岳 剛，黃賢振，程貝貝

(1.天津交通職業(yè)學(xué)院，天津 300110；2.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)，天津 300222；3.天津光電安辰信息技術(shù)股份有限公司，天津 300000)

引言

隨著工業(yè)機(jī)器人專業(yè)人才需求逐步擴(kuò)大，職業(yè)院校開始培養(yǎng)相關(guān)人才并逐步擴(kuò)大招生規(guī)模，工業(yè)機(jī)器人專業(yè)從批準(zhǔn)招生到現(xiàn)在，幾年的時(shí)間里迅速擴(kuò)張，從教材、課程、網(wǎng)絡(luò)資源、大賽這四個(gè)方面來看都呈現(xiàn)著井噴的勢頭，發(fā)展一片大好。工業(yè)機(jī)器人專業(yè)是集成性很強(qiáng)的專業(yè)，包括了機(jī)械、電子、自動化等多方面的知識，工業(yè)現(xiàn)場也通常是綜合性的應(yīng)用，但在授課中發(fā)現(xiàn)，許多專業(yè)課尤其是工業(yè)機(jī)器人工作站系統(tǒng)集成、工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)離線編程與仿真、工控組態(tài)與現(xiàn)場總線技術(shù)這三門課的關(guān)聯(lián)性很強(qiáng)，但往往只能單獨(dú)進(jìn)行授課，學(xué)生所接觸到的知識是孤立的，只能通過課堂上老師口述了解本門課所學(xué)知識的實(shí)際應(yīng)用，無法切身體會，往往在工作后無法應(yīng)用所學(xué)知識解決實(shí)際遇到的復(fù)雜問題。因此，需要進(jìn)行面向工業(yè)機(jī)器人專業(yè)的多課程聯(lián)動機(jī)制探索。

一、多課程聯(lián)動教學(xué)的意義

進(jìn)行多課程聯(lián)動機(jī)制探索，不僅對工業(yè)機(jī)器人專業(yè)學(xué)生的知識理解及技能掌握有幫助，而且能幫助學(xué)生在逐個(gè)課程學(xué)習(xí)的同時(shí)建立復(fù)合型整體性的認(rèn)識能力。文章以《工業(yè)機(jī)器人工作站系統(tǒng)集成》《工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)離線編程與仿真》《工控組態(tài)與現(xiàn)場總線技術(shù)》三門課程為例，進(jìn)行多課程聯(lián)動教學(xué)機(jī)制的探索，尋求融合性多課程融合實(shí)驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)方案。在強(qiáng)化課程應(yīng)用性的同時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生建立整體的課程觀，從認(rèn)知的層次提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，擴(kuò)展學(xué)生對技能的應(yīng)用能力，打造技能優(yōu)化型課堂。

二、多課程聯(lián)動教學(xué)的思路

選定三門課程的課程內(nèi)容進(jìn)行整合，尋找可行的契合點(diǎn)。

工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)離線編程與仿真主要講解建立仿真工作站，是工作站的設(shè)計(jì)和仿真驗(yàn)證環(huán)節(jié)。在仿真工作站中，能直觀地看到工作站的整個(gè)運(yùn)行過程，包括機(jī)器人以及外部運(yùn)動部件的運(yùn)動與配合；能實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與外部設(shè)備的I/O或數(shù)據(jù)通信；能編寫和調(diào)試機(jī)器人運(yùn)行程序。在建立仿真工作站時(shí)，對于工業(yè)機(jī)器人以外的運(yùn)動部件，需要進(jìn)行一定的簡化，例如AGV簡化為長方體。讓學(xué)生依據(jù)現(xiàn)有的實(shí)際工作站進(jìn)行仿真工作站的建立，能夠訓(xùn)練學(xué)生的簡化模型能力、編程能力、整體設(shè)計(jì)能力，但通常仿真工作站中的機(jī)器人程序不會拿到實(shí)際機(jī)器人中運(yùn)行調(diào)試，缺少了必要的現(xiàn)實(shí)驗(yàn)證環(huán)節(jié)，可以將程序的現(xiàn)實(shí)驗(yàn)證作為契合點(diǎn)，在工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)集成課上進(jìn)行實(shí)際調(diào)試驗(yàn)證，幫助學(xué)生建立虛擬與現(xiàn)實(shí)的聯(lián)系。

工控組態(tài)與現(xiàn)場總線技術(shù)主要講解工業(yè)現(xiàn)場各設(shè)備間通信控制、操作界面設(shè)計(jì)、總線接口調(diào)試等技能，在課上針對實(shí)際機(jī)器人工作站的場景進(jìn)行組態(tài)和總線調(diào)試，雖然涉及硬件的調(diào)試和控制界面的調(diào)試，但往往僅限于信號的交互，并沒有總體的運(yùn)行調(diào)試。因此可以將整個(gè)工作站的聯(lián)合調(diào)試作為契合點(diǎn)，在工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)集成課上進(jìn)行調(diào)試驗(yàn)證，幫助學(xué)生建立兩門課程的聯(lián)系。

工業(yè)機(jī)器人工作站系統(tǒng)集成課，主要涉及硬件選型、系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)施，在實(shí)際教學(xué)中往往只進(jìn)行紙面上的分析設(shè)計(jì)，或針對實(shí)際工作站進(jìn)行分析，理論性比較強(qiáng)，學(xué)生無法直觀地體驗(yàn)到系統(tǒng)集成的應(yīng)用場景。因此可以將工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)離線編程與仿真課上編寫的程序、工控組態(tài)與現(xiàn)場總線技術(shù)課上編寫的控制界面、總線陪著放到工業(yè)機(jī)器人工作站系統(tǒng)集成課上，將總調(diào)試作為契合點(diǎn)，即實(shí)現(xiàn)了實(shí)際調(diào)試，也為學(xué)生建立了相互聯(lián)系的課程體系，增強(qiáng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

在課程分工方面，工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)離線編程與仿真課上可以進(jìn)行已有場景的搭建，通過建立整個(gè)工作站的模型，在工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)離線編程與仿真課上使工作站按照已有的方案運(yùn)行，幫助學(xué)生理解整體工作站的運(yùn)行過程，之后在工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)離線編程與仿真課上完成程序的編寫；在工控組態(tài)與現(xiàn)場總線技術(shù)課上繪制控制界面，將需要的控制按鈕以及調(diào)試參數(shù)顯示在觸摸屏上，為實(shí)際工作站的調(diào)試和運(yùn)行打下基礎(chǔ)；最后在工業(yè)機(jī)器人工作站系統(tǒng)集成課堂上進(jìn)行總體調(diào)試，包括機(jī)器人程序的調(diào)試、組態(tài)界面的調(diào)試以及工作站其他組件的運(yùn)行調(diào)試，完成由虛擬走向?qū)嶋H的升華。在課程評價(jià)方面，依據(jù)項(xiàng)目在三門課上各自占有的課時(shí)量進(jìn)行評分的加權(quán)匯總。

三、多課程聯(lián)動教學(xué)實(shí)施過程

(一)課程總體分工

將整個(gè)實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)拆分為三個(gè)部分，分別在三門課程中進(jìn)行完成，在整體上三門課程以實(shí)訓(xùn)室現(xiàn)有工作站為設(shè)計(jì)目標(biāo)，對工作站各模塊進(jìn)行分解，分為工業(yè)機(jī)器人仿真模型構(gòu)建、工業(yè)機(jī)器人程序編寫、現(xiàn)場總線通信、組態(tài)監(jiān)控界面構(gòu)建、工作站調(diào)試這幾個(gè)方面，并最終在工業(yè)機(jī)器人工作站系統(tǒng)集成課上進(jìn)行總體調(diào)試和實(shí)現(xiàn)。

依據(jù)各任務(wù)所需的時(shí)間確定具體課程分工和課時(shí)量，如表1所示。同時(shí)在三門課上對學(xué)生的表現(xiàn)分別打分，并在工業(yè)機(jī)器人工作站系統(tǒng)集成課上參考前兩門課學(xué)生的任務(wù)完成情況進(jìn)行總體分?jǐn)?shù)的匯總。

表1 課程總體分工

(二)實(shí)訓(xùn)內(nèi)容選取

在工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)離線編程與仿真課堂上，以實(shí)訓(xùn)中心現(xiàn)場場景為藍(lán)圖，如圖1所示，以機(jī)器人、AGV、傳送帶為實(shí)施工具在RobotStudio軟件中建立模型，如圖2所示，并通過Smart組件以及機(jī)器人程序讓整個(gè)仿真模型按照設(shè)定好的方案進(jìn)行運(yùn)動。具體動作模式為AGV將承載有工件的托盤運(yùn)送到傳送帶的起點(diǎn)，并將托盤輸送到傳送帶上，由傳送帶將托盤輸送到機(jī)器人抓取位置，機(jī)器人將工件取走，傳送帶反向運(yùn)動將空托盤傳遞給AGV，AGV將空托盤運(yùn)輸走。

圖1 實(shí)訓(xùn)中心現(xiàn)場場景

圖2 離線編程課堂建立模型

在模型建立過程中，通過現(xiàn)實(shí)場景和虛擬場景的結(jié)合，對現(xiàn)實(shí)模型的合理簡化，引導(dǎo)學(xué)生建立正確的仿真觀念，建立虛擬與現(xiàn)實(shí)之間的聯(lián)系，將課程所學(xué)在現(xiàn)實(shí)中進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，能夠培養(yǎng)其技能操作的自信。

在工控組態(tài)與現(xiàn)場總線技術(shù)課堂上，結(jié)合虛擬場景的運(yùn)行過程，完成運(yùn)行控制界面的搭建；在工作站系統(tǒng)集成課堂上，將虛擬場景中編寫的程序?qū)氲浆F(xiàn)實(shí)場景中，通過運(yùn)行控制界面完成現(xiàn)實(shí)場景的控制，從而完成從虛擬場景到現(xiàn)實(shí)場景的回歸。

(三)課程實(shí)施細(xì)則

在工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)離線編程與仿真課堂上，通過構(gòu)建現(xiàn)場場景，感受虛擬與真實(shí)的比例關(guān)系，學(xué)習(xí)模型的簡化及替代、信號的走向、探究整個(gè)場景系統(tǒng)中的運(yùn)動關(guān)系、信號關(guān)系、屬性關(guān)系，編寫程序，培養(yǎng)其面向?qū)嵺`的操作能力。通過編寫機(jī)器人程序，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動，并依據(jù)實(shí)際工作站狀態(tài)，建立機(jī)器人與AGV、傳送帶之間的信號關(guān)系，訓(xùn)練學(xué)生的簡化模型能力、編程能力、整體設(shè)計(jì)能力。最后在仿真中對整個(gè)工作過程進(jìn)行檢查，對不符合實(shí)際的場景和動作進(jìn)行修正，最終讓學(xué)生能夠在編寫機(jī)器人程序的同時(shí)，縷清整個(gè)系統(tǒng)中各運(yùn)動部件之間的運(yùn)動、信號等關(guān)系，為后續(xù)調(diào)試打下基礎(chǔ)。

在工控組態(tài)與現(xiàn)場總線技術(shù)課堂上，實(shí)現(xiàn)信號的交互、總線參數(shù)設(shè)定，依據(jù)工作站控制需要，編寫整體控制界面，進(jìn)行信號及狀態(tài)的控制、顯示，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行的控制及運(yùn)行過程的監(jiān)控。針對實(shí)際機(jī)器人工作站的場景進(jìn)行組態(tài)和總線調(diào)試。

在工業(yè)機(jī)器人工作站系統(tǒng)集成課堂上，將工業(yè)機(jī)器人程序、總線信號的交互、各運(yùn)動部件的動作配合進(jìn)行總體的運(yùn)行調(diào)試，從而將虛擬調(diào)試的內(nèi)容復(fù)現(xiàn)到實(shí)際場景中，實(shí)現(xiàn)虛擬調(diào)試的現(xiàn)實(shí)落地，通過對工業(yè)機(jī)器人程序進(jìn)行調(diào)試，標(biāo)定程序中的目標(biāo)點(diǎn)、工具坐標(biāo)、工件坐標(biāo)，使虛擬與現(xiàn)實(shí)真正結(jié)合起來。進(jìn)行組態(tài)調(diào)試，測試控制信號、傳感器信號的正確性。最后進(jìn)行總體運(yùn)行調(diào)試，最終完成整個(gè)實(shí)訓(xùn)過程，通過實(shí)際調(diào)試驗(yàn)證，幫助學(xué)生建立虛擬與現(xiàn)實(shí)的聯(lián)系。

通過三門課程的聯(lián)動，在授課中找到課程間的契合點(diǎn)，充分地將工業(yè)機(jī)器人專業(yè)人才培養(yǎng)方案中的專業(yè)課程緊密聯(lián)系起來，共同組成一個(gè)完整系統(tǒng)，幫助學(xué)生建立全局及聯(lián)系的觀念，為學(xué)生展示了工業(yè)現(xiàn)場編程調(diào)試的全過程，從仿真到實(shí)踐的遞進(jìn)的過程中，學(xué)生親身經(jīng)歷了仿真編程、實(shí)踐操作的完整過程，能夠從自身經(jīng)歷的中體驗(yàn)到三門課程緊密的關(guān)系，也能夠更好的理解三門課程的意義以及應(yīng)用，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和動力。

四、課程評價(jià)機(jī)制

在評價(jià)環(huán)節(jié)，本次實(shí)訓(xùn)過程共涉及三門課程，按照實(shí)訓(xùn)過程的課時(shí)量組成，對三門課程的打分分別確定權(quán)重，最終得到綜合評定的方式進(jìn)行評價(jià)。設(shè)計(jì)的總課時(shí)量為16課時(shí)，滿分100分，則每課時(shí)任務(wù)賦分6.25，由任課老師依據(jù)學(xué)生表現(xiàn)情況進(jìn)行打分，三門課程的權(quán)重見表2。

表2 課程評價(jià)權(quán)重

五、教學(xué)改革的預(yù)期效果

依據(jù)各課程已有的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，制定了用于多課程融合實(shí)驗(yàn)的《工業(yè)機(jī)器人綜合實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)書》，經(jīng)過兩屆學(xué)生，共120人的實(shí)際授課驗(yàn)證后，逐漸完善并依據(jù)授課效果進(jìn)行了微調(diào)，最終成型。在授課過程中，學(xué)生的上課積極性明顯提升，對于自己編寫的程序?qū)嶋H上機(jī)調(diào)試躍躍欲試，學(xué)習(xí)效果良好。課程融合一方面加強(qiáng)了教師間的交流合作，加強(qiáng)了專業(yè)課程的整體性，避免了某些知識點(diǎn)的重復(fù)講解，增強(qiáng)了課程之間的聯(lián)系；另一方面通過進(jìn)行多課程的融合，能幫助學(xué)生建立良好的全局觀念，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，強(qiáng)化其專業(yè)知識的應(yīng)用能力，逐漸建立運(yùn)用所學(xué)知識綜合解決問題的能力。

結(jié)束語

以工業(yè)機(jī)器人的三門專業(yè)課為例，綜合各專業(yè)課程之間的聯(lián)系，探討多課程融合授課模式，基于工業(yè)現(xiàn)場崗位要求，進(jìn)行課程實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，對多課程聯(lián)動教學(xué)實(shí)施過程、評價(jià)機(jī)制進(jìn)行了詳細(xì)舉例說明。多課程融合的教學(xué)模式促進(jìn)了技能課程的聯(lián)動融合，能夠幫助學(xué)生逐漸建立運(yùn)用所學(xué)知識綜合解決問題的能力，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。