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2023年2月18日发(作者：)基于K5示教法的自动化焊接实践教学改革初探
曲芳;沈斌;岳旭东;刘存宪;海波;高路
【摘要】在自动化焊接的学生实践教学环节中，学校需投入大量的人力、物力和
财力，以保障实践教学工作的有序进行。然而，部分高校由于受到各方面条件的限
制，不得不减少或取消实践教学环节，这对于提高学生的实践动手能力造成了很大
的阻碍。拟利用黑龙江科技大学实训中心现有设备：奥地利IGM公司的RTI330
型自动化焊接机器人，针对该校材料学院焊接专业在校学生，采用K5示教器模拟
实践操作环节，通过人机交互界面以示教的方法让学生更多地去感受实际焊接过程，
使更多学生得到实践锻炼的机会，为自动化焊接实践环节节省了材料和设备。在整
个教学环节中，既发挥了教师的主导作用，又体现了学生的认知主体作用，真正实
现了产学一体化，学做合一，为用人单位培养出适应行业发展的应用型焊接人
才。%Inthesegmentofthestudents\'automaticweldingpractice
education,theuniversitiesneedtoinvestmentingenerousmanpower,
materialandwealthinordertoinsurethepracticeeducationworktocarry
r,partoftheuniversitiesareenslavedtothe
conditionsinalldirection,theyhavetoreduceorcancelthesegmentof
thepracticeeducation,thisactioncreatesimpedimentofenhancingthe
students’tousetheexisting
automaticweldingrobotequipmentofthecenteroftrainingandpractice
inouruniversity,whichisfromIGMcompanyofAustriawiththeversionof
RTI330,focusesonthestudentswhosemajorisweldingofMaterial
ScienceInstitute,useK5demonstrateeducationimplementtosimulation
thesegmentofthepracticemanipulation,bymeansofhuman-computer
interactioninterfaceandthedemonstrateeducationmethodtoletthe
studentstofeeltherealityweldingprocessstillmore,getmorechancesof
practiceandsavemorematerialsandequipmentsforthesegmentofthe
egmentofeducationwebothexert
theleadingfunctionoftheteacherandreflectthecognitionmainpart
functionofthestudents,realizeproduceandstudyunifyindeed,studyand
practiceunity,trainapplicativeweldingtalentwhoaresuitfortheindustry
developmentfortheemployingunit.
【期刊名称】《价值工程》
【年(卷),期】2016(035)008
【总页数】3页(P157-159)
【关键词】示教法;模拟;实践教学;自动化焊接
【作者】曲芳;沈斌;岳旭东;刘存宪;海波;高路
【作者单位】黑龙江科技大学实训中心，哈尔滨150022;东北农业大学工程学院，
哈尔滨150030;黑龙江科技大学安全工程学院，哈尔滨150022;黑龙江科技大学
实训中心，哈尔滨150022;黑龙江科技大学实训中心，哈尔滨150022;东北农业
大学工程学院，哈尔滨150030;黑龙江科技大学实训中心，哈尔滨150022;东北
农业大学工程学院，哈尔滨150030
【正文语种】中文
【中图分类】G642
2010年的《基础教育课程改革纲要》明确指出，要全面实施素质教育，重点培养
学生的创新精神和实践能力[1]。由此，突出对学生实践能力的培养也成为了工科
专业基础教育重要的任务和使命[2]。本着“用明天的科技，培养今天的学生，为
未来服务”的育人宗旨，积极进行工科专业教学活动的实践探索，对于基础学科专
业建设和培养学生的实践能力都是十分有益的[3]。基于以上认识，黑龙江科技大
学实训中心针对材料学院焊接专业在校学生开展了关于自动化焊接实践教学的改革
活动，以培养宽口径、厚基础、重实践、强能力和高素质的应用型人才为目标，以
实践教学改革为突破口，不断深化实践教育教学水平，凸显科学创新精神[4-6]，
提高自动化焊接人才培养质量、综合职业素养和就业适应能力。
然而，在自动化焊接的学生实践教学环节中，学校需要投入大量的人力、物力和财
力，以保障实践教学工作的有序进行，而部分高校由于受到各方面条件的限制，不
得不减少或取消实践教学环节，这对于提高学生的实践动手能力造成了很大的阻碍。
近年来，随着示教演示和仿真模拟技术的不断发展，我国部分高校已将示教仿真法
引入自动化焊接专业实践教学环节中，将数值模拟技术与物理模拟和人工智能技术
相结合，以达到模拟实际焊接过程的目的。这一举措不但为高校实践环节节省了材
料和资金[7]，使更多的学生得到了实践锻炼的机会，激发了学生的学习兴趣[8]，
避免出现各种安全事故，克服了初次焊接的恐惧心理，建立了学生的自信心[9]，
全面提升了学生的素质水平[10]，实现了自动化焊接教育课堂化，目前在部分高校
已取得了显著的教学效果[11]。
黑龙江科技大学目前在自动化焊接实践教学环节也存在着耗费较大的问题，且有为
数较多的同学惧怕初次焊接，少数不听讲的同学在实践环节出现了操作事故。鉴于
以上情况，拟在该校材料学院焊接专业学生自动化焊接实践教学环节引入K5示教
法，以解决焊接实践中遇到的问题。
所谓K5示教法，即针对该校实训中心现有设备：奥地利IGM公司的RTI330型
自动化焊接机器人，利用配套的K5示教器预先调整好焊枪姿态，再将焊件的焊接
起始点、参考点、空间过渡点和结束点预先行走一遍，计算机便自动计算出各步点
的位置和参数，并快速记录并存储下来各点的特性。当重新运行自动化焊接程序后，
焊接机器人便会按照预先规划好的路径进行重复的示教位姿再现，将数值模拟技术
与物理模拟和人工智能技术相结合，以达到模拟自动化焊接过程的目的。
这一教学方法的改革，既发挥了教师的主导作用，又充分体现了学生的认知主体作
用[11]。为实践教学环节节约了材料和设备，使更多的学生得到了实践锻炼的机会，
有效帮助学生形成正确的焊接概念，掌握准确的焊接理论，在实践中积累实战经验，
克服初次焊接的恐惧心理，同时较好地满足了焊接教育以就业为导向，产学研结合
学做合一，课程与岗位零距离的教学要求。
2.1教学内容的制定
自动化焊接实践课程是一门在大二下学期开设的技术基础课，是焊接专业学生练习
自动化焊接的基本途径和方法，实现由普通的手工电弧焊逐渐过渡到自动化焊接的
一体化实践教育，培养学生的工程素质和创新实践能力，有助于学生形成良好的劳
动观念和理论联系实际的科学作风，帮助学生建立起责任、安全、质量、创新、环
保、社会和竞争等工程意识。基于以上这些教学目的和要求，拟选择以下六个方面
内容作为示教模拟实践教学的重点内容：
①直线焊缝程序示教模拟；
②圆弧焊缝程序示教模拟；
③T字型焊缝程序示教模拟；
④电弧传感寻踪定位程序示教模拟；
⑤样板焊缝程序示教模拟；
⑥1D步点域转移操作示教模拟。
这些教学内容的制定同时也考虑到用人单位对毕业生的岗位需求，制定出适宜的人
才培养方案和培训内容，使学校的人才培养目标与企业岗位需求和就业要求紧密对
接，做到有的放矢，避免了人才培养的盲目性。
2.2教学设施的组成
黑龙江科技大学实训中心的焊接机器人训练室目前拥有：9个计算机终端和奥地利
IGM公司专门设计生产的一套完整的数控焊接机器人培训系统，可同时接纳2～3
个班级的学生进行上机示教模拟训练。
该训练系统包括：RTI330型焊接机器人一台、RCI机器人控制系统一套和IGM脱
机K5示教器系统九套。其优点是模拟动作快，反应敏捷，且由于采用了高级的伺
服控制系统，使得机器人能够在最佳的加速方式下运行，节省在线工作时间。同时，
与其它类型的焊接机器人相比，其动作范围更广，安全保护功能更高，操作灵活方
便，系统稳定可靠，便于学生使用。
其中，IGM脱机K5示教器是机器人控制器中人机交互的主要部件，它通过串行口
与主计算机相联，体积小巧，使用方便，且K5编程示教器的外型采用Solid
Edge进行三维CAD设计，符合人体工学的标准，这也大大提高了K5编程示教
器的操控性。
机器人控制系统的软件部分，由机器人控制器的6个控制轴构成。机器人轴1—6
的旋转角度分别为540度、220度、290度、360度、270度和720度，这大大
增加了机器人的工作空间和活动范围。同时，软件系统采用软件工程的方法开发，
完善了机器人控制系统的诊断功能，其系统结构清晰，可靠性高，便于对学生进行
上机操作指导。
机器人控制系统的硬件部分，则采用多CPU计算机结构，分为主计算机和编程示
教器两部分。主计算机和编程示教器通过串口进行异步通讯，主计算机完成机器人
的运动规划、插补和位置伺服以及主控逻辑、数字I/O等功能，而编程示教器则
有效完成了信息的显示和按键的输入功能。
由此可见，焊接机器人训练室具有良好的虚拟仿真试验环境和现场实验条件，具备
完成教学改革的软、硬件设施，且实践指导教师有着丰富的实践经验，这些都为实
践教学工作改革的顺利开展和实施，提供了强有力的支持和保障。
2.3教学模式的形成
2.3.1自动化焊接实践教学转变为自动化焊接示教模拟教学
在材料学院焊接专业学生的自动化焊接实践环节中，拟利用IGM脱机K5示教器，
在RTI330型自动化焊接机器人上，教师先演示不同类型焊缝自动化焊接模拟操作
的方法和过程，以及自动化焊接参数的设置，再让学生亲自上机在线模拟操作，帮
助学生形成正确的自动化焊接概念，加深对自动化焊接的理解，将抽象理论与实际
事物和现象联系起来，使学生在示教模拟动手操作环节中积累宝贵经验。
2.3.2填鸭式教学转变为启发式教学
K5示教法不再拘泥于课堂上的填鸭式教学，转而激发学生在K5示教器上。在线
主动思考、主动探索、主动发现各种自动化焊接工艺、参数和焊件结构上存在的问
题，并预测出产品的焊接质量，且学生产生的问题在课堂上及时予以解决，并启发
学生产生新的解决问题的方法和思路，给学生留下清晰、准确和生动的印象，加深
对自动化焊接问题的理解。
2.3.3自动化焊接实践教学课程要有后续的跟踪反馈体系
利用实验法，对改革后的自动化焊接示教模拟教学方法，在该校材料学院焊接专业
在校学生中进行分年级逐次实验，根据学校的教学需求、学生的就业情况和用人单
位反馈的人才培养质量，提出相应的整改方案，最终整理、完善并确定自动化焊接
实践教学改革的方法和途径，利用K5示教法进行实践教学改革的模型图如图1所
示。
自2010年以来，我校实训中心按照示教模拟实践教学改革模式在材料学院的焊接
专业在校学生中进行分年级的逐次实验。并对2010届教改实施前和2011届、
2012届、2013届、2014届教改实施后的毕业生做了后续跟踪反馈[12]体系，跟
踪、辅导、调研和汇总实践教学改革的效果，如表1所示。
结果显示：企业对我校培养的毕业生满意程度明显提高，对我校的自动化焊接人才
培养模式高度认可，连续签订了校、企联合培养焊接人才的认证合同，对我校自动
化焊接专业课程体系建设形成良好的促进作用，对未来我校的招生就业工作形成良
性循环，为我校的“大工程、大德育、大实践”教育理念建设提供有益参考，为突
出大矿业特色[5]，实现“一高一强”应用型专门人才培养目标作出应有贡献。
综上所述，通过对K5示教法在黑龙江科技大学实践教学中的改革与应用探讨，以
及对我校材料学院焊接专业在校学生的具体实施，结果显示用人单位对该校2014
届毕业生的满意程度达到80%，应届毕业生就业率明显提高。为落实学校本科毕
业生就业工作作出应有贡献，为其他高校焊接实践教育工作探索出一条绿色通道，
丰富了矿业特色院校自动化焊接专业和用人单位的沟通渠道与合作模式，有针对性
地开展为地方经济建设服务的工作，真正做到产学研结合，学做合一，课程与岗位
零距离的要求。
【相关文献】
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