基于CBE 理念的工业机器人操作与编程实训项目设计

祁晓玲

（山西铁道职业技术学院，山西 太原 030013）

0 引言

随着机器人技术的飞速发展，工业机器人作为现代制造业的重要自动化装备在工业生产中的很多领域得到了广泛应用。在工业机器人技术的开发和应用过程中，技术人才的需求量逐渐增加，高职院校在这方面的人才培养任务也会同步加大。为满足社会的需求，山西铁道职业技术学院开设了工业机器人相关课程，并安装了机器人实训系统，其中“机器人操作与编程实训”是机电一体化专业的核心课程，也是实践性很强的课程，在专业理论运用、实践操作、综合应用能力等方面，都发挥着重要作用。

目前，国内工业机器人品牌众多，产品质量不一，互相不兼容。而且工业机器人价格昂贵，对场地有一定限制[1]。综上，具体的工业机器人的选择、建设实训室成本和对场地的考虑，都是学校面临的困难。山西铁道职业技术学院现有不同厂家的几种工业机器人，数量较少，人人都熟练操作不易实现。作为新开课程，部分教师还缺少相关的教学经验，不能形成以职业岗位能力为导向的教学方法。实践教学的教师应该具有相应岗位的职业能力，参与过企业实际操作并积累一定的经验。但目前真正与实践对接的专业教学教师仍然较少。因此，依据工业机器人编程操作岗位职责，对工业机器人操作与编程实训课程进行教学设计和教学方法的研究十分必要。

1 CBE 职教模式

CBE（competency based education）是能力本位教育的简称，是指围绕职业工作岗位所要求的知识、技能和能力组织课程与教学的教学体系[2]。其教学目标明确，针对性强，能最大限度地使受教育者具备将来从事某种工作所应有的综合能力。CBE 强调的是学生的自我学习，并将学生的实践技能锻炼放在首位，教师在整个教学过程起到组织指导监督的作用[3]。

“工业机器人操作与编程实训”课程的开发或编写需要人员应具有较深的学科造诣和丰富的教学实践经验，有改革创新精神;对工业机器人操作与编程实训的现状及改革发展趋势有深入的分析和研究。了解学生身心发展的特点，熟悉教材编写的一般规律和编写业务，文字表达能力强。

随着机器人技术的不断发展以及相关产品使用，传统的以知识为导向的教育模式已经不能满足工业机器人应用技术的发展现状。因此，将CBE 教育模式应用于工业机器人职业教育，对于提高教育教学质量以及毕业生走向工作岗位能尽快都具有积极的作用。

2 工业机器人操作与编程课程实训项目开发

职业教育本身是为了培养具有一定专业知识的全面发展型人才，但目前很多学校对相关行业的实际需求了解并不充分，理论课程与实践教学脱节现象仍然比较普遍，从而使得初次进入职场的学生难以把握方向。所以在实训教学模式上，将比较抽象的理论知识与实际生产结合起来，对培养适合社会发展需要的人才十分必要。职业教育不仅要传授知识，还要培养学生操作技能，所以学生的职业能力体现是检验教学质量的重要标准。

目前企业对工业机器人的人才需求分为操作维护、应用设计与销售3 个主要专业方向[4]。工作岗位对应的职业能力要求具体见表1。

表1 工业机器人人才岗位需求及职业能力要求

在CBE 教育模式下，根据职业能力要求，转化成模块化的课程。工业机器人编程与操作的实训教学根据三种技术岗位的职业技能需求进行实训项目的开发。三种岗位分别对应基础操作模块、虚拟仿真模块以及实训任务汇报展示模块等三部分学习内容[5]。根据学生自身理解能力和实践能力的差异，开发出不同要求的模块化课程，可以达到不同学生能力、素质和个性化的培养。

2.1 基础操作模块

该模块主要是通过现场实物学习工业机器人，包括对工业机器人结构的认知，了解机器人及工作站的操作安全注意事项、手动操作、示教编程等。

该实训模块的设计主要是使学生能够根据任务自主思考编程动作，手动操纵机器人，通过工业机器人示教器示教、编程和再现能够实现机器人动作，满足实训任务要求。并且要求在手动和自动2 种模式下，机器人都能够顺利完成任务。通过该模块的学习，学生能够熟悉机器人结构，熟练操纵机器人，掌握编程与操作结合的重要性，可以提高学生的动手能力和综合应用能力。

2.2 虚拟仿真模块

该模块是基于Robotstudio 软件的虚拟仿真，主要包括掌握ABB 机器人坐标系的建立方法、机器人常用指令、I/O 配置及使用、程序与数据的建立等。

该实训模块可以使学生进一步理解和掌握机器人编程知识，通过自主选择工业机器人型号、搭建外围设备、建立信号连接、使用虚拟示教器进行编程等一系列步骤，让机器人完成特定的工作任务。实训过程中可以设置任务的难易程度，学生量力而行，该模块可以让学生了解机器人工作站的完整构成，以及工作任务的具体设计，可以锻炼学生对软件的应用能力和学生编程的标准化思想。

2.3 实训任务汇报展示模块

该模块内容主要是通过多媒体、微课视频等多种形式，将机器人理论知识、实际操作、离线编程相融合，并通过现场讲解工业机器人基本操作、虚拟仿真、实训中遇到的实际问题、解决办法以及通过这次实训的心得体会等，进一步提高了机器人的应用能力。该模块设计的目的是树立学生的概括总结思想，理解能力、综合表达能力、团队协作能力。模块具体任务见表2。

表2 工业机器人操作与编程实训内容设计

3 工业机器人技术实训模块的具体实施

以“搬运机器人系统的应用”实训项目中基础操作模块为例，进行了“教、学、做、赛”一体化的教学设计。

3.1 任务描述

搬运机器人是指在环境恶劣的情况下，采用自动化水平代替人工效率低下，劳动强度大的一些工作，从而降低生产成本和一些安全风险。

本任务是在老师的指导下，将搬运过程进行现场操作，采用的设备是机器人IRB12，要求学生完成以下任务：

3.1.1 工业机器人工作台调整

通过操作工业机器人示教操作，使工业机器人分别沿X 轴、Y 轴运动，调整皮带工作台位置，使工作台与工业机器人相对位置正确，并固定工作台。

3.1.2 工业机器人示教编程

（1）通过工业机器人示教器示教、编程和再现能够实现拿起轮毂夹爪。抓起夹爪动作路径符合机器人抓起动作一般规范。

（2）通过工业机器人示教器示教、编程和再现在（1）的基础下，实现将1 号料仓的轮毂抓起后放置在要求位置上。要求放置动作路径符合机器人放置动作一般规范。

（3）通过工业机器人示教器示教、编程和再现，实现连续执行编程动作（2），自动拿起轮毂夹爪，将1 号料仓的轮毂抓起后放置在要求位置。

3.2 教、学、做、赛一体化教学模式

CBE 的教育模式必须以职业能力培养为主，在职业教育的过程中除了传统的教育学习，必须注重实践能力的培养。

“教”是以培养学生的动手实践能力为目标，以教师为主体，以学生为主导，组织形式多样、易于实施的教学活动[6]。教师通过深入企业调查研究，以职业分析为导向制定相应的人才培养方案，设置模块化的课程，除了教授学生必备的专业基础知识外，教学过程中要注重学生技能的培养，提升学生的专业技能。教师在实训过程中起到引导、监督、控制的作用。本模块实施过程中教师根据任务引导学生思考工业机器人操作的步骤及注意事项，讨论方案的可行性和优化性，对操作过程中的每个环节严格跟踪，遇到困难之处老师要给出示范，保证学生的安全，对存在的问题及时解决。

“学”与传统的学习不同，通过小组竞争的教学，激发每个同学的参与意识和竞争意识，同时提高学习的成就感和获得感。同时应用现代信息化教学手段，学生可以借助网络自行搜集相关资料，自主学习。以2019 级机电一体化一个班学生为例，一个班有三十多个学生，分成六组进行。学校工业机器人资源有限，学生可分段完成不同任务。CBE 教育理念以学生的自我学习为中心，根据具体的实训任务，各小组自己制定学习计划。学习方式和时间分配。本模块中学生分组讨论提出工业机器人运行最优方法和路径，如何快速准确的拿起轮毂夹爪，不仅考验学生操作过程中的细心耐心程度，还考验学生对系统功能的全面掌握。

“做”是指在实训教学体系方面，注重实训技能的培养，精简理论课时，强调实用性。积极引导学生多参与技能实训，变被动为主动，大大提高了学习成效。这不仅可以让学生提前感受真实生产环境，熟悉工作岗位所应掌握的知识和技能，也可以通过实训发掘优秀学生，为学生参加技能竞赛以及进入企业顶岗实习做好准备。本模块重点是现场实际操作，机电一体化专业的学生以男生为主，在保证安全的前提下，大部分同学都能够勇于尝试，并且熟练操作的同学会积极的指导其他同学，每人在操作时会出现不同的状况，小组成员共同协商，找出解决办法。通过协作学习和指导学习的方式，掌握了该模块所需的知识和技能，进一步提高了学生学习积极性和团队协作能力。

“赛”不仅指参加学院职业周比赛和各级各类技能竞赛，也指按比赛的要求严格要求学生，培养学生的团队协作能力和创新能力。近两年，学院指导老师带领学生参加省级国家级机器人竞赛，积累了一定的经验，获得了令人欣慰的成绩。本模块中，根据工业机器人抓起和放置物块动作规范严格要求，在操作、行为以及认知上形成规范的职业习惯和职业意识。遇到问题小组成员共同商讨解决，取得成绩一起分享收获，培养了学生的个人与团队意识，进一步培育了学生的职业素养。

3.3 教学评价

在模块任务实施过程中，教师对学生各个小组掌握知识、技能运用以及创新能力等方面进行客观详细的记录，并能够现场给予评价[7]。小组讲解完毕后对组员整体表现和成绩做出综合性的分析，对运用知识点较好的同学给予表扬，总结出学生学习的难点，并及时加强指导。本模块实施过程中，老师需要详细记录下每位学生操作过程中的表现，并根据任务中每个动作的执行情况给予相应的分数，让学生们发现自己需要改进的地方，树立学生的工作意识。

4 结语

《中国制造2025》明确提出，十大重点发展领域包括机器人和高档数控机床等[8]。工业机器人大规模应用的趋势已经非常明显，社会对工业机器人应用技术人才的需求不断增加。通过对CBE 教育模式进行分析，提出了基于CBE 理念的工业机器人操作与编程实训项目的模块化设计，基于企业对人才的需求，采用了“教、学、做、赛一体化”的教学机制，在保证较高培养质量的同时，可以有效加快培养出适应相关行业应用型人才，同时此教育模式的改革也在专业建设上取得了显著成果。