对机械专业大类升级课程“机器人组装与编程”的探索

杜俊+牟占斌

摘 要：各类资讯和大量文献表明：世界正处于以信息技术为核心的科技革命和产业变革中，机器人等技术的重大突破正在重构制造业技术体系，智能制造成为制造业发展的方向。中国成为世界制造业大国，《中国制造2025》为中国制造实现“中国创造”指明了方向。中国工业进入了“机器换人”时代，职业学校机械大类专业对接产业转型升级，精心设计、开设实践平台课程《机器人拆装与编程》，营造“大众创业、万众创新”的氛围，培养满足制造业创新需求的、生产第一线具有创新意识和独立思考能力的多样化技术技能人才，这些要求使得职业学校专业升级成为必然选择。

关键词：智能制造；中国制造2025；机器人平台课程开发

【中图分类号】G 【文献标识码】B 【文章编号】1008-1216（2017）04B-0051-04

中国作为世界公认的制造业大国，发展以工业机器人为核心的智能制造技术成为快速推进工业化进程的必由之路。據中国报告大厅发布的《2013-2017年中国工业机器人行业竞争格局分析及发展趋势研究报告》指出，中国机器人产业的迅猛发展，加速传统产业的转型升级，这将带来一场新的产业变革。清华大学负责国家机器人项目的院士认为：在“工业4.0”时代，中国制造业实现弯道超车的关键之一就是以机器人为代表的智能化发展。

一、 智能制造是未来工业技术发展趋势

中国——德国工业4.0解决方案论坛暨中德高科技投资对接会于2016年 7月29日在深圳举办，德国多家先进智能制造企业和多名专家汇集深圳，展示工业4.0的先进技术解决方案和先进高科技产品，并与中国企业面对面交流探讨，使中国企业零距离了解德国工业企业的领先技术和市场模式。中德工业主打智能制造的“工业4.0”不仅在德国也在中国成为备受关注的话题，智能制造被公认为是未来工业生产发展的方向，是“中国制造”智能升级，由大到强转变，实现“中国创造”的必经之路。

（一）智能制造的现状与发展趋势

大量文献表明：世界正处于以信息技术为核心的科技革命和产业变革中，机器人、云制造、3D打印等技术的重大突破正在重构制造业技术体系；物联网、云计算、大规模生产与个性化定制结合、精准供应链等网络系统制造模式正在重塑产业价值链体系；全球制造业孕育着制造技术体系、制造模式、产业形态和价值链的巨大变革。

人类已经历了三次工业革命：工业1.0蒸汽机时代，实现了工业生产机械化；工业 2.0电气化时代，实现工业生产标准化；工业 3.0信息化时代，实现工业生产自动化。工业4.0 就是综合运用信息物理系统（CPS，Cyber-Physical-Systems）将资源、信息、物品和人进行互联，从而创造物联网和服务，进而，将这种服务模式用于工业领域，促进制造业智能化、网络化发展。面对制造业的新挑战，各个国家和区域都采取了一些措施：

美国，2011年推出 “AMP计划”，重振美国制造业，互联网结合制造业，依托科技进步，推动高端制造业发展，占领世界制造业制高点。英国，推出英国制造2050，发展高价值制造。德国，2012年推动“工业4.0计划”，目的在于确保德国制造业的国际竞争力，推动德国制造业从围绕产品生产，向数据分析与应用基础上的智能模式转变，打造全球领先的市场与供应商。日本，2013年提出 “日本产业重振计划”，通过设备和研发重振制造业。韩国，2014年提出“制造业创新3.0策略”，协助中小企业建立智慧化与优化生产程序。印度，提出实施物联网政策，打造印度制造，实现数字印度。中国，2015年推出 “中国制造2025”，力争从制造大国迈入制造强国。由此可知，世界强国纷纷提出制造业对策有两个共同点：一是应用智能自动化技术，优化生产流程，节省能源与成本，提高产品质量。二是推进机器人技术应用。全球进入了以信息技术为核心的新一轮科技革命和产业变革，智能制造成为世界制造业发展的客观趋势。智能制造也是我国制造业发展的内在要求和实现转型升级的必然选择。

（二）“中国制造2025”是中国迈向制造强国的第一步

“中国制造2025”被誉为中国版工业4.0，智能制造是“中国制造2025”的核心。我国工业化进程分三个时期：初期，90年以前；中期到2020年，基本实现工业化；后期是2020年以后进入后工业发展时期。后工业发展时期分三步走：第一步到2025年，工业发展水平进入世界第二阵营；2035年进入世界第二阵营前列，达到德国水平；到2050年建国100周年，进入世界第一阵营，与美国并驾齐驱。目前我国与世界强国同样站在新一轮工业革命机遇面前，但我国工业发展水平不均衡，工业 2.0、工业 3.0、工业 4.0 并行的发展背景下，“中国制造2025”提出了走积极探索、创新驱动、质量效益高、绿色制造、服务型制造的新型工业道路，推进工业化和信息化高质量融合，吹响了迈上第一台阶的号角。

工业机器人是智能制造腾飞的代表与象征。2015年，中国每10000名制造工人中仅有36台机器人，世界排名第28位。2016年，中国以8.5万台的工业机器人订单量位居全球工业机器人订单总量的首位（去展网），远远超过日本、韩国、德国等第二阵营国家。中国机械工业联合会会长王瑞祥近日表示，到2020年，中国每10000名制造工人中的机器人数量将提高到150台，也就是说，中国准备在2020年打造10万台具有自主知识产权的产业机器人。科技的进步与发展实现了人类童话故事中上天、入地、千里眼、顺风耳等很多梦想，现代科技使机器人走到我们的身边，又一次使人类千百年来追求的梦想成为现实。机器人作为智能制造的代表，已经成为人们工作生活中的亲密朋友，它们帮助人们到海洋搜索资源、到太空作业、深山搜救、战场侦察、手术开刀等等急难险重的场所，可谓无处不在，无所不能；在生活中它们帮助我们照顾老人、清理地板，提供各种舒心服务，还有很多的机器人玩具、机器人坦克，极受幼儿、青少年的喜爱。随着机器人应用领域的不断扩展，机器人技术的发展，促使传统的工业生产结构发生根本性变化，将对人类社会产生深远的影响。中国已经进入“机器换人”的大潮，成为全球机器人消费大国，中国进入了全球产业革命的“工业4.0”时代，正迈着坚定的步伐由 “制造大国”走向“智造大国”。endprint

“中国制造2025”把创新摆在制造业发展全局的核心位置，推动跨领域、跨行业的系统创新。创新驱动的本质在于人，质量的保证要靠人，绿色发展的基础在于人，结构优化也需要人去推进。对于制造业，创新来源于生产实践，来自于生产第一线，技能型人才是制造业创新的主体，是推动制造业创新性发展的基础。因此，职业学校要营造“大众创业、万众创新”的氛围，要培养具有独立思考能力和创新意识的多样化专业技术人才，提升为制造业转型升级服务的能力。

二、职业学校开设“机器人组装与编程”课程的思考

（一）智能制造时代发展的趋势

我国正在推动“大众创业、万众创新”的创新驱动发展战略，“工业4.0”，《中国制造2025》战略的核心就是实现人、设备、产品三者之间实时联通和相互有效交流，构建一个高度灵活的数字化、网络化、个性化的智能制造时代。作为互联网时代原住民的00后，中职学生熟悉并适应网络时代，不愿意从事简单的重复劳作，“机器换人”已成为社会发展的重要趋势，是时代发展的必然状态。如果说曾经的机器人主要替代重体力劳动和复杂劳动，解放并延展了人类的四肢，今天智能制造背景下的机器人则开发了人类的大脑，延伸了人类的智慧，机器人可以思考、判断、选择、决策，机器人像智能手机一样会影响、改变人类的生活方式。

在美国、德国、日本等国家，中小学开设了机器人课程，2016年7月28日，我国第16届中国青少年机器人竞赛落下帷幕，全国30个省市的约500支参赛队伍，参加了主题为“丝路圆梦”的机器人综合技能比赛，主题为“变废为宝”的FLL机器人工程挑战赛等五个项目的比赛。机器人技术的广泛应用、机器人课程的全面开发、机器人活动与竞赛的大规模举办已经成为全球智能制造时代的特征。

（二）职业学校专业升级的职责

顺应“中国制造2025”、德国工业4.0的时代背景，学校设置与“中国制造2025”“互联网+”等战略新兴产业相关的专业，构建与产业结构相适应的专业群，培养更加紧密对接区域经济社会发展需求的人才，是职业学校专业对接产业升级，加强专业建设的职责。同时，开设机器人校本平台课程，为学生提供多样化的课程选择，全面培养学生创新能力、动手能力、综合应用能力和社会适应能力，也是职业学校人才培养不可推卸的责任。

机器人课程和相关竞赛具有的鲜明特点和独特的育人功能，以及学校开设普及性机器人科技教育课程，激发学生对工程技术的学习兴趣，积极参与机器人竞赛。今年的第16届机器人大赛就涌现出很多创意独特的机器人作品和多样化的完整的解决方案，帮助学生成长。机器人教育是创新精神和动手能力的载体，职业学校开设相关课程是服务制造业升级、服务社会、服务经济发展的必然选择，要打造“职业学校玩机器人”的教学特色。

开发和开设机器人课程是学校的一项教育科研工作，在此过程中，教师通过设计教学项目、研究教学策略、开发校本教材，发现问题，并通过问题导向解决教学实际中的难题，提高教育质量和教师综合素质，促进教师的专业发展，搭建一个培养与提升师生“智能制造技能”的有效平台。

（三）学生成长内在动力的需要

中等职业学校学生大都是中考落榜生，存在着文化基础差、行为习惯不好、学习内在动力不足等特点，他们的人生定向和职业定向不明确，但作为15-18岁的青少年、互联网时代的原住民，他们也具备思维活跃、精力充沛、追求创新和个性发展，对新鲜事物充满好奇等特征，学校开设机器人平台课程，以行动教学理论为指导，采用“做中学”的方式，激发学生自主学习和研究性学习的积极性，鼓励学生树立追求卓越的精神和态度，为学生职业生涯中工匠精神的形成奠定基础。

三、“机器人组装与编程”升级课程的开发

“机器人组装与编程”课程是智能制造模式的载体，具备智能和技术集成的应用环境，展现机器人感知能力、记忆与思维能力、学习能力及自适应能力，借助计算机模拟人类的智能活动，取代或延伸部分脑力劳动，进行分析、判断、推理、构思和决策，通过收集、存储、处理、共享等功能，继承和发展人类制造智能。学校在职业教育专家指导下，广泛调研机械制造企业，研究大量文献，制定课程开发方案，开设了机械大类专业升级智能制造平台课程——机器人组装与编程。

（一）确定课程目标

“机器人组装与编程”从引发学生的学习兴趣与动机，激发学生创新创造欲望为切入点，面向未来，结合社会、职业和学生三者发展需要，通过智能机器人设计、组装、调试等教学活动，关注学生职业精神、职业思维、职业行为、职业语言和职业情感的形成，课程目标确定为培养学生的职业特质。

坚持学生为学习主体，教师为主导，帮助学生采用自主学习、小组合作学习、讨论探究学习、网络学习等多种方式，通过持久的训练，养成一种习惯，转变学生思维方式，树立终身学习观念，逐步建立主动的、自主的学习和心理模式。

（二）筛选课程项目

“机器人组装与编程”课程的内容是实现课程目标的载体，学校选择时尚的、有趣的、适度的内容作为课程项目，由培养阶段、提高阶段和创新阶段三部分组成。

1.培养阶段意在培养学生对机器人的初步认识和基础知识与技能的掌握，为后期高程度的教学阶段做理论铺垫，课程项目如下。

2.提高阶段是以Mdrawbot绘图机器人、ultimate高级可编程机器人为主的综合性实践教学内容，培养学生对开源软硬件实现从认识到熟悉，进而，掌握机械零件的组装工艺、激光打印的原理及应用、mdraw绘图软件的使用。

（三）明确教学策略

教学采用过程导向的项目教学法，鼓励学生树立追求卓越的精神与态度。

（四）配备教学设施（略）

（五）教学实施与评价

教学实施包括任务描述、任务分析、制定计划、任务实施、展示与评价、任务拓展等环节。

四、“MDROW BOT”任务的教学实施

（一）任务描述

按照图纸说明，完成MDROW BOT机械及电机部分装配，编写程序，安装驱动，书写校名。

（二）任务分析

小组成员进行图纸分析、装配工艺分析、编程分析、过程分析，确保 “MDROW BOT安装与编程”任务的完成。

（三）制定计划

小組收集资料和信息，讨论、研究，每个人都要提出意见，制定任务实施计划，明确小组成员分工、完成时间和工作标准，并做好记录。见下表：

（四）任务实施

1.准备器材。

2.装配。

3.电子接线。

4.编程并下载。

5.作品展示。

6.任务评价。

7.任务拓展。

利用MDROW机器人的组建，查阅资料，设计一款楼宇自动玻璃清洗机。

五、课程资源的优化与完善

经过一段时间的教学实践，学校要在建立机器人资源库、建立机器人创客中心、完善课程标准、编写校本教材方面做积极地探索和研究，参加全国青少年机器人竞赛，推动学校教学改革，从学校的实际出发，提升学校服务经济社会发展的能力和水平。

参考文献：

[1]邓泽民.职业教育教学论[M].北京：中国铁道出版社，2012.

[2]邓泽民，张国祥.职业教育教学设计[M].北京：中国铁道出版社，2013.

[3]邓泽民，刘秀丽.职业教育行动教学[M].北京：中国铁道出版社，2015.endprint