新形势下技工院校工业机器人教学实践与探索
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摘 要：机器人在21世纪的应用将会更加普及。社会对机器人技工人才提出了更高的要求，常规的教学手段已不能满足机器人教育对人才的要求。本文针对机器人教学的特点，从机器人教学方法、实训教学建设、师资队伍建设三个方面对新形势下技工院校的机器人教学进行了探索研究。
关键词：机器人教学方法 实训建设 师资队伍
随着社会的进步和科技的发展，社会人力成本不断提高，劳动者在技能方面的欠缺导致先进技术的应用出现瓶颈。进入21世纪以后，智能机器人必将全面应用于生产。做好机器人技术教育，培养大批优秀的高技能机器人应用型人才，是当今新形势下技工院校面临的挑战。
一、机器人教学方法
机器人的学习过程融合了计算机、机械、电子、通讯、控制、声、光、电、磁等多个学科领域的知识。因此机器人教育和传统的学科教育区别很大。单纯的机械、电气、计算机等学科的学习只能作为学习机器人的基础。机器人的教学应该是一个系统的架构，学生在掌握各学科的同时要对计算机整体系统有更为深入的了解，这需要在教学过程中采用多种方法积极引导，使学生在思考的过程中将各学科的知识有机地串联起来。
1.多基础学科交叉学习，联合启发
在传统的基础学科教学中，如电机控制实训中教师只针对电气线路进行讲解，钳工实训则只进行金工方面的技能教学。这种模式的教学在过去取得了一定的成果，但是在面向机器人的教学时，由于不能将各学科进行有效地串联，因此难以形成機器人学习的基础。
新形势下，应该交叉教学，比如在讲解电机控制小车往返控制的章节中，应该对小车的机械运动特点进行分析，如小车机械传动出现问题，导致小车无法顺利行进等种种情况。电气控制线路和机械知识的相互结合，使学生能够充分理解各学科的交叉融合，为学习机器人打下基础。
2.机器人专业方向课程设置
传感方面课程：图像处理、计算机视觉、卡尔曼滤波、信息融合。
认知：机器学习、人工智能。
驱动：自动控制原理、线性控制理论（线性空间理论）、非线性控制理论、计算机控制/数字控制、 机器人导论、机器人控制、非各向同性机器人控制、路径规划、数模电子线路、信号与系统、各种电子线路设计知识、机械设计、工程制图。
这些不需要全部都懂，但至少要专攻一个方向，其他方向略懂，比如专攻控制和路径规划。
3.行为导向教学
行为导向教学以学生为主体，通过问题驱动学生的积极主动思考。在教学过程中，通过积极的发问，以学生的讨论为主，教师在整个教学过程中起引导的作用。这种教学方法可以充分发挥学生的主体作用，积极调动学生学习的主观能动性，培养学生分析问题、解决问题的能力。在解决问题的同时，学生充分将所学到的各学科知识主动进行＂融会贯通＂，解决问题的能力也得到了提高。学生取得了成就感和激励，使学习的过程变得更有挑战。教师还可进一步建立奖励机制。各种方法共同作用下，使机器人学习变得更加生动有趣。
4.鼓励创新
＂创新＂是科技进步的源泉。学生在学习的过程中，受思维定式的影响较轻，往往会出现一些大胆的充满新意的想法。在遇到这些情况时，教师绝不应该漠视甚至打击，应该积极针对学生这些想法进行分析假设，甚至在有条件的情况下付诸实践。21世纪技工院校培养的是熟练的高技能人才，更是充满创新精神的高技能人才。只有大胆鼓励创新，才有可能出现大量的优秀的国家需求的创新型技能人才。
二、实训教学建设
1.实训室建设
机器人教学实训室应具有信息化、多媒体化的课堂，配备有满足多个班级同时实训的电脑、桌椅、机器人设备等必备条件。机器人教学的设备应该是集成化的、模块式的，在便于学生学习的过程中进行拆解。分组式的实训台面有利于学生在学习的过程中锻炼团队协作的能力。合理的桌面布局能够帮助学生养成＂6S＂的良好工作习惯。
ABB工业机器人综合实训装置组成是由工业机器人工作站、码垛工作站、装配工作站、弧焊轨迹练习工作站、模拟喷涂工作站、多功能翻转工作站等组成。典型的机器人实训室如图1所示。
2.灵活的实训方法
由于客观条件限制，实训室的教学设备有限，机器人实训设备只能有条件地进行购置。在实训教学中，针对特定的机器人实训设备，不应单纯以＂说明书式教学＂的方法进行讲解。例如在完成机器人的某一功能的过程中，可以主动设置故障点，引导学生独立思考排查，通过分析和解决问题加深学生对设备的理解。与此同时，在机器人原有功能的基础上，鼓励学生进行大胆思考和创新，开发更多的原本不具备的功能，在不损坏实训设备的前提下，尽可能地以丰富多样的灵活的实训方法，使学生更加深入地进行机器人的学习。
4.虚拟仿真教学
在设备短缺的情况下，采用工业机器人虚拟仿真软件进行机器人的学习。以ABB公司的RobotStudio软件为例，RobotStudio软件是ABB机器人公司的一款离线机器人编程与仿真工具， 使用图形化编程、编辑和调试创建机器人的运动，并模拟优化现有的机器人程序。图2为采用RobotStudio软件模拟的应用于医药行业的机器人。
虚拟仿真教学使学生直观地观察仿真软件观察机器人的动作过程，同时通过编程离线调试并模拟现场画面。在这个过程中，学生的软件编程水平得到了提高，弥补了设备短缺造成的缺憾。
三、师资队伍建设
有一支热爱机器人教育事业并具有较高科学素养的师资队伍是开展机器人教学的重要前提条件。由于技工院校存在的＂知识老化＂、教师老龄化严重等各种问题，在师资队伍建设方面，需要从以下几方面着手。
1.引进现场经验丰富的工程师人才
新形势下，铁饭碗逐步被打破，校企之间的人才流动愈加频繁。教学经验丰富的教师在技能上可能稍有不足，现场经验丰富的工程师在教学能力上还需稍加磨练和指导。通过人才引进的方式，吸引优秀的工程师人才长期或定期进入教育行业，能够提高校内教师的技能水平，同时使教学过程更加贴近现场。
2.丰富多样的教师培训和激励手段
通过多媒体网络课堂、校企联合师资培养等多种手段，为教师专业能力的提高创造学习条件，邀请各领域专家、教师到校开展讲座，交流促进，共同发展。同时，从事机器人教育的教师也应充分意识到机器人技术发展日新月异，必须牢固树立不断学习的教育理念。
通过对取得成果的教师进行物质上和精神上的奖励，引导学校形成教师之间相互競争、相互促进的良好氛围，激励教师积极改进教学方法，主动进行科研及教学探索。在这种你追我赶的学习氛围下，才能形成良好的发展的机器人教学团队。
3.积累创新，开发校本教材
在不断进行教学改进和探索的同时，要及时对取得的教学成果及教学中的不足进行总结，在总结中逐步摸索出一套适合本校的、具有特色的教学方案。
由于各学校的实训室配备不尽相同，传统单一的教材无法满足机器人教学的要求。针对本校的机器人设备，逐步形成自己独立的校本教材。
4.积极参赛，以赛代练
国家非常重视机器人教育的发展，因此每年都会组织大量的机器人比赛。在机器人教学的过程中，采用教师带队，学生为主体的方式，以赛代练。通过校内比赛竞争，选拨优秀的学生参加各种比赛。比赛使学生在得到锻炼的同时，也使教师将比赛中的经验再次代入到日常的教学过程中，提高机器人教学的水平。
四、小结
系统化的教学对专业教师的知识面提出了更高的要求。将各学科的知识在教学过程中有机的串联到一起，是对新形势下工业机器人专业教师提出的挑战。同时，＂行为引导法＂的优势在工业机器人教学中体现得更加淋漓尽致。只有让学生成为课堂的主体，才能使学生分析解决问题的能力得到逐步提升，才能培养出具有创新精神的21世纪的高技能人才。
现代化的实训室、模块化的实训设备、配合灵活的仿真软件，都是为了更加准确地模拟出现场的实际工况。学生如身临其境，才能得到熏陶和感染。在实训中，尤其要注重对学生＂6S＂工作习惯的培养。
以中青年教师为主、激励机制健全的教师队伍是工业机器人教学的基石。现场经验丰富的工程师，通过交流和讲座，能够成为工业机器人教学的重要补充。通过＂以赛代练＂＂校本教材＂等各种措施，最终形成适应新时代发展的、具有学校特色的工业机器人教学。
参考文献：
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[2]雷静桃，刘亮，张海洪.＂机器人学＂课程教学改革与实践[J].实验室研究与探索，2013（5）.
[3]李鸣华.机器人教育的教学设计[J].中国电化教育，2007（8）.
[4]Christine Connolly.ABBRobotStudio的技术与应用[J].机器人应用与技术，2009（6）.