項(xiàng)目式教學(xué)法在工業(yè)機(jī)器人綜合實(shí)訓(xùn)的應(yīng)用與實(shí)踐

邱旋 王偉 李皓 黃晶 吳興高

摘要：工業(yè)機(jī)器人綜合實(shí)訓(xùn)是機(jī)器人工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)體系中的重要一環(huán)，本文運(yùn)用項(xiàng)目式教學(xué)法對(duì)工業(yè)機(jī)器人綜合實(shí)訓(xùn)的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了改革與實(shí)踐，結(jié)合現(xiàn)有設(shè)備，利用具體項(xiàng)目將課程中的知識(shí)點(diǎn)串聯(lián)起來，學(xué)習(xí)目的性強(qiáng)，學(xué)生知識(shí)掌握較好，提高了學(xué)生的動(dòng)手能力及工程應(yīng)用能力。

Abstract： Comprehensive Training of industrial robot is an important link in the practical teaching system of robot engineering specialty. In this paper， project-based teaching method is used to reform and practice the teaching content of comprehensive training of industrial robot， using specific items to link up the knowledge points in the course， the purpose of learning is strong， the students have a good grasp of knowledge， and improve the students'practical ability and engineering application ability.

關(guān)鍵詞：實(shí)踐教學(xué)體系;項(xiàng)目式教學(xué)法;改革實(shí)踐

Key words： practice teaching system;project-based teaching method;reform and practice

中圖分類號(hào)：G64? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）23-0249-03

0? 引言

《工業(yè)機(jī)器人綜合實(shí)訓(xùn)》是機(jī)器人工程專業(yè)的專業(yè)課程，是實(shí)踐性、操作性和工程性都很強(qiáng)的專業(yè)核心課。課程集電子、信息、視覺、自動(dòng)控制、數(shù)控技術(shù)于一體，一般在綜合學(xué)習(xí)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)、工業(yè)機(jī)器人示教編程與調(diào)試、工業(yè)機(jī)器人離線編程與仿真、工業(yè)機(jī)器人視覺技術(shù)等專業(yè)課程基礎(chǔ)之后開設(shè)。課程主要培養(yǎng)學(xué)生具備較強(qiáng)的實(shí)踐動(dòng)手能力、學(xué)習(xí)能力和技術(shù)創(chuàng)新能力，以適應(yīng)企業(yè)技術(shù)不斷更新的需要，為學(xué)生畢業(yè)后從事工業(yè)機(jī)器人專業(yè)相關(guān)工作打下必要的實(shí)踐基礎(chǔ)。

1? 項(xiàng)目化教學(xué)

項(xiàng)目化教學(xué)法，是師生通過共同實(shí)施一個(gè)完整的項(xiàng)目工作而進(jìn)行的教學(xué)活動(dòng)。教師安排課題任務(wù)，以項(xiàng)目的形式交給學(xué)生。在此期間，教師提出明確的項(xiàng)目任務(wù)，在教師的指導(dǎo)下，學(xué)生以小組協(xié)作的方式制定計(jì)劃，共同完成較為完整的作品。項(xiàng)目在完成時(shí)學(xué)生可以個(gè)人或團(tuán)隊(duì)形式進(jìn)行自我評(píng)估，接受教師以及學(xué)生的考評(píng)，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，促進(jìn)學(xué)生積極主動(dòng)的學(xué)習(xí)能力。

項(xiàng)目化教學(xué)模式圍繞項(xiàng)目開展教學(xué)工作，合理整合書本知識(shí)和學(xué)生所需掌握的技術(shù)，以工程項(xiàng)目為核心，滿足了學(xué)生的學(xué)習(xí)心理。此外，項(xiàng)目化教學(xué)模式有利于培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)意識(shí)，有利于促進(jìn)學(xué)生深度探索。另外，項(xiàng)目化教學(xué)模式還利于教師掌握學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握情況。該教學(xué)模式打破了原來的課程量化標(biāo)準(zhǔn)，充分發(fā)揮了學(xué)生的主體作用，由被動(dòng)接受轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)探求，拓寬了評(píng)價(jià)學(xué)生學(xué)習(xí)成果的標(biāo)準(zhǔn)，提升了學(xué)生解決實(shí)際問題的水平。采用項(xiàng)目化教學(xué)，學(xué)生能夠完全參與教學(xué)活動(dòng)，充分融入教學(xué)的各個(gè)環(huán)節(jié)，從最初的提出問題到最終的獲得答案，教師只是在扮演“導(dǎo)演”的角色。其次，以項(xiàng)目為載體。按照課程內(nèi)容設(shè)計(jì)相應(yīng)的任務(wù)，包括具體的工程案例、具體的工程問題等，學(xué)生根據(jù)自己收集的相關(guān)材料，回答教師在上課前提出的問題，使學(xué)生在做“任務(wù)”的同時(shí)，學(xué)到理論知識(shí)。再次，以實(shí)踐為導(dǎo)向。學(xué)生完成教師布置的任務(wù)，需要經(jīng)過多個(gè)環(huán)節(jié)，并且各個(gè)環(huán)節(jié)分別含有不同的理論知識(shí)，要保證學(xué)生在實(shí)踐的過程中獲取知識(shí)，并隨著任務(wù)的不斷深入，提高知識(shí)應(yīng)用能力。通過完成階段性的小目標(biāo)，最終達(dá)到整個(gè)教學(xué)過程的總目標(biāo)。各個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)緊密相連，把握好整體節(jié)奏，引導(dǎo)學(xué)生緊跟教學(xué)進(jìn)度。

2? 課程教學(xué)現(xiàn)狀

工業(yè)機(jī)器人綜合實(shí)訓(xùn)為集中實(shí)踐課程，教學(xué)周數(shù)為3周。目前3周的教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)包含以下教學(xué)內(nèi)容：博途PLC編程訓(xùn)練（4天），觸摸屏組態(tài)畫面設(shè)計(jì)（2天），PLC與機(jī)器人通訊（1天），寫字機(jī)器人工作站離線仿真設(shè)計(jì)（3天），寫字機(jī)器人實(shí)操（2天，）工業(yè)機(jī)器人視覺（3天），共15天。項(xiàng)目?jī)?nèi)容如表1所示。

從以上教學(xué)內(nèi)容可以看出，課程只是單獨(dú)對(duì)某個(gè)知識(shí)點(diǎn)的講授與練習(xí)，側(cè)重的是知識(shí)的講授，各知識(shí)點(diǎn)之間聯(lián)系不大，從目前的教學(xué)效果來看，不是很理想，對(duì)學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力鍛煉不足。

3? 項(xiàng)目化教學(xué)改革方案研究

針對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)中存在的問題，結(jié)合OBE教學(xué)理念，對(duì)工業(yè)機(jī)器人綜合實(shí)訓(xùn)的項(xiàng)目化教學(xué)方案進(jìn)行了研究和設(shè)計(jì)。首先是企業(yè)人才需求分析，學(xué)校的主要職能之一是為社會(huì)、為企業(yè)培養(yǎng)高素質(zhì)、技能型人才，企業(yè)的人才需求是學(xué)校課程設(shè)置、課程內(nèi)容選擇、課程設(shè)計(jì)、課程實(shí)施的依據(jù)。為針對(duì)性地提高學(xué)生的崗位勝任能力，首要任務(wù)是進(jìn)行企業(yè)人才需求分析。本課程的授課對(duì)象是機(jī)器人工程專業(yè)的學(xué)生，為掌握企業(yè)對(duì)員工知識(shí)、能力、素養(yǎng)等方面的新需求，探索企業(yè)用人新標(biāo)準(zhǔn)，本課程實(shí)施前采用問卷調(diào)研和訪談交流的形式，對(duì)機(jī)器人相關(guān)企業(yè)的最新崗位需求進(jìn)行了研究分析。結(jié)果顯示，企業(yè)提到了對(duì)員工現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備調(diào)試、PLC編程能力、機(jī)器人與其他設(shè)備通訊能力的需求，尤其是視覺技術(shù)的使用。

4? 項(xiàng)目式教學(xué)法在工業(yè)機(jī)器人綜合實(shí)訓(xùn)教學(xué)改革的應(yīng)用

我?，F(xiàn)有工業(yè)機(jī)器人綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)，如圖1所示，包含單工業(yè)機(jī)器人、基礎(chǔ)教學(xué)模組、搬運(yùn)碼垛出庫模組、視覺跟蹤模組，結(jié)合我們現(xiàn)有的設(shè)備，可將設(shè)計(jì)PLC控制三軸機(jī)械手搬運(yùn)出庫單元項(xiàng)目設(shè)計(jì);機(jī)器人搬運(yùn)碼垛工作站虛擬仿真設(shè)計(jì);基于視覺的機(jī)器人搬運(yùn)碼垛項(xiàng)目綜合調(diào)試;根據(jù)企業(yè)崗位對(duì)知識(shí)、技能、素養(yǎng)方面的要求，設(shè)計(jì)了3個(gè)具有難易程度遞進(jìn)關(guān)系的教學(xué)項(xiàng)目作為工業(yè)機(jī)器人綜合實(shí)訓(xùn)的教學(xué)內(nèi)容。首先由三軸機(jī)械手出庫單元將物料放置到上料傳送帶，再由工業(yè)機(jī)器人拾取放置到視覺跟蹤模組，視覺跟蹤模組模擬物料加工過程，最后再由機(jī)器人拾取放置到下料傳送帶，三軸機(jī)械手進(jìn)行入庫。

具體項(xiàng)目名稱與內(nèi)容見表2所示，通過表2所示的項(xiàng)目將常規(guī)教學(xué)中的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)都涵蓋了，而且加強(qiáng)了學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力的培養(yǎng)。

5? 實(shí)施過程

以“PLC控制三軸機(jī)械手搬運(yùn)出庫單元項(xiàng)目設(shè)計(jì)”為例，項(xiàng)目式教學(xué)分以下幾步實(shí)施：任務(wù)提出、任務(wù)目標(biāo)、相關(guān)知識(shí)、任務(wù)分析、任務(wù)制作。

任務(wù)提出：博途1200PLC編程所涉及的知識(shí)點(diǎn)較多，比如開關(guān)量的控制、模擬量的控制、實(shí)物接線、運(yùn)動(dòng)控制指令的用法、觸摸屏畫面的設(shè)計(jì)、PLC與外部設(shè)備的通訊等，結(jié)合現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)設(shè)備設(shè)計(jì)PLC控制三軸機(jī)械手搬運(yùn)出庫單元項(xiàng)目將涵蓋以上全部知識(shí)點(diǎn)，學(xué)生通過這一實(shí)際項(xiàng)目的練習(xí)，就能夠熟練運(yùn)用西門子1200PLC進(jìn)行一些工程應(yīng)用。

任務(wù)目標(biāo)：此項(xiàng)目教學(xué)的目標(biāo)是讓學(xué)生了解西門子S7-1200硬件接線，熟悉博途軟件的使用，能使用S7-1200PLC進(jìn)行開關(guān)量、模擬量的控制;掌握運(yùn)動(dòng)控制指令的用法，以及軸配置組態(tài)方法;掌握S7-1200PLC與其他設(shè)備通訊方法;掌握觸摸屏畫面制作方法;能利用S7-1200PLC編寫三軸機(jī)械手搬運(yùn)出庫單元控制系統(tǒng)程序，實(shí)現(xiàn)三軸機(jī)械手從出庫單元的多個(gè)工位為機(jī)器人拾取放置物料;并針對(duì)三軸機(jī)械手搬運(yùn)出庫單元項(xiàng)目設(shè)計(jì)人機(jī)界面的程序。

相關(guān)知識(shí)：掌握西門子1200PLC軸配置方法以及運(yùn)動(dòng)指令的使用方法，熟悉PLC與步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)電機(jī)的接線方法，通過控制程序的編寫及設(shè)備調(diào)試，逐步掌握PLC控制步進(jìn)電機(jī)順序控制程序的一般寫法。

任務(wù)分析：

在工業(yè)機(jī)器人綜合實(shí)訓(xùn)中，工業(yè)機(jī)器人作為項(xiàng)目的執(zhí)行單元，工業(yè)相機(jī)及傳送帶等都是機(jī)器人工作站的周邊設(shè)備，而PLC作為整個(gè)工作站的核心控制單元將工業(yè)機(jī)器人及周邊設(shè)備聯(lián)系起來，因此PLC部分的教學(xué)內(nèi)容非常重要，在三軸機(jī)械手出庫單元項(xiàng)目中既涉及到控制各個(gè)軸的步進(jìn)電機(jī)，又涉及到與機(jī)器人的通訊。在之前的實(shí)訓(xùn)教學(xué)中，僅是對(duì)PLC的基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)以及相關(guān)編程指令進(jìn)行了訓(xùn)練及實(shí)物練習(xí)，沒有采用項(xiàng)目化教學(xué)選擇一個(gè)綜合性的任務(wù)將各知識(shí)點(diǎn)串聯(lián)起來，學(xué)生認(rèn)識(shí)不夠，效果不佳。

“PLC控制三軸機(jī)械手搬運(yùn)出庫單元”項(xiàng)目應(yīng)當(dāng)作為一個(gè)大項(xiàng)目，里面也是由步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)電機(jī)的接線，博途軟件中軸配置方法，運(yùn)動(dòng)控制指令的運(yùn)用，人機(jī)界面的設(shè)計(jì)以及與機(jī)器人通訊組成。教師在講解此部分時(shí)，先讓學(xué)生在實(shí)物上熟悉單軸步進(jìn)電機(jī)如何接線與編程控制，然后在設(shè)備上進(jìn)行三軸出庫單元的練習(xí)，完成為機(jī)器人上料的任務(wù)，從而利用一個(gè)具體項(xiàng)目任務(wù)將各個(gè)知識(shí)點(diǎn)串聯(lián)起來，起到強(qiáng)化作用，實(shí)踐證明采用此種項(xiàng)目式教學(xué)法效果較好，學(xué)生帶著項(xiàng)目任務(wù)去學(xué)習(xí)，目的性強(qiáng)，印象深刻，掌握的知識(shí)點(diǎn)也比較好。

項(xiàng)目制作：前期通過對(duì)“PLC控制三軸機(jī)械手搬運(yùn)出庫單元”項(xiàng)目進(jìn)行了詳細(xì)的分析，但為了熟練掌握技能，還需進(jìn)行實(shí)踐操作，可對(duì)“PLC控制三軸機(jī)械手搬運(yùn)出庫單元項(xiàng)目”的任務(wù)要求稍作改動(dòng)，即每個(gè)出庫工位不一樣，每個(gè)學(xué)生的任務(wù)均不相同，讓學(xué)生自行編寫程序，要求三軸機(jī)械手要準(zhǔn)確的拾取物料并放到傳送帶上，為機(jī)器人上料，并在設(shè)備上驗(yàn)證結(jié)果，完成指定的搬運(yùn)出庫項(xiàng)目任務(wù)。

6? 工業(yè)機(jī)器人綜合實(shí)訓(xùn)課程實(shí)施過程考核

工業(yè)機(jī)器人綜合實(shí)訓(xùn)課程的考核可按照以上設(shè)計(jì)的3個(gè)項(xiàng)目分別進(jìn)行考核，每個(gè)項(xiàng)目的考核分為理論考核、過程評(píng)價(jià)和技能鑒定三項(xiàng)，理論考核主要是基礎(chǔ)理論知識(shí)的掌握，過程評(píng)價(jià)主要是每位學(xué)生在項(xiàng)目制作過程中的實(shí)操表現(xiàn);技能鑒定主要是每位學(xué)生對(duì)項(xiàng)目技能掌握情況的考查，能否獨(dú)立完成項(xiàng)目的設(shè)計(jì)任務(wù)，項(xiàng)目任務(wù)完成的效果功能如何。課程考核理論考核占25%，過程評(píng)價(jià)占35%，技能鑒定占40%。

7? 結(jié)論

工業(yè)機(jī)器人綜合實(shí)訓(xùn)是機(jī)器人工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)體系中重要的一環(huán)，通過項(xiàng)目式教學(xué)法結(jié)合現(xiàn)有設(shè)備對(duì)工業(yè)機(jī)器人綜合實(shí)訓(xùn)的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了改革與實(shí)踐，利用具體項(xiàng)目將課程中的知識(shí)點(diǎn)串聯(lián)起來，學(xué)習(xí)目的性強(qiáng)，學(xué)生知識(shí)掌握較好，提高了學(xué)生的動(dòng)手能力及工程應(yīng)用能力，大力推進(jìn)了我校機(jī)器人工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)體系的改革。

參考文獻(xiàn)：

[1]王偉，朱巖松，周耀瑞，何江波，楊博.項(xiàng)目式教學(xué)在《機(jī)電設(shè)備單片機(jī)控制》教學(xué)中的改革與探討[J].電子世界，2019（15）：20-21.

[2]胡偉偉，李奇奇，余春.工業(yè)機(jī)器人模塊化實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2021（14）：91-92.

[3]林誼，陳丙南，胡偉偉.實(shí)訓(xùn)用產(chǎn)線控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2021（14）：218-219.

[4]朱棟，馮成濤，儲(chǔ)開斌.“電子技術(shù)”課程設(shè)計(jì)的項(xiàng)目化教學(xué)改革探索——以數(shù)字化超聲波發(fā)生器電路為例[J].教育教學(xué)論壇，2021（35）：57-60.

[5]郭海軍.基于高職院校《新能源汽車底盤》項(xiàng)目化課程學(xué)生核心素養(yǎng)評(píng)價(jià)方式的探索與研究[J].時(shí)代汽車，2021（17）：89-90.

[6]楊高宏，趙小飛.淺析液壓氣壓傳動(dòng)課程項(xiàng)目化教學(xué)實(shí)訓(xùn)資源建設(shè)[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2021（16）：220-221.

[7]劉靜.項(xiàng)目化教學(xué)在“FPGA在汽車系統(tǒng)中的應(yīng)用”課程中的應(yīng)用與實(shí)踐[J].現(xiàn)代職業(yè)教育，2021（35）：86-87.

[8]孫國(guó)艷.基于雙元制的機(jī)械制圖測(cè)繪項(xiàng)目化教學(xué)研究與實(shí)踐[J].濟(jì)南職業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2021（04）：40-42，59.

[9]王延申.新課改下理實(shí)一體化教學(xué)在PLC課程教學(xué)的探索[J].農(nóng)機(jī)使用與維修，2021（08）：120-122.

[10]黃躍濤.基于學(xué)科項(xiàng)目化學(xué)習(xí)理論的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)——以“探究?jī)蓚€(gè)互成角度的力的合成規(guī)律”實(shí)驗(yàn)為例[J].教學(xué)月刊·中學(xué)版（教學(xué)參考），2021（Z2）：101-104.

[11]溫秀平，陳巍，黃家才，解乃軍，耿冉冉.基于項(xiàng)目化教學(xué)的創(chuàng)新型人才培養(yǎng)模式與考核評(píng)價(jià)方法研究[J].中國(guó)現(xiàn)代教育裝備，2021（13）：137-138，144.

[12]何志忠，楊華，魏亮，韓玉科.基于技能大賽的項(xiàng)目化實(shí)踐教學(xué)模式研究[J].汽車實(shí)用技術(shù)，2021，46（13）：153-155.

[13]束俊飛，周飛.工業(yè)機(jī)器人1+X技能等級(jí)證書與專業(yè)建設(shè)融合的研究[J].南方農(nóng)機(jī)，2021，52（17）：107-110.

[14]張國(guó)泉，駱少明，黃福，楊勇.循環(huán)加強(qiáng)體驗(yàn)教學(xué)模式構(gòu)建研究——以中職學(xué)?！肮I(yè)機(jī)器人操作與編程”課程教學(xué)為例[J].職教通訊，2021（08）：100-107.

[15]譚娟.“工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用與編程技能實(shí)訓(xùn)”漸進(jìn)式項(xiàng)目設(shè)計(jì)[J].南方農(nóng)機(jī)，2021，52（14）：141-143.