虚实结合的工业机器人教学模式探索与研究

郑英 许庆 辛海燕 郁佳佳

摘 要：本文结合学院实际情况分析了应用型本科院校工业机器人教学中存在的问题，有针对性地提出虚实结合的教学模式，并在实际的机器人教学过程中进行实践和总结，不断完善教学内容和教学模式，探索应用型人才培养的新途径。

关键词：虚实结合 工业机器人 教学模式

随着工业4.0和中国智能制造2025的提出，工业机器人技术得以飞速发展。工业机器人应用型人才的需求日益增大，据统计，目前长三角使用工业机器人的制造企业就多达6000多家，人才缺口达5万人左右，预计未来几年，工业机器人的增速可达25%以上，工业机器人技术人才紧缺。作为应用型人才培养的高校，也纷纷开设机器人专业或者在专业课程里面增加机器人的培养方向，作为应用型本科院校，必须探索新的机器人教学模式，同时密切关注市场需求，为智能制造的企业输送真正的机器人工程师，以满足制造业的发展需求。

一、机器人教学模式现状

工业机器人作为一种高科技集成装备，对人才有着多层次的需求。但由于种种原因，工业机器人应用型人才培养很难落到实处，工业机器人人才很难满足市场的需求。目前来看，本科院校的机器人教学存在以下问题：

（一）机器人软硬件资源不足

工业机器人的教学开展必须配套软硬件资源，一套普通的工业机器人工作站少则十几万，甚至上百万，导致高校投入不足，硬件设备跟不上，有的院校觉得投入产出比不高，迟迟不肯购买设备，导致学生仅仅停留在理论层面。缺乏实践环节，应用型院校的培养目标很难达成。此外，机器人厂商软件不开源或者仿真软件有版权问题，也很难和具体的工业机器人配套使用。导致学生自主学习的资源非常少。

（二）机器人师资力量薄弱

在机器人技术迅速发展的今天，很多教师面临转型问题，原来的经典的机械和控制要向机电结合的工业机器人转型，每所院校都面临机器人专业教师的紧缺的现状。原来的老教师也需要再学习才能胜任机器人教学岗位，新的教师又招不到，想要短期内开设机器人专业的课程困难重重。

（三）实践平台缺乏

工业机器人要面向工业生产，学生只在教室学习理论知识是远远不能满足市场需求。实践平台的搭建尤为重要，一方面需要学校投入资金购买机器人工作站设备，一方面又需要学生做一些实践类的操作。很多学校实验室建设面临困难，学生实践机会比较少，或者一台设备上同时有很多学生操作，利用率很低。

二、虚实结合的机器人教学模式

针对目前许多高校工业机器人教学面临的问题，根据学院基于应用型人才培养的定位，结合机器人课程本身的特点和实际的教学情况，提出虚实结合的教学模式。

（一）虚拟仿真教学与实践项目结合的必要性

为了充分体现应用型本科教学目标，弥补教学设备投入不足，加快提高学生综合实践能力，课题组提出将仿真教学与实践项目相结合的教学模式，利用仿真软件及离线编程软件来完成实现模拟任务，既能提高实践练习的效率，又能避免硬件平台的损坏，更能保障学生实践过程的安全。通过仿真训练，学生能够很快掌握工业机器人的坐标系的建立和示教器编程的操作要领。提高学生机器人的实操能力，又能联系实际解决问题。

（二）虚实结合教学模式

机器人技术课程理论性强，内容广泛，涉及机械、电子、控制等学科，目前的教学过程理论教学过于单一，学生不感兴趣，也很难出成果。本次改革提出将虚拟仿真技术，实物搭建模型引入机器人教学，调动学生的学习积极性，以知识应用为重点，提升学生的综合实践能力。

1.教学大纲的修改

工业机器人大纲规定3学分的课程，按计划理论课2.5个学分，实践安排0.5个学分。考虑到工业机器人面向应用型培养的需要，修改为理论课2学分，实验课1学分，从实践学时上保证学生实践比例的增加，提高学生应用能力。

2.充分开展理论教学

教师通过网络平台介绍机器人的组成，核心部件的工作原理，如RV减速器的工作原理。示教器的使用，软件编程等，让学生充分了解机器人本体，控制器和示教器的工作流程。课上，教师讲解理论知识，和介绍仿真软件以及仿真案例演示。

3.虚实结合的一体化实践

实践教学在课程教学中具有非常重要的作用，是培养高素质应用型人才的关键部分。（1）先从虚拟仿真开始，让学生学会使用机器人仿真软件，在此基础上，完成本体的运动控制，比如关节运动，直角坐标系下的運动。熟悉直线运动，圆弧运动等基本指令。对实验项目进行任务分解，让学生通过仿真完成工业任务，如搬运、码垛、分拣等动作。仿真完成的基础上，再把编好的程序导出到工作站上进行验证。（2）熟悉示教器的使用，通过示教，使机器人完成基本的工业操作，比如，画轨迹，汉诺塔等完整的实验。（3）通过机器人编程实现传输带上货物的抓取、搬运和码垛一系列工业流程。

学院投入8台3kg桌面式工业机器人工作站供学生实践，学生在完成仿真的基础上，可以依次在工作站上验证编程结果。这8台工作站供学生完成搬运、码垛、打磨、分拣等工业作业。

学院使用的是HiPeRMOS2软件，学生用笔记本电脑就可以完成仿真。仿真软件添加桌面和仿真图形如图1和图2所示

（三）教学效果与评价

理论教学，通过网络平台，丰富了学生对机器人本体和加工工艺的认知。让学生全面了解机器人的构成，核心部件的工作原理，仿真软件的演示让学生学到的理论知识进一步与机器人实际进行结合。实践教学阶段采用虚实结合，边仿真边改错，完成作业任务的模拟，然后再到工作站进行验证。考核以小组为单位，通过过程考核和成果考核相结合的形式对学生进行全面考核，过程考核包括考勤，仿真软件的操作和仿真结果验收等形式，成果考核主要以工作站的验证为最终结果。

（四）加强师资队伍建设

工业机器人教学设计涉及多个专业领域，对任课教师提出很高的要求。为了加强师资队伍建设，一方面引进有丰富经验的机器人教师，一方面可以派遣教师去高校或企业参加培训。派出教师与企业工程师联合开发课程和实验项目，开发校企合作项目，充分引进企业工程项目，使学生的培养更加贴近市场需求。

结语

本文结合学院实际情况分析了应用型本科院校工业机器人教学中存在的问题，有针对性地提出虚实结合的教学模式，通过虚拟仿真，实现学生对工业机器人的认知和编程，通过仿真熟悉机器人搬运、码垛、分拣等工业作业，虚实结合的教学模式有效防止操作失误，保护学生人身安全和提高学生的综合应用能力。

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作者简介

郑英（1974—），女，籍贯：河北保定，副教授，硕士，研究方向：工业机器人，检测与自动化。