信息化技术在提高机器人专业教学有效性中的应用

曹鲁辉

摘 要：将信息化技术应用于教学是职业教育教学改革的方向。机器人专业是新兴专业，本文就信息化技术在机器人专业教学中如何应用、如何推进教学有效性及信息化技术在教学中应用时应注意的问题，提出了一些看法。

关键词：机器人 信息化技术 仿真软件 工位监控 过程性评价

在《中国制造2025》战略中，五大工程中的智能制造工程中明确提出要求“关键岗位机器人替代”，十大领域中的高档数控机床和机器人更是重中之重，关系到智能制造强国战略的实施。目前我国在产业升级中，关键岗位机器换人的趋势越来越明显，尤其在经济发达地区人力、土地等成本高涨的背景下，“机器换人”有着广阔的应用前景，除了节约大量的人力成本外，更是极大地提高了生产效率，保证了产品成品率，实现自动化生产，显著提高了企业效益。

机器人是新兴专业，职业学校机器人专业课程的基本特点是专业比较新颖，涉及许多专业学科，专业基础知识比较难懂，要求学生具备动手能力和实践能力。但职业学校的学生学科基础差，相关专业知识更是不足，更别提机电自动化方面的知识了。而且这些专业知识毕竟难懂，单靠学生在课堂学习，是很难深入理解和掌握的。如果教师结合动画视频和动手实践，通过综合手段使资源立体化，更直观地呈现在学生面前，就会对优化改进机器人专业课程教学的有效性起到极大的推动作用。

一、信息化技术在教学中有效性的定义

信息化技术在教学中的有效性主要是指在综合利用仿真软件、多媒体、互联网、视频动画等资源前提下，紧密结合当今职业教育发展的需求和特点，为改善和提高理论掌握和实训技能的教学效果所进行的一种有益尝试。主要目的是加深学生对相关理论知识的掌握，提升操作技能水平，更好地结合企业用工需求，及时调整企业市场需求，对满足当今日新月异的个性化定制需求有着极大的借鉴和促进意义。其特点是信息化資源多样性、丰富性、时效性、立体性。所借助的手段甚至可以是虚拟现实VR等技术，让学生可以身临其境地观看内部结构、近距离观察原理运动等，从而更有效地掌握专业理论知识和实训技能。相对于传统教学和实训，信息化技术手段提供给学生体验式学习、自主学习的机会大大增加，通过互动式、团队合作式的教学方式，增加学生学习的主观能动性，把要求学生学习变为学生要学习的新模式，增加学习资源的趣味性、可视性、立体性，从而确保学生有更好的学习效率和效果。

目前开设机器人专业的职业学校不是很多，信息化技术在机器人专业教学的应用还在探索阶段。本文在应用信息化技术于理论教学与实训教学中时重点考量两方面，一是考虑如何利用信息化技术才能促进理论与实践教学的提升，二是利用信息化技术，不能为了应用而应用，一切都要以教学效果为导向，以学生切实掌握理论和技能为目标，希望在信息技术应用于机器人专业方面为同行提供新的教学思路。

二、信息化技术在机器人专业教学的应用策略

机器人专业技术集中了机械、电子、计算机、自动控制及人工智能等多学科的最新研究成果，代表了机电一体化的最高成就。因此在职业学校专业教学中，在大部分中职学生专业基础理论薄弱、相关学科知识不全面，以及学校专业教师不足、实训设备不足、资源不足的情况下，如何有效整合相关学科资源、如何深度理解机器人相关逻辑运算和机器人应用、如何结合当前现场运用经验有效推进机器人专业教学，使学生通过现场教学和理论学习达到企业用工要求和社会要求就成为教师面临的难点。以下笔者将结合自己在教学中的实际经验，从信息化技术应用的四个方面入手，阐述在机器人理论和实训教学中如何破解这些困境，为其他同行提供参考。

1.运用RobotArt仿真软件

近些年，随着智能制造和高端装备制造业的推进，工业机器人不再局限于汽车生产制造和电子装配等领域，而是越来越多地应用于各种精密制造新兴产业、抛光打磨危险传统行业等。通常工业机器人操作者是利用示教器现场编程，这种编程方式一般用在对轨迹路径精度要求不高的情况下，具有方便、高效、适应个性化定制等优点。因此，采用示教器编程依然是主要编程方式。

但随着高端装备对制造和装配精度要求的提高，传统采用示教器编程的方式已不能满足项目现场的需要。虽然各大机器人公司有自己的离线编程软件，但都是基于自身品牌和应用开发的，如库卡的Workvisual、ABB的RobotStudio。

RobotArt利用最新的三维软件开发技术，结合工业机器人离线编程技术，采用最新拓扑运算技术、形成了机器人离线编程系统，实现实体仿真、模拟、加工提高机器人编程效率，从而可以满足加工的高精度、个性化定制等需求，同时还可以大幅度提高加工效率和加工质量。

在实际教学中，教师利用仿真软件可以有效检测加工中的干涉、位姿调整以及安全防碰撞检测技术，最大限度地减少实操中安全隐患的发生。同时可以在教学中先让一部分学生学习仿真软件，另外一部分学习实际操作，等两部分学生都已经熟练掌握，再进行交换学习。这种方法可以对教学资源进行最大化利用，又可以使学生仿真和实操能力都得到充分的训练和学习，提高了学习效率和效益，增加了课堂的容量和质量，为学生进一步学习掌握理论实训内容奠定了扎实基础，也为学生将来进入操作项目现场积累了一定的经验。

2.工位监控

笔者在实际教学中发现，实训指导教师和实训设备远远不能满足学生对个性化指导和实际操作时间的需求。同时由于工业机器人在运转时往往带有一定安全隐患，尤其是在焊接中，安全隐患更大。为解决在机器人实训操作中教师人手不足、学生工位较多、无法及时指导监控到位等矛盾，在教学中，笔者对每台机器人工位都安装了监控镜头，并通过监控视频软件建立了中央监控系统，这样教师就可以实时查看学生的操作情况，指导和规范学生的操作流程，并对学生的不当操作进行及时排查和干预，避免安全事故，减少隐患发生，保证了实训过程的可控性、学生的实操安全性，提高了课堂的教学质量和效率。

3.立体化资源

笔者在实际教学中，充分利用华航唯实配套工业机器人工作站的学徒宝资源，立体形象地帮助学生获得直观解决机器人专业课学习中的难题。学生通过配套教材中每个实训项目中的二维码，可以获得详细的视频讲解，学习如何操作和完成每个项目。其中利用学徒宝里面的3D虚拟操作让学生可以在虚拟现实的场景，实现对机器人的虚拟操作，最大限度减少事故隐患的发生。而通过实战现场项目分析则可以使学生更直观观察和学习机器人如何应用于工廠的生产环节，使学生加深理解，建立实践观念。

4.过程性评价

为实现对学生在机器人专业课从理论到仿真再到实操的全过程评价，笔者在实施教学中利用MAKA和教学平台评价系统等分别对理论和实操进行打分。理论部分教师通过知识讲解、设计问题、学生答题、平台提交、自动打分、实时评价，可以直观看到学生整体作答情况。在学生实际操作机器人部分，教师通过巡视指导、工位监控等手段，运用教学平台评价系统对学生的安全实操、正确编程规范操作等环节分类打分。最后教师可以综合理论和实操对学生进行综合评价，从而实现信息化评价。

利用以上四种信息化技术手段，教师可以有效解决教学中的设备不足、教师人手不足的问题，同时可最大限度地降低事故的发生。丰富的数字化、可视化的教学资源还能比较好地突破教学重点和难点，从而为学生掌握工业机器人的基础理论、机器人的相关应用打下良好基础，更为中职生走向社会、快速地适应岗位需求提供强有力的支撑。

三、机器人专业课程信息化教学中应注意的事项

虽然信息化技术在机器人专业教学中有诸多优势，也是机器人专业教学方式变革的一个方向，但是在实际运用中也有一些特别要注意的地方。

1.在实际教学中注意是否必须要用信息化技术

在进行实训教学时，教师过多使用信息化技术可能会违背教学的初衷，不能为了信息化而使用信息化技术。在使用信息化技术教学时应充分考虑教学的实际情况，一些实践性强、需要重复训练才能达到一定水平的技术操作，就不需要花太多资源制作信息化资源。

2.仿真软件不能取代实训操作

机器人专业课程分为两部分，现场编程和离线编程。现场编程部分会涉及示教器安装调试、控制柜安装调试还有机器人本体的零点矫正，这些都必须通过现场操作反复训练才能掌握。而且进行精度控制和路径设计，现场情况往往很复杂，单纯依靠仿真软件，现场运用会经常遇到干涉问题，这就要求操作者必须多积累现场操作示教编程的经验，这些都是仿真软件代替不了的。虽然仿真软件可以解决教师人手不足、设备不足等问题，但是现场情况复杂，运用在精密大型等加工时采用仿真离线编程会更合适。

由此可见，在机器人专业教学中，教师在合理地运用信息化技术、充分考虑现场情况的前提下，要实现教学有效性的目标，就要综合发挥各种信息化技术的优势，以达到良好效果。

参考文献：

[1]林燕文，李曙生.工业机器人应用基础——基于KUKA机器人[M].北京：北京航空航天大学出版社，2016.

[2]马志敏.工业机器人技术及应用（KUKA）项目化教程[M].北京：化学工业出版社，2017.

（作者单位：厦门市海沧区职业中专学校）