全教育、工匠精神與愛國教育，將國家對高職教育的要求融入教學(xué)過程，形成一種培育“工匠精神”的濃厚氛圍。通過在教學(xué)中執(zhí)行利用校企合作，引入企業(yè)標準、宣傳愛崗敬業(yè)、追求極致的職業(yè)精神，加深學(xué)生對“工匠精神”的理解，提高“工匠精神”教育的實踐效果。經(jīng)過教學(xué)實踐，在機器人編程比賽和數(shù)字孿生比賽中有8 個學(xué)生獲得了省市級三等獎以上的成績。

4 結(jié)束語

通過虛實一體化教學(xué)設(shè)計機器人智能制造產(chǎn)線仿真與實踐課程取得預(yù)期教學(xué)效果，有效重構(gòu)傳統(tǒng)課堂教學(xué)。通過與企業(yè)的校企合作真實項目作為支撐，能夠優(yōu)化教學(xué)過程，提高教學(xué)效率。教學(xué)實踐中，學(xué)生先后進行了翻轉(zhuǎn)課堂、企業(yè)工程技術(shù)人員、評分與被評分者的角色扮演，從不同的角度和身份，完成了對產(chǎn)線規(guī)劃、PLC 控制和機器人編程等相關(guān)內(nèi)容的學(xué)習(xí)與實踐。結(jié)合課程特色，課堂教學(xué)中充分融入了課程思政，增強職業(yè)認同感，培養(yǎng)愛國主義情懷，踐行社會主義核心價值觀。后期將繼續(xù)加強實際案例和典型工作任務(wù)的聯(lián)系來開發(fā)更多的虛實一體化教學(xué)項目。