《工业机器人工作站故障诊断与排除》课程一体化教学改革与实践

引言：工业机器人是智能制造的核心装备，其工作站故障诊断与排除能力是相关专业人才的核心竞争力。《工业机器人工作站故障诊断与排除》课程综合性强，传统教学模式难以实现对学生系统性实践能力和创新思维的培养。面对产业发展对人才能力提出的新要求，课程教学改革势在必行。本文旨在分析课程现状与改革必要性，并重点阐述教学改革的具体内容与实践策略，为同类课程建设提供参考。

一、课程教学现状与改革必要性分析

1. 传统教学模式存在的突出问题

传统教学模式通常将理论教学与实践教学安排在两个不同的时空进行，理论教师在教室中通过 PPT 和板书讲解故障机理、诊断流程等抽象内容，而实践指导教师则在实验室负责设备操作演示。这种割裂的教学安排导致了诸多问题：首先，严重理论与实践脱节，学生在理论学习阶段未能见到真实设备，对教师描述的故障现象和内部原理缺乏感性认识，只能死记硬背诊断步骤，一旦面对真实的、非典型的故障场景便无从下手。其次，教学内容更新缓慢，工业机器人技术迭代迅速，新机型、新控制器、新软件层出不穷，而教材内容往往滞后于企业实际应用的技术，导致学生所学与岗位所用存在较大差距。再次，教学资源与设备不足，工业机器人设备昂贵，学校实训台套数有限，常常是多名学生共用一台设备，人均动手操作时间严重不足，且频繁的误操作极易导致设备损坏，教学成本高昂且安全风险较大。最后，考核方式单一，往往侧重于期末理论考试或简单的实验报告，无法真实衡量学生解决复杂工程问题的综合能力，挫伤了学生深入探索的积极性。

2. 产业发展对人才能力提出的新要求

现代制造业需要的不仅仅是会操作机器的工人，更是能够理解系统工作原理、具备系统思维和创新能力的技术员或工程师。企业期望毕业生能够具备以下核心能力：一是系统化的故障诊断思维能力，能够遵循从现象观测、信息收集、原因分析、到方案制定与实施的科学流程；二是扎实的跨学科知识整合应用能力，能够融汇机械、电气、气动、编程等多领域知识来综合分析故障根源；三是熟练的安全操作与规范意识，严格遵守行业安全规程，确保人身与设备安全；四是良好的团队沟通与协作能力，因为实际生产中的故障排除往往需要多工种协作完成。显然，传统的教学模式难以系统化地培养这些能力，必须通过一场深刻的教学革命，将知识、技能、素养三者进行有机融合，在一体化的教学情境中完成对学生综合职业能力的塑造。

二、教学改革的具体内容与实践策略

1. 重构“模块化、任务驱动式”的课程内容体系

课程内容是教学的灵魂。改革后的课程内容彻底摒弃了按学科章节编排的模式，转而以工业机器人工作站常见的五大故障模块为框架，每个模块下设置若干具有代表性的真实故障诊断任务。例如，在“电气系统故障”模块中，我们设计了“机器人伺服电机过热报警处理”、“IO 模块通信中断排查”、“动力电源缺失故障检修”等任务。每一个任务都是一个完整的工作过程，包含了接受任务、信息收集（相关理论知识学习）、现象观察、原因分析、制定诊断计划、实施测量与排查、故障处理与验证、记录与归档等环节。学生以小组形式，在教师的引导下，直接面对这些任务，为了解决问题，他们必须主动去学习相关的电机原理、电气图纸识读、万用表与示波器的使用等理论知识和实践技能。这种设计使得知识的学习不再是孤立的和抽象的，而是变成了解决问题所必需的工具和素材，实现了理论与实践的即时融合与无缝对接，极大地增强了学习的针对性和实用性。

2. 推行“教学做评一体化”的课堂教学模式

在一体化教室中，我们全面推行了“行动导向”教学法，其核心流程为“任务发布 - 计划制定 - 决策实施 - 检查评价”。具体而言，课堂开始时，教师首先利用多媒体或仿真软件呈现一个故障现象，明确本次课的学习任务和目标。随后，学生小组围绕任务进行讨论，查阅技术手册、电路图等资料，共同制定初步的诊断计划与步骤，在此过程中，教师穿插进行必要的理论点拨和引导，这就是“学”的环节。计划制定后，小组分工协作，在真实的机器人工作站或仿真软件上执行诊断计划，使用各种工具进行测量、测试、参数修改等操作，这便是“做”的环节。在整个过程中，教师巡回指导，及时发现共性问题并进行集中演示讲解，即“教”的环节。最后，任务完成后，小组需进行汇报总结，展示其诊断思路、过程与结果，教师和其他小组则根据其操作规范性、逻辑合理性、团队协作性等进行提问和点评，即“评”的环节。这种模式将教、学、做、评四个环节紧密地交织在一起，形成了一个闭环，使学生始终处于主体地位，教师则扮演引导者、组织者和咨询者的角色，有效培养了学生的自主学习能力、实践动手能力和团队协作能力。

3. 深度融合虚拟仿真技术，构建“虚实结合”的实训体系

针对高危、高成本、高难度的故障难以在实物设备上直接设置的难题，我们引入了RobotStudio、KEBA 等虚拟仿真技术，构建了“虚实结合、以虚辅实”的多层次实训体系。在虚拟仿真的“数字孪生”环境中，学生可以大胆地进行各种操作和测试，例如模拟设置一个电机编码器故障或程序逻辑错误，观察机器人的异常表现，并安全地进行反复的排查练习，而不必担心损坏昂贵的实体设备。虚拟环境还允许学生进行离线编程和整个工作站的模拟运行，有助于他们从系统层面理解故障的关联性。在熟练掌握虚拟环境下的诊断流程后，再迁移到实体设备上进行验证和实操，极大地提高了学习的安全性和效率，扩展了实训项目的广度和深度。这种“先在虚拟中验证思路，再到实体上锤炼技能”的模式，不仅降低了教学成本和风险，更符合认知规律，有效锻炼了学生的系统思维和逻辑推理能力。

三、结束语

本次教学改革以产业需求为导向，通过系统性的课程内容重构与教学模式创新，有效解决了传统教学的诸多弊端，实现了理论教学与实践训练的高度融合。虚拟仿真技术的深度应用，突破了实训教学中的资源与安全瓶颈。实践证明，改革显著激发了学生的学习主动性，全面培养了其解决复杂工程问题的综合职业能力，为培养适应智能制造发展需要的高素质技术技能人才提供了有效路径。未来将持续深化产教融合，动态更新教学资源，以保持课程教学的先进性与有效性。

参考文献：

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