虚实一体化工业机器人仿真课程开发与实践＊

朱强，张宇，张冰洁，康国坡

（广东开放大学机器人学院，广东 广州 510091）

工业机器人专业是最近几年随着中国制造业产业升级对机器人人才需求而开设的一个新专业，截至2020 年，全国已经超过700 所高职院校成功申报了工业机器人技术专业，专业开设较早的院校，已经有几届毕业生进入劳动力市场[1]。

工业机器人专业主要培养能胜任工业机器人操作编程，工业机器人安装调试，自动化生产线安装、调试和维护工作任务的技术技能型人才[2]。各个高职高专院校为了培养能适应社会需求的合格人才，在设计人才培养方案时都有大量的实训教学学时，学生在毕业前需要经过大量的机器人操作实训才能满足毕业要求。

由于工业机器人及配套实训设备动辄几十万上百万一套，并且实训中机器人设备容易发生故障和损耗，许多院校采用离线仿真软件学习机器人编程和产线调试，在保证教学内容实施的前提下能大大降低对实体设备的需求，教学取得不错效果。但是现有的机器人仿真系统多是单台设备或者是机器人典型应用工作站的仿真训练，比较少借助OCTOPUZ 虚拟仿真软件平台和指尖陀螺智能制造实体产线设计工业机器人仿真虚实一体化课程“智能制造产线仿真与实践”[3]。

1 课程教学内容设计

智能制造产线系统是新一代信息技术、自动化技术、工业软件及现代管理思想在制造企业全领域、全流程的系统应用[4]。课程对应的是典型工作岗位——产线规划设计与仿真工程师岗位，要求员工负责智能工厂/生产线虚拟仿真规划并验证工艺流程、布局、设备、节拍的合理性，给出合理化建议；编写离线程序，使现场设备按照智能工厂理论运行，现实与理论相结合，并现场支持；输出虚拟仿真相关成果；参与跟踪项目实施、调试，解决过程中发生的问题，能很好地和客户及供应商沟通[5]。综合岗位要求，考虑教学与实践的可行性、学生理论与实践基础、项目完整性，课程教学内容为以一个典型的指尖陀螺产线项目为主体，包括从开始产线规划设计到最终产品产出的全生产流程，可实现机器人仿真、数控机床仿真、产线仿真及设备联机、联调，真实产线和仿真系统如图1 所示。

图1 指尖陀螺智能制造真实产线和仿真系统

教学具体内容包括指尖陀螺实体产线仿真、轴承盖加工制造、旋转翼加工制造、轴承定位安装、指尖陀螺装配、项目总结等，按照先后顺序设计成6 个教学项目，每个教学项目又划分为若干个教学任务，学时分配如图2 所示。

图2 “智能制造产线仿真与实践”教学内容

以项目2 轴承盖加工单元仿真与优化为例，该项目共12 学时，分为4 个教学任务。第1 个任务是利用前期真实产线生产任务分析与实体测量的建模模型，在仿真系统先把轴承盖加工单元搭建起来并完成电气和信号的连接；第2 个任务是在搭建好的仿真加工单元里完成机器人程序的编辑、调试与优化；第3 个任务是分组导出在调试完成的程序，下载到真实产线加工单元上完成实操验证，观察程序运行的效果，进一步优化各组的程序；第4 个任务是写出自己的项目总结和评价。

本门课程的实际教学产线只有一条，如果全部教学过程都在这条产线采用实体设备实操教学，就是单个班级的实训时间都不能满足，同时对实体产线造成的损耗也较大。通过分组形式，采用虚实一体化的模式教学，大部分实操都是在仿真系统完成，只有当程序调试完成后才进入产线实操，这样就可以同时满足多个教学班的教学需求，又不会影响对学生的技能训练。当6 个教学任务完成后，学生不仅从仿真系统里完成了从产线规划到机器人编程再到PLC 联调，同时也在实体产线验证了自己编写的程序，实现了产品生产的全控制过程。

2 课程教学环节实践

2.1 学情分析

本课程授课对象为工业机器人技术专业二年级学生，学生已具备“PLC 技术与应用”“机械工程CAD”“工业机器人操作与编程”“机器人三维设计”等基础知识及应用能力。经历过实训车间安全教育，具备基本的安全作业意识，但是团队协作意识仍需提高，还缺乏精益求精、反复求证的工匠精神。学生喜爱动手实操、喜爱探索式学习及讨论式学习；讨厌枯燥无味的灌输式理论教和监控式指导；班级个别学生存在学习不积极、沉迷手机游戏的现象。针对上述现象，课程教学增加微视频指导、细化操作手册和作业指导书内容，在考核时增加学生互助加分项，鼓励学生积极交流、帮助他人。

2.2 教学理念

2.2.1 “虚实”一体化

本课程坚持“学生与员工身份合一、学习与工程项目合一、教学与生产场景合一”的理念，构建“虚实”一体化的新型教学模式。以“1＋X”《工业机器人集成应用职业技能等级标准》（中级）为纲，以合作企业引入的智能制造仿真软件、校企共建的仿真平台为“虚”，以省级智能制造公共服务平台为“实”，理虚实结合，实现理论学习、规划仿真、现场测试的衔接融合。

2.2.2 “课、证、岗、赛”融通

课程对标《高等职业学校工业机器人技术专业教学标准》与“1＋X”《工业机器人集成应用职业技能等级标准》（中级），依托校企合作的指尖陀螺智能制造产线，通过虚拟仿真软件，完成了以产线仿真工程师岗位为中心的职业培训。以学生为中心，实现“课、证、岗、赛”融通的课程体系，建立“以赛促教、以赛促学、课证一体、工学融合”机制，提高学生学习兴趣与课程质量。

2.3 教学目标

本课程目标使学生具备从事工业机器人集成应用、智能产线规划仿真及装调维护工作的基本知识、基本技能，并形成一定的职业能力，教学中有机融入爱国教育、劳动教育、职业道德教育、工匠精神，培养学生立业创业的本领。具体在素质目标方面，学生要具有深厚的爱国情感，有较强的社会责任感和社会参与意识，具有质量意识、安全意识、创新思维、工匠精神和综合应用能力；在能力目标方面，学生要能根据典型工作任务完成仿真项目，能在离线编程软件中搭建并仿真智能制造产线系统，能根据工艺要求对集成系统进行联机调试与优化。

2.4 教学方法

本课程教学过程中，根据课前学情分析以及各项目需要达成的教学目标，灵活运用项目教学法、任务驱动教学法、角色扮演法和小组讨论法等用多种教法和学法。例如通过轴承盖加工单元项目引导师生共同实施一个完整工程项目，通过小组分工方式共同制定计划，完成项目。每个教学内容分成多个有代表性的教学任务，以完成任务作为教学活动的中心，学生在任务驱动模式下主动探索，相互协作找出完成任务的方法。项目实操任务安排在智能车间实训室，进行现场教学，给学生制定不同的生产角色，学、练、做相结合，以实例为媒质培养学生解决问题的技能和态度，缩短了理论课堂教学与实际生产应用的距离，极大地提高了教学的针对性和实效性

2.5 教学实践

本课根据各项任务不同，教学场地分别在教室（理论教学），一体化教室（仿真）及生产车间（实体设备操作），采用企业6S 标准，在教学实施过程中利用图书馆、知网、网络课程平台、Solidworks 三维设计软件、OCTOPUZ 智能制造系统仿真软件等资源，提升学习效率，拓宽学生获取知识的途径。

课程教学实施过程分为课前准备、课中导学和课后拓展3 个阶段，思政教育、劳动教育与职业素养贯穿全课程，如图3 所示。课前准备阶段，学生通读任务书，观看案例视频并完成相关测试；课中导学阶段，聚焦重难点，以项目任务驱动、案例分析为主，设计各教学环节，进行生生、师生多维问题探讨，并进行相关产线仿真与实操练习；课后阶段，学生完成仿真拓展练习，巩固所学内容。通过3 个环节环环相扣使学生从理论提升—分析巩固—知识深化进行逐步提高。

图3 教学实施过程

3 课程教学效果

课程利用仿真软件、视频、网络课堂平台等信息技术手段配合真实的指尖陀螺智能制造产线，以掌握技能为最终目的，逐步引导学生掌握和运用知识技能。通过多种教学方法，课程将真实产线实操、理论学习、虚拟仿真融为一体，以学生为中心，从理论基础、虚拟仿真、设备实践3 个维度对指尖陀螺产线进行学习，课程教学取得了良好效果，不仅加深了学生对专业技能和知识的掌握，还提升了学生对课程、专业及未来岗位的兴趣与期待。具体教学效果表现为以下3 个方面。

课堂质量好、学生兴趣高。采用校企合作方式，融入学生意向选择教学内容，课堂将任务探究性学习贯穿始终，结合一体化教学，形成了高效的教学实施。授之以鱼、授之以渔。课程由教师教授仿真项目相关理论与技能知识，逐渐向学生自己查找信息资料、完成项目规划仿真等项目相关文件过渡。不仅高效实现了课程知识目标，同时有效提高了学生的学习方法、职业素养与就业能力。劳动教育显成效，安全教育得巩固，工匠精神有提高，爱国情怀细入微。在教学设计有效融入劳动教育、安全教育、工匠精神与爱国教育，将国家对高职教育的要求融入教学过程，形成一种培育“工匠精神”的浓厚氛围。通过在教学中执行利用校企合作，引入企业标准、宣传爱岗敬业、追求极致的职业精神，加深学生对“工匠精神”的理解，提高“工匠精神”教育的实践效果。经过教学实践，在机器人编程比赛和数字孪生比赛中有8 个学生获得了省市级三等奖以上的成绩。

4 结束语

通过虚实一体化教学设计机器人智能制造产线仿真与实践课程取得预期教学效果，有效重构传统课堂教学。通过与企业的校企合作真实项目作为支撑，能够优化教学过程，提高教学效率。教学实践中，学生先后进行了翻转课堂、企业工程技术人员、评分与被评分者的角色扮演，从不同的角度和身份，完成了对产线规划、PLC 控制和机器人编程等相关内容的学习与实践。结合课程特色，课堂教学中充分融入了课程思政，增强职业认同感，培养爱国主义情怀，践行社会主义核心价值观。后期将继续加强实际案例和典型工作任务的联系来开发更多的虚实一体化教学项目。