韋雅曼,莫名韶,黃宇婧,周文軍
(南寧職業(yè)技術(shù)學(xué)院,廣西 南寧 530008)
近年來(lái),教育部積極推進(jìn)“新工科”建設(shè),先后發(fā)布了《關(guān)于開(kāi)展新工科研究與實(shí)踐的通知》[1]《關(guān)于推薦新工科研究與實(shí)踐項(xiàng)目的通知》[2],助力中國(guó)“新工科”教育改革和新行業(yè)新技術(shù)的發(fā)展。“新工科”建設(shè)為《中國(guó)制造2025》[3]等重大戰(zhàn)略提供了人才保障,培養(yǎng)具備創(chuàng)新、實(shí)踐和綜合素質(zhì)的卓越工程科技人才[4],服務(wù)于以新技術(shù)、新業(yè)態(tài)、新產(chǎn)業(yè)、新模式為特點(diǎn)的新經(jīng)濟(jì)發(fā)展[5],推動(dòng)工程教育的改革和創(chuàng)新。《中國(guó)制造2025》提出了加快推進(jìn)工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用的目標(biāo),要加大對(duì)工業(yè)機(jī)器人研發(fā)和應(yīng)用的支持力度,推動(dòng)工業(yè)機(jī)器人在制造業(yè)中的廣泛應(yīng)用,提高制造業(yè)的智能化水平。
工業(yè)機(jī)器人技術(shù)作為“新工科”中的智能科學(xué)與技術(shù)類(lèi)學(xué)科,滲透到制造業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域,工業(yè)機(jī)器人在汽車(chē)、物流、倉(cāng)儲(chǔ)、醫(yī)療、農(nóng)業(yè)、建筑等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用,同時(shí)也帶來(lái)了更多的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。面對(duì)這些機(jī)遇和挑戰(zhàn),如何加強(qiáng)對(duì)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)專(zhuān)業(yè)課程教學(xué)的研究和應(yīng)用,培養(yǎng)更多的專(zhuān)業(yè)技能人才,以適應(yīng)中國(guó)制造2025 的發(fā)展需求將成為工業(yè)機(jī)器人技術(shù)專(zhuān)業(yè)課程改革教育面臨的一道難題。孫虹等[6]通過(guò)人才培養(yǎng)方案頂層設(shè)計(jì)構(gòu)建了新工科多平臺(tái)實(shí)踐教學(xué)體系,并進(jìn)行教學(xué)實(shí)踐改革;譚文君等[7]針對(duì)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)課程教學(xué)過(guò)程中存在的問(wèn)題進(jìn)行教學(xué)模式改革,提升了學(xué)生的實(shí)踐能力與創(chuàng)新能力;王成琳等[8]給出了以焊接機(jī)器人集成與應(yīng)用為例的一種教學(xué)實(shí)踐方案。
工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)集成作為涉及機(jī)械、電子、自動(dòng)化等多個(gè)學(xué)科的專(zhuān)業(yè)核心課程,主要面向工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)集成、方案設(shè)計(jì)、工藝規(guī)劃、虛擬調(diào)試、技術(shù)服務(wù)和項(xiàng)目管理等崗位,需要學(xué)生具備扎實(shí)的理論基礎(chǔ)和實(shí)踐操作能力。然而,目前工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)集成課程往往存在課程內(nèi)容設(shè)置不合理、教學(xué)模式較為單一、受教學(xué)設(shè)備和資源限制、產(chǎn)教融合深度不夠和教學(xué)考核評(píng)價(jià)方式缺乏多樣性等問(wèn)題,無(wú)法真正培養(yǎng)學(xué)生具備實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力和提高學(xué)生的綜合素質(zhì)。本研究旨在探索新工科背景下工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)集成課程教學(xué)改革的有效途徑和方法,為培養(yǎng)具備實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)高的工程技術(shù)人才提供借鑒和參考,為工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)集成領(lǐng)域的發(fā)展做出貢獻(xiàn)。
工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)集成課程是工業(yè)機(jī)器人技術(shù)專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)方案中最重要的一門(mén)專(zhuān)業(yè)核心課程,涉及機(jī)械、電氣、自動(dòng)化等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域,需要學(xué)生具備跨學(xué)科的綜合能力,但是目前課程內(nèi)容設(shè)置與新興技術(shù)結(jié)合得不夠密切,有些內(nèi)容過(guò)于陳舊和落后,沒(méi)有與先進(jìn)的智能制造技術(shù)相結(jié)合,缺少應(yīng)用性與創(chuàng)新性,導(dǎo)致課程設(shè)置與行業(yè)需求不匹配。另外,有些任課老師在上課之前,沒(méi)有結(jié)合學(xué)生實(shí)際和分析學(xué)習(xí)情況,來(lái)適當(dāng)調(diào)整和設(shè)置課程內(nèi)容,無(wú)法有效培養(yǎng)學(xué)生的工程能力、創(chuàng)新能力和跨學(xué)科能力,無(wú)法適應(yīng)新工科建設(shè)與人才培養(yǎng)需求。
現(xiàn)有的教學(xué)模式多為講授式教學(xué)模式,講授式是以教師為主導(dǎo)的教學(xué)模式,教師在課堂上通過(guò)PPT講解、演示、展示等方式向?qū)W生傳授知識(shí),缺乏多樣化的教學(xué)方法,學(xué)生在被動(dòng)接受知識(shí)的過(guò)程中缺乏主動(dòng)參與和實(shí)踐操作的機(jī)會(huì),學(xué)生容易覺(jué)得枯燥乏味,上課精力不夠集中,不能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,從而使知識(shí)目標(biāo)、能力目標(biāo)和素養(yǎng)目標(biāo)難以達(dá)成,導(dǎo)致學(xué)習(xí)效果不佳。工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)集成是一門(mén)實(shí)踐性很強(qiáng)的課程,傳統(tǒng)的課堂講授模式難以提供足夠的實(shí)踐機(jī)會(huì),導(dǎo)致學(xué)生在實(shí)際應(yīng)用中的能力有所欠缺。
工業(yè)機(jī)器人是高精度、高性能的設(shè)備,其價(jià)格往往較高,對(duì)于學(xué)校而言,購(gòu)買(mǎi)和維護(hù)這樣的設(shè)備需要巨大的經(jīng)濟(jì)投入,并且受場(chǎng)地面積限制,無(wú)法容納較多的設(shè)備套數(shù),所以購(gòu)買(mǎi)的設(shè)備數(shù)量往往較少,需要多位同學(xué)共享一套實(shí)訓(xùn)設(shè)備,學(xué)習(xí)效率較低。并且隨著新興技術(shù)的不斷發(fā)展,工業(yè)機(jī)器人的技術(shù)和型號(hào)更新?lián)Q代也非常迅速,導(dǎo)致學(xué)校購(gòu)買(mǎi)的設(shè)備很快就會(huì)過(guò)時(shí),無(wú)法滿(mǎn)足教學(xué)的需要。在課程實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中,因操作危險(xiǎn)大,有時(shí)難以完成對(duì)復(fù)雜環(huán)境下機(jī)器人操作,不能滿(mǎn)足機(jī)器人教學(xué)需求和達(dá)到良好的教學(xué)質(zhì)量效果,因而急需尋求新的教學(xué)方法來(lái)解決設(shè)備和資源受限問(wèn)題。
因產(chǎn)教融合不夠深入,工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)集成課程沒(méi)有做到將專(zhuān)業(yè)群與產(chǎn)業(yè)鏈、課程內(nèi)容與職業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、教學(xué)過(guò)程與生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行全要素對(duì)接起來(lái)。課程教學(xué)大部分是基于購(gòu)買(mǎi)的教學(xué)設(shè)備和配套的教材為主,缺少實(shí)際企業(yè)的生產(chǎn)項(xiàng)目融入到的課程體系。雖然部分高職院校與當(dāng)?shù)叵嚓P(guān)企業(yè)簽訂了工學(xué)交替實(shí)習(xí)合同,學(xué)??梢园才艑W(xué)生到企業(yè)去進(jìn)行短期的實(shí)習(xí)實(shí)踐,但是由于課程的時(shí)間限制,加上企業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)需求等多方面因素限制,學(xué)生在實(shí)際實(shí)習(xí)的過(guò)程中,在沒(méi)有充分掌握理論知識(shí)的情況下,很難將學(xué)校學(xué)到的知識(shí)和企業(yè)學(xué)到的知識(shí)進(jìn)行有效的聯(lián)動(dòng),所以學(xué)生在實(shí)習(xí)期間通常處于疲于應(yīng)付的狀態(tài),從而培養(yǎng)出來(lái)的學(xué)生在工業(yè)機(jī)器人技術(shù)專(zhuān)業(yè)綜合技能和綜合素質(zhì)方面較弱,無(wú)法適應(yīng)“一人多崗,一崗多能”的社會(huì)需求。
現(xiàn)有的考核評(píng)價(jià)方式缺多樣性,教學(xué)考核評(píng)價(jià)一般由平時(shí)成績(jī)、理論成績(jī)和實(shí)操成績(jī)組成,平時(shí)成績(jī)包括出勤和作業(yè),但是占比較低,導(dǎo)致學(xué)生不重視平時(shí)成績(jī)。學(xué)生多數(shù)為了取得好的理論成績(jī)而刻板地去死記硬背,沒(méi)有很好掌握知識(shí)并進(jìn)行知識(shí)遷移和應(yīng)用;實(shí)操成績(jī)看重的是結(jié)果,而忽略了實(shí)際操作過(guò)程性的考核,沒(méi)有體現(xiàn)出學(xué)生實(shí)際掌握知識(shí)的情況和突出個(gè)人的特長(zhǎng),從而任課老師也沒(méi)辦法比較科學(xué)全面地掌握學(xué)生實(shí)際的學(xué)習(xí)情況。單一的考核方式,忽略了學(xué)習(xí)過(guò)程的評(píng)價(jià),與新工科背景下國(guó)家教育要求不符。
根據(jù)工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)操作員、系統(tǒng)運(yùn)維員等的崗位要求,深入自動(dòng)化水平較高的企業(yè)進(jìn)行調(diào)研,了解對(duì)應(yīng)所需的技能和知識(shí);同時(shí),依據(jù)國(guó)家工業(yè)機(jī)器人技術(shù)專(zhuān)業(yè)教學(xué)標(biāo)準(zhǔn),對(duì)接“1+X”工業(yè)機(jī)器人集成應(yīng)用職業(yè)技能等級(jí)證書(shū)、工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)操作員等級(jí)證書(shū)標(biāo)準(zhǔn),融合全國(guó)職業(yè)院校技能比賽“機(jī)器人系統(tǒng)集成”等的大賽要求,聯(lián)合先進(jìn)制造業(yè)的企業(yè)導(dǎo)師,聚焦工業(yè)機(jī)器人在生產(chǎn)行業(yè)核心技術(shù),修訂人才培養(yǎng)方案和課程標(biāo)準(zhǔn),明確工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)集成課程的基本框架和要求,確保課程內(nèi)容、崗位需求和教學(xué)標(biāo)準(zhǔn)相匹配。結(jié)合企業(yè)實(shí)際案例和項(xiàng)目實(shí)踐,對(duì)工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)集成課程模塊進(jìn)行重構(gòu),根據(jù)工業(yè)機(jī)器人生產(chǎn)車(chē)間不同的工作場(chǎng)景,將課程內(nèi)容劃分為不同的模塊,并確定每個(gè)模塊的核心內(nèi)容和學(xué)習(xí)目標(biāo),包括知識(shí)目標(biāo)、技能目標(biāo)和素養(yǎng)目標(biāo)。結(jié)合實(shí)際工作場(chǎng)景和技術(shù)要求,選取相關(guān)的理論知識(shí)和實(shí)踐操作,確保學(xué)生能夠全面掌握工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)集成的核心技術(shù)。同時(shí),將工匠精神、勞模精神、勞動(dòng)精神和科技強(qiáng)國(guó)等內(nèi)容融入到相應(yīng)的模塊中,新增實(shí)踐操作內(nèi)容的比例,弱化理論講解,通過(guò)項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)培養(yǎng)學(xué)生的工程能力、創(chuàng)新思維、思想政治素養(yǎng)和跨學(xué)科能力等,適應(yīng)新工科建設(shè)與人才培養(yǎng)需求。
采用“項(xiàng)目引領(lǐng)、任務(wù)驅(qū)動(dòng)、工學(xué)結(jié)合”的教學(xué)模式,通過(guò)角色扮演、直觀演示、分組競(jìng)技等多種教學(xué)方法,將規(guī)范的操作技能落實(shí)到崗位角色中,突出學(xué)生主體地位,激發(fā)學(xué)生探究意識(shí)和行動(dòng),鼓勵(lì)學(xué)生通過(guò)自主探究來(lái)學(xué)習(xí)解決實(shí)際問(wèn)題,實(shí)行第一課堂教學(xué)主線、第二課堂技能競(jìng)賽線、第三課堂企業(yè)實(shí)踐線“三線并行”的教學(xué)方式。圖1 以工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)集成課程的項(xiàng)目6“輪轂分揀工作站系統(tǒng)集成”為例來(lái)說(shuō)明該方式。
圖1 “三線并行”的教學(xué)方式
基于翻轉(zhuǎn)課堂理念,設(shè)計(jì)教學(xué)流程,注重全方位育人,采用線上+線下混合式教學(xué)模式,第一課堂教學(xué)主線將整個(gè)教學(xué)過(guò)程分為課前探學(xué)、課中導(dǎo)學(xué)、課后拓學(xué)三個(gè)教學(xué)流程。具體有:(1)課前探學(xué):課前學(xué)生利用線上資源進(jìn)行自學(xué),開(kāi)展討論交流,完成調(diào)研報(bào)告,帶著疑問(wèn)進(jìn)入課堂,教師在線答疑并根據(jù)學(xué)情及時(shí)調(diào)整教學(xué)策略。(2)課中導(dǎo)學(xué):以生產(chǎn)過(guò)程為主線理實(shí)融合式教學(xué),階梯闖關(guān)螺旋上升式學(xué)習(xí)。在教學(xué)重、難點(diǎn)攻克方面采用了動(dòng)畫(huà)演示、分組討論、小組技能比武、互動(dòng)游戲、虛擬仿真、直觀演示、實(shí)際操作等手段,學(xué)生通過(guò)討論、研究、游戲“活起來(lái)”,通過(guò)虛擬仿真、機(jī)器人實(shí)操“動(dòng)起來(lái)”,通過(guò)技能比拼,校內(nèi)教師、企業(yè)導(dǎo)師和雙創(chuàng)導(dǎo)師“三導(dǎo)師”點(diǎn)評(píng)“比起來(lái)”,打造教學(xué)過(guò)程與生產(chǎn)過(guò)程對(duì)接,教學(xué)過(guò)程可模擬、可練習(xí)、實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)可交流提升的“有用”“有效”“有趣”的“三有”課堂。(3)課后拓學(xué):課后學(xué)生完成課后作業(yè),自愿參加競(jìng)賽興趣小組,在創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)工作室、3D 打印工作室等自主學(xué)習(xí)。最后,完成課堂調(diào)查問(wèn)卷,幫助教師發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、再次優(yōu)化教學(xué)策略。
借助信息技術(shù)手段,首先建立教學(xué)資源共享平臺(tái),讓教師和學(xué)生能夠共享教學(xué)資源和經(jīng)驗(yàn),實(shí)現(xiàn)“線上+線下”學(xué)習(xí),不受場(chǎng)地限制,促進(jìn)教學(xué)質(zhì)量的提高。其次,與企業(yè)合作,利用企業(yè)的實(shí)際工作場(chǎng)景和設(shè)備,讓學(xué)生接觸到先進(jìn)的制造業(yè)設(shè)備和工業(yè)機(jī)器人技術(shù),提供實(shí)地實(shí)習(xí)和實(shí)訓(xùn)機(jī)會(huì)。最后,引入虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用到課程中,可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)教學(xué)方法的不足,提供更加靈活和個(gè)性化的學(xué)習(xí)環(huán)境。通過(guò)使用虛擬仿真軟件,學(xué)生可以在計(jì)算機(jī)上模擬和操作真實(shí)的機(jī)器人系統(tǒng),通過(guò)虛擬環(huán)境進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和調(diào)試,觀察機(jī)器人的運(yùn)行情況,調(diào)整機(jī)器人參數(shù)和控制策略。課后,學(xué)生可以根據(jù)自己的學(xué)習(xí)進(jìn)度和興趣,選擇不同的實(shí)驗(yàn)和項(xiàng)目,無(wú)需擔(dān)心設(shè)備和資源的限制。
以南寧職業(yè)技術(shù)學(xué)院工業(yè)機(jī)器人技術(shù)專(zhuān)業(yè)的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)集成課程教學(xué)改革為例,專(zhuān)業(yè)團(tuán)隊(duì)建立的課程資源作為國(guó)家職業(yè)教育專(zhuān)業(yè)教學(xué)資源庫(kù)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)專(zhuān)業(yè)建設(shè)項(xiàng)目的主要成果之一,以“紙質(zhì)+數(shù)字”課程的方式,配有數(shù)字化課程網(wǎng)站與教、學(xué)、做一體化設(shè)計(jì)的專(zhuān)業(yè)教學(xué)資源庫(kù),內(nèi)容豐富,功能完善。在教學(xué)實(shí)施過(guò)程中,通過(guò)采用機(jī)器人虛擬仿真軟件Robotstudio 及PQart、團(tuán)隊(duì)教師自主研發(fā)的工業(yè)機(jī)器人程序自動(dòng)評(píng)分軟件V1.0、自主研發(fā)的工業(yè)機(jī)器人示教輔助裝置、學(xué)習(xí)通等信息化手段,克服傳統(tǒng)教學(xué)設(shè)備和資源的限制問(wèn)題,全程協(xié)助教學(xué)及監(jiān)測(cè)學(xué)生學(xué)習(xí)效果,助力突破學(xué)習(xí)重難點(diǎn)。根據(jù)學(xué)情及不同教學(xué)環(huán)節(jié),采取合適的教學(xué)手段,解決教學(xué)中機(jī)器人編程抽象、綜合調(diào)試復(fù)雜等問(wèn)題。
加強(qiáng)產(chǎn)教融合,與相關(guān)企業(yè)建立緊密的合作關(guān)系。首先,學(xué)校提供場(chǎng)地,企業(yè)投入設(shè)備,校企共建生產(chǎn)性實(shí)訓(xùn)基地,形成真實(shí)企業(yè)生產(chǎn)環(huán)境,發(fā)揮校企雙方的優(yōu)勢(shì);職業(yè)院校與生產(chǎn)企業(yè)育人主體深度融合,邀請(qǐng)企業(yè)專(zhuān)家、雙創(chuàng)導(dǎo)師和學(xué)校教師共同研究制定人才培養(yǎng)方案,參與課程設(shè)計(jì)和課程教學(xué),確保職業(yè)教育始終貫穿在工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用型人才培養(yǎng)全過(guò)程。其次,學(xué)??梢詮钠髽I(yè)獲取真實(shí)的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)數(shù)據(jù)和案例,為學(xué)生提供更加貼近實(shí)際的學(xué)習(xí)內(nèi)容;企業(yè)為學(xué)校提供實(shí)際案例和項(xiàng)目支持,增加課程的實(shí)用性和行業(yè)認(rèn)可度。最后,大二學(xué)生進(jìn)入企業(yè)進(jìn)行“工學(xué)交替”崗位實(shí)踐,學(xué)生通過(guò)生產(chǎn)勞動(dòng)學(xué)習(xí)使用先進(jìn)的工業(yè)機(jī)器人設(shè)備并完成實(shí)踐培訓(xùn)。將職業(yè)資格證書(shū)、職業(yè)技能等級(jí)證書(shū)培訓(xùn)內(nèi)容融入課程教學(xué),統(tǒng)籌組織實(shí)施,實(shí)現(xiàn)證書(shū)培訓(xùn)過(guò)程與課堂教學(xué)過(guò)程一體、證書(shū)考核與課程考試同步,課證育人一體化,做到將專(zhuān)業(yè)群與產(chǎn)業(yè)鏈、課程內(nèi)容與職業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、教學(xué)過(guò)程與生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行全要素對(duì)接起來(lái)。
采取多樣化的教學(xué)考核評(píng)價(jià)方式,圍繞崗位綜合能力,構(gòu)建三維五方六度綜合評(píng)價(jià)體系。為對(duì)接企業(yè)崗位人才需求,將工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)集成課程標(biāo)準(zhǔn)作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)貫穿整個(gè)教學(xué)評(píng)價(jià)。如圖2 所示,通過(guò)“學(xué)生評(píng)、教師評(píng)、平臺(tái)評(píng)、專(zhuān)家評(píng)、機(jī)評(píng)”五方一體的評(píng)價(jià),對(duì)課程學(xué)習(xí)進(jìn)行過(guò)程性、結(jié)果性、增值性等3 個(gè)維度的綜合評(píng)價(jià),這3 個(gè)維度分別從活躍度、規(guī)范度、合作度、完成度、準(zhǔn)確度、創(chuàng)新度等6 個(gè)角度進(jìn)行全面評(píng)價(jià),實(shí)現(xiàn)了學(xué)習(xí)全過(guò)程的可評(píng)可測(cè)。具體評(píng)價(jià)設(shè)置為:過(guò)程性、結(jié)果性評(píng)價(jià)各占40%,增值性評(píng)價(jià)占20%。根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果,反饋修正,不斷改進(jìn)和優(yōu)化教學(xué)過(guò)程,形成閉環(huán)課程評(píng)價(jià)體系。
圖2 三維五方六度綜合評(píng)價(jià)體系
工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)集成課程從優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容、創(chuàng)新教學(xué)模式、解決教學(xué)設(shè)備和資源受限、加強(qiáng)產(chǎn)教融合、多維度綜合評(píng)價(jià)等角度出發(fā),提出課程教學(xué)改革思路,再結(jié)合本校的課程教學(xué)實(shí)施,探索新工科背景下工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)集成課程改革的有效途徑和方法,促進(jìn)學(xué)生的綜合素質(zhì)提升,為培養(yǎng)具備實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)高的工程技術(shù)人才提供借鑒和參考,為培養(yǎng)適應(yīng)新工科背景下的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)集成專(zhuān)業(yè)人才做出貢獻(xiàn)。