基于科技创新与CDIO 项目化教改的《工业机器人操作与编程》实训项目开发

叶泉，朱红娟

（南京机电职业技术学院自动化工程系，江苏 南京 211306）

1 前言

当前，新一轮科技革命和产业变革加速演变，更加凸显了加快提高我国科技创新能力的重要性，对创新技能型人才的需求将愈加迫切。职业教育作为实现技术技能人才有效供给的重要一环，在制造业生产方式的更新迭代、产业的技术革新过程中发挥关键作用，是推动制造业智能化发展不可或缺的核心力量。高职教育培养生产、建设、管理、服务一线的高素质技术应用型人才，强调学生动手能力和管理能力，高职学生科技创新在生产一线有其独特的价值和优势。

《工业机器人操作与编程》是工业机器人、机电一体化技术等专业的常见专业课程，是通过分析企业对岗位的需求而开设的课程，直接面向企业岗位培养学生的工作能力。但当前课程教学中往往过于强调工作任务对人能力的需求，高职学生普遍科技创新意识薄弱、科技创新能力普遍不足，因此，如何科技创新教育贯穿专业课程教学全过程，真正将学生纳入科技创新体系是广大学者普遍关注的问题。本文基于课程教学现状及“创客校园”背景详细介绍了我校机电一体化技术专业《工业机器人操作与编程》科技创新和CDIO 项目化教学改革与实施经验。

2 课程教学现状

《工业机器人操作与编程》课程的内容既包括工业机器人的基本硬件原理，同时还包括工业机器人的示教编程方法以及工业机器人日常维护等内容，总学时为40学时，授课时间安排在大二第一学期。授课对象为高职二年级学生，经过大一的学习，他们具备一定的专业基础知识，动手能力较强，普遍思维活跃，但单纯理论的讲解较难让学生感兴趣。

3 教学设计与分析

3.1 总体教学方案设计

本课程教学设计采用线上+线下/虚实结合课堂的模式。课前借助信息化手段，以学生为主体，自主预习实施“一课一问、一问一法”。课中在教学过程中进行“分层评价、分类培养”学生依据职业兴趣和未来发展方向，在课程教学过程中，自主并动态选择“合格”“提高”“优秀”三个层次的学习内容及评价方式，教师根据“知识型，实践型，创新型，应用型”四类学生特点实施不同的课程项目，采取不同的教学策略，培养学生自信、发挥学生特长，达到因材施教的目的。注重引导和培养学生的爱岗敬业的职业精神，以及精益求精严谨细致的工匠精神。

教学分为四大模块：（1）线上课前预习模块。教师采用线上学习通发布课程预习资料，学生通过预习和在讨论区提问，教师通过学生预习情况实施“一课一问、一问一法”并调整教学策略。（2）线下课堂模块。线下教师理论讲解+虚拟仿真软件操作演示并通过学习通下发本课任务，学生使用虚拟仿真软件完成课堂任务，并通过学习通线上提交任务完成后的视频，学生课堂操作期间教师给予指导，最后采用小组点评+教师点评作品，教师通过学习通给予本次课堂任务考核分数。（3）实训操作模块。教师发布任务单，学生分组完成任务，实施“分层评价，分类培养”，知识型主要负责撰写项目任务书；实践型负责机器人操作指导和小组安全员；创新型负责程序设计；应用型负责汇报。通过前次课程学生具有一定操作基础，通过在实训室操作真实设备，将课本知识运用到现场实际，让理论指导实践应用，并且教师在现场给予本次课堂任务考核分数。（4）创新实践模块。通过前面的理论+技能操作，继续实施“分层评价，分类培养”，教师组织头脑风暴让同学们回忆在实际操作设备时的痛点和难点，学生分组讨论，知识型主要负责撰写创客项目课程标准；实践型负责课后制作创客作品；创新型负责方案设计；应用型负责汇报。教师进行有效分析提炼出有价值、可行的想法，进而结合专业知识挖掘专利点、创客作品和创客项目课程标准（图1）。

图1 《工业机器人操作与编程》教学设计

3.2 优化教学内容

本课程的基本任务是：本课程以6 个学习项目为教学内容的载体，通过6 个学习项目使学生掌握工业机器人的操作、编程等技能，工业机器人的硬件原理，以及工业机器人系统的调试、测试能力。项目以实际工程案例为主，分解为若干任务，由任务驱动，每个任务分解为相关知识、任务实施、任务提高，由浅入深，体现理实一体。每个项目中的“任务扩展”环节作为拓展练习，可提高学生发散思维和综合应用能力（表1）。

表1 《工业机器人操作与编程》项目化教学任务

3.3 优化考核方式

课程考核采用“过程考核+期末考试”的方式，以期实现对学生课堂全过程的考核，其中过程考核=平时考勤（10%）+作业（30%）+任务考核（60%），最终课程总成绩=过程考核（50%）+期末考试（50%）。其中任务考核需要学生完成团队任务汇报、撰写项目任务书、程序设计、设备操作调试等，完成任务的过程体现了团队协作的能力，团队中的每个学生进行“分层评价，分类培养”，提升学生工业机器人操作的综合能力。

4 科技创新实践项目

针对学校的工业机器人工作站实训设备，我们在课堂上鼓励学生利用现有设备二次开发进行科技创新实践项目，本文提供了一种开发案例“工业机器人防撞保护学习装置”，学生以此项目申请了2021 年“江苏省高等学校大学生创新创业训练计划项目”、申报多项专利、参与三创大赛并获奖。

4.1 系统总体方案

本项目在工业机器人工作站上加入防撞、报警装置，解决工业机器人在使用过程中安全问题；加入可调升降器，以此可自由改变教学时的难度；加入工作台台面的柔性材料，以防机械臂无法控制时，提供最后的保障。实际设备如图2 所示。

图2 “工业机器人防撞保护学习装置”实物图

4.2 程序设计

（1）PLC 程序设计。在博途V15 软件中，添加S7-1200 系列PLC 硬件，本项目采用了CPU1215C DC/DC/DC，由于防撞报警信号端采用带有MODBUS-TCP 协议的工业以太网I/O 模块，因此，在程序中读取I/O 模块信号采用“MB_CLIENT”指令。需要提前做好全局DB 模块，并在其中添加MODBUS-TCP 需要用到的TCON_IP_v4 数据，建立指定I/O 模块连接时所需的所有地址参数。后续编程需要的一些数据也可以建立在这个DB 块中。

在FB 函数块中，添加了两个“MB_CLIENT”指令，分别用于I/O 模块的读取、写入，如图3 所示，用MB_MODE 引脚参数来区别，最后，如果检测到碰撞信号则触发报警信号“防撞_DB”。防撞报警，如图4 所示。

图3 “工业机器人防撞保护学习装置”FB 函数块-程序段1

图4 “工业机器人防撞保护学习装置”FB 函数块-程序段2

（2）机器人程序设计。机器人的主要任务为在防撞平台上进行绘图或者搬运等作业，当触发警报时机器人能调用中断程序停止运动。机器人主程序包含调用“rChuShiHua”初始化程序以及在PLC 发送组信号为100 时调用“rFuWei”复位程序、PLC 发送组信号为310 时调用“rHuiTu”绘图程序，当PLC 的“防撞_DB”防撞报警信号为1 时会发送104 组信号给机器人，机器人端接收到信号后，则调用“tTingZhi”让机器人执行“StopMove”指令停止运动，同理，当故障排除机器人端接收到105 的组信号时，机器人则执行“StartMove”指令重新开始运动。机器人端程序如表2 所示。

表2 机器人程序

5 结语

通过本次基于科技创新与CDIO 项目化教改的《工业机器人操作与编程》实训项目开发，对课程总体教学方案进行设计、优化教学内容、优化考核方式，并针对学校的工业机器人工作站实训设备引导学生开发设计科技创新实践项目，产生了以下改革效果。

（1）虚实结合有效提升课堂效率。课堂教学中使用到了虚拟仿真软件，虚拟仿真软件和真实实训室的配合使用缓解了设备不足、实训指导教师维护设备工作量大等实际问题，增强了学生的实践动手能力。课程配套教材于2021 年1 月由机械工业出版社出版，出版后在本校、许昌电气职业学院、郑州财经技师学院、湖南财经工业职业技术学院等院校中得到了推广应用。

（2）助力完善地方职业技能培训体系。课程配套录制的《工业机器人操作与编程》课程视频中标南京市人社局南京市职业技术培训指导中心线上优质课程资源，在南京人社网中南京市职业培训e 起学学习平台为南京市市民提供在线技能培训。

（3）开发新工种培训助力人才培养。课程促进开发了《工业机器人应用工程》新工种培训，参与南京市职业技能培训助力智能制造人才培养，开展以来完成校内培训1586 人次。同时，完成了金陵科技学院、南京工程学院、南京工业大学浦江学院等本专科学校的培训，共培训了1082 名学生，有效地解决了高校毕业生就业一公里的问题，受到了广泛的好评。

（4）以赛促教争提升，结合创新育人才。机电团队师生多次获得全国大学生机器人大赛、江苏省机器人大赛二、三等奖。通过结合机器人相关专业知识来培养师生创新能力。学生申报专利230 多项，授权专利190多项。机电173 班39 人结合专业课程共申请专利65 项，授权57 项，被“现代快报”ZAKER 直播平台称为“最牛发明班”，这场直播共吸引12.2 万人在线观看讨论。机电172 班和174 班被江苏省教育厅授予“江苏省省级先进班集体”。

同时，我们也要在教学实施中应该多一些拓展开放性的任务，实践项目应该校企结合密切关注实际生产实践案例，把优秀的案例引到教学中，为培养具有一定创新能力的高素质技术技能人才提供借鉴。