高职院校工业机器人技术教学模式研究

郭 萍

(武汉交通职业学院，湖北 武汉 430065)

近年来，由于劳动力成本的增高，许多企业为减少人力成本和管理成本，逐渐引进工业机器人。工业机器人不仅代替人从事重复性、机械性和危险性工作，还可以进一步提高生产效率和产品质量，从而提高产品的市场竞争力。截至目前，工业机器人被广泛应用于各行各业。在电子产品制造行业中，工业机器人可用于流水线上焊接元器件、组装各类零部件等工作；在汽车制造业中，可用于汽车表面的喷漆和汽车的搬运工作，避免人类从事环境恶劣和体力过重的工作；在医疗行业，工业机器人精确的定位可用来进行精密的手术，避免人为因素对手术的影响；甚至在食品行业中，也出现了工业机器人“批量分解猪腿”的画面。

然而，工业机器人被引进的同时，企业也面临新的挑战，会操作、使用和维护工业机器人的技能人才相对较少，企业花大价钱买回来的设备并不能充分发挥其作用。因此，为更好地培养与企业对接的人才，在“中国制造2025”的大背景下，高职院校陆续开设工业机器人专业，培养从事一线的工程机械设备或者工业机器人的操作、装配、调试和维护等工作的人才。该专业除学习机电一体化相关的基础课程之外，还开设包括机器人应用基础、机器人装配与调试、机器人编程应用和机器人故障诊断与维修等核心课程。

现阶段，由于工业机器人技术专业是新兴专业，专业建设相对不成熟，并且该专业综合性较强，涉及自动控制、人工智能、电子技术和机械工程等多种学科的内容，在教学方式和方法上必然与传统工科有所不同，因此，该专业的教学模式需进一步探索。本文针对工业机器人相关的核心课程，结合目前高职院校工业机器人技术专业建设的实际情况，从以下三个方面来探索工业机器人技术的教学模式：

一、打破传统的教学模式，采用信息化手段提升课堂效果

在教学方法上，工科类专业不如文理科类方式多样，在传统理论课堂教学时，一般以老师讲、学生听为主，课堂的教学模式大多还处于“填鸭式”教学。学生与老师之间交流略少，课堂气氛不活跃，加上高职院校学生学习意识薄弱、自控力较差，注意力不集中、容易游离于课堂之外，教学效果较差。目前，工业机器人技术相关课程在理论教学环节中侧重调动学生的积极性，集中学生的注意力，因此课堂多采用视频、图片、动画等直观方式授课，并增加讨论环节，让学生积极参与课程学习，加深知识的理解。虽然这种做法在一定程度上可以提高学生的学习热情，但课程的知识点较杂、内容广泛，许多学生容易失去兴趣，积极性不高，不利于课堂的开展。

以《机器人应用基础》课程为例，该课程运动学分析这一知识点涉及数学推导、矩阵和线性代数相关知识，学生未有矩阵和线性代数相关概念，数学基础薄弱，学起来吃力，自信心不足，遇到难题容易放弃。另外，在机械结构这一章节中，工业机器人传动装置是重点内容，需要详细学习轴承、丝杠、齿轮、RV减速器和谐波减速器等各类传动装置的结构、特点及工作原理，知识点零碎，涉及面较广，学生在学习过程中容易丧失耐心而影响课堂效果。因此，仅仅采用视频及动态图片形式的授课已不能满足工业机器人相关课程的需要，教师在教学过程中还应结合机器人技术相关课程特点，以学生为主体，采用信息化技术的手段，探索不同的授课方式。

针对《机器人应用基础》中机器人运动学分析这一难点章节学生信心不足的情况，可以用信息化手段降低学习难度，以提高学生的学习兴趣。可以尝试采用线上学习APP—学习通，利用学生随身带手机的特点，让学生线上做相关练习题帮助理解并及时巩固，教师线上更正打分并及时了解学生掌握的情况，以便适当地调整教学内容，让学生更好地掌握重点内容。该平台还可通过教师与学生的互动来调动学生学习的积极性，避免学生因知识点枯燥而分心，进一步提升授课效果。在机械结构这一知识点繁多的章节中，从各类传动装置在典型工业机器人中的应用入手，以图文结合的形式展示各类传动装置的结构及原理，并发布微视频，让学生课前学习，促进学生自主研究、自主学习；同时可布置视频作业，要求学生学习后录制微视频讲解对传动装置的认识并上传共享给班级，并一起交流讨论，在互相学习中将知识点理解透彻，实现互助，共同进步。也可以在教材、实训设备、实验室等地方设置二维码，通过链接到线上，学生根据自己的时间进行学习，把学生学习的阻碍点一一化解。

不仅《机器人应用基础》课程具备知识点多、综合性强的特点，工业机器人专业课程大多属于多学科交叉的课程，且实践性很强，采用传统的教学模式往往难以达到理想效果，在教学中应重点把握学生对工业机器人颇有兴趣这一关键点，采用信息化手段，不仅可通过微视频、QQ、微信、云班课、提问软件等，辅助教师寓教于乐,甚至可以通过AR技术将工业机器人的操作嵌套在现实世界进行互动，帮助学生寓学于乐,在乐趣中获取知识,强化操作技能,实现理论实践两手抓，有效提升课堂教学效果。

二、加强专业教师队伍培养，提升教师理论和实践水平

目前，工业机器人技术发展速度较快，实际的技术水平比高校理论研究较快，加上工业机器人教研室成立时间不长，课程体系和人才培养还处于探索阶段，导致多数高职院校里工业机器人技术专业教师理论和实践水平普遍不高，课堂教学与市场脱节。另外，工业机器人技术专业涉及多种学科的内容，能够掌握多种学科的教师相对缺乏，专业教师大多具备电子信息、控制工程或者机械自动化中某一领域的背景，对工业机器人技术的认识及研究不深。例如，《机器人应用基础》这门课程，具有控制领域背景的授课教师对于工业机器人基础课程中的机器人机械结构、机械相关概念如圆柱销、绞销、斜楔等知识点理解较浅显，对于驱动装置中的液压或气压驱动以及传动装置中的轴承、丝杠、RV减速器等工作原理认识不深入，容易受课本内容的约束，在授课时不能很好地融会贯通，也不能站在一定高度进行知识点的引申，从而影响教师自由发挥，进而影响授课效果。不仅如此，其余课程也对控制类教师提出了挑战，比如《工业机器人装配与调试》课程需要教师了解机械装配的基本知识，机械传动装置的装配方法和步骤，《工业机器人故障诊断与维修》课程需要掌握工业机器人的安全作业事项、工业机器人控制柜和机器人本体的故障诊断与维护，《工业机器人编程与调试》需要教师学习一门新的语言。

工业机器人技术知识体系的跨学科技术融合性，迫切需要教师综合性地提升专业理论体系，需要专业教师进一步学习机器人相关的理论知识。针对这个现实问题，需要教师、学院及学校各方面做出相应的努力。教师个人方面可自主去相关机器人企业进行实践锻炼，获得实际的实践经验；学院方面可通过校企合作对专业教师进行工业机器人控制、编程技术及装配等方面的培训来引导教师学习，以此来促进教师更好地开展教学。另外，企业、学校、教师三方可以共建网络教学资源库，融入企业最新的需求、理念，由企业专家定期维护，既让教学紧随企业需求，又方便教师向企业专家交流。除此之外，教师可参加机器人相关的技能比赛，通过赛前的准备学习和赛后的归纳总结，强化对工业机器人技术的学习，促进教师深入理解专业知识，提高自身理论水平的同时进一步提高动手能力，提升实践指导能力，进而丰富日常的教学。

三、完善教学实训设备，提高设备利用效率

随着工业机器人教研室的成立，相关的实验设备需要陆续地引进并且投入使用，方便学生开展工业机器人的认知、操作和编程等实践。然而由于一些主观及客观的原因，导致专业核心课程开展时设备应用不充分，实际教学效果大打折扣。

工业机器人属于大型设备，在引进前需要调研论证等过程，引进周期长，并不能保证相关课程开展前就能供教学实验课堂用，即使顺利引进的设备，安装、调试和培训以及建立规范的实训室也需一定时间，因此教研室成立之初，有一些基础课程不得不侧重于理论学习。比如，《机器人应用基础》这门课程既是专业核心课也是基础课，比其余核心课较早开设，极有可能设备尚未完全投入使用，但出于安全考虑，引进的工业机器人暂不会对师生开放使用，学生不能进行基本的机器人实体结构的认知学习和简单的机器人动作参观学习，只能在理论课堂上通过动态画面和相关视频了解工业机器人的结构和动作模式。很显然，课堂效果并不理想。

工业机器人的相关课程具备较强的实践性，包括机器人的装配、编程、调试和故障诊断，都需要工业机器人设备来实践教学，机器人实验环节对于锻炼学生的实际操作能力很重要，即便后期开课时设备已准备好，由于设备投入使用时间不长，实验和理论教师未能熟练操作仪器，在开展实验课时，未能最大化地发挥设备的价值，导致设备利用不充分。另外，由于工业机器人设备价格昂贵，一台设备动辄十几万，校方经费紧张，因此引进的工业机器人设备数量较少。在开展实验课时，一旦班级学生数量较多，会有较多的学生共用一台设备，未能有效保证学生操作时间，导致学生不能充分利用实践课堂学习相关的技能。

因此，针对实训设备准备不充分的情况，教研室应积极主动推进设备引进、安装、培训和调试相关事宜，缩短设备准备周期，争取早日供教学使用。针对设备利用率不高的情况，教研室教师应主动学习工业机器人相关理论知识和设备的具体操作，挖掘更多实践教学知识点，充分利用该设备。针对实训设备数量相对的不足的现实情况，教研室应该积极争取院方和校领导的支持，获得资金上的资助，购置更多工业机器人，学校也可利用虚拟现实技术构建与实际工业机器人实训平台全真的仿真系统，使学生可以完成工业机器人实训平台的设计、安装、编程与调试，从而减少工业机器人设备数量。

课程教学改革是一个长期深化的过程，需要不断地探索、改进和完善。本文结合工业机器人技术专业的专业建设现状及自身的教学经验，针对《机器人应用基础》等专业课程探索工业机器人技术的教学模式，通过分析工业机器人技术专业课程在理论教学和实践环节中存在的问题，提出了相应的改革措施，以提高教学效果，让学生更好地掌握和运用知识，进一步提升专业理论知识水平和操作技能。