基于“三教一實”的高職“工業機器人應用技術”課程改革
——以溫州職業技術學院為例

黃金梭

（溫州職業技術學院，浙江 溫州 325035）

工業機器人是一種新興的柔性智能裝備，在“機器換人”中應用得越來越廣泛，其相關的高素質技術技能型人才供不應求。在可觀的人才需求背景下，國內諸多高職院校紛紛開設了工業機器人技術專業或在相近、相關專業中新增工業機器人應用技術作為核心課程[1]。在理論層面，國內教育學者針對高職院校如何培養符合崗位要求、不可替代的高素質技能人才做了大量、深入的系統性探索和研究，其研究成果可供工業機器人相關專業人才培養的頂層設計參考，例如，按照“崗位設計-知識能力分析-課程體系架構”的人才培養方案設計模型，唐萬鵬等、蔣慶斌等都針對工業機器人技術專業提出了一套完整的課程體系建設構想[2-3]；丁金昌從課程改革的角度提出了一系列適合高等職業教育“做中學”和“實踐導向”等教學模式的教學體系建設理論[4-5]。在實踐層面，由于高職院校學生和教師的特質、課程的專業性與實踐性強以及教學的高教性要求等原因，作為培養工業機器人應用能力的核心課程，“工業機器人應用技術”在教學中往往未能有效地實現預設的作用。

以溫州職業技術學院的“工業機器人應用技術”課程為例，該課程的建設過程經歷了從無到有、從經驗不足到配置齊全與實施高效，教師、教材、教法和實訓室等4個因素的有機結合和有效應用在這個過程中發揮了重要作用，四者融合將能更好地發揮幫助學生掌握工業機器人技術的專業知識、培養學生工業機器人系統應用能力的作用，解決高職院校在工業機器人應用領域的人才培養上出現的“心有余而力不足”的困境。為了進一步探索高等職業院校中“工業機器人應用技術”這一新興課程的建設方法，本文在深入分析課程建設過程中存在教師、教材、教法與實訓室建設不健全等問題的基礎上，系統性地提出課程改革的總體思路，并給出相應的建設舉措。

一、高職院校工業機器人技術人才培養面臨的困境

1.工業機器人實訓條件達不到實踐教學要求，好教師與好教法難以發揮最優作用

當前，高職院校中“工業機器人應用技術”課程的實訓室建設普遍存在以下三種情況：其一，實訓室建設不健全。諸多高職院校創辦工業機器人技術專業的年限比較短，人才培養的標準不統一，目標定位不明確，尤其在“建成什么樣的實訓室”這個問題上還未形成清晰的思路，加之實訓設備的建設所需資金多，最終導致許多高職院校一直未建成一個健全有效的工業機器人實訓室。其二，實訓設備與教學要求不匹配。當下工業機器人實訓室的形態、實訓設備以及實訓項目大多由教學儀器公司單向設計和研制，導致與教師使用的教材及課堂教法方式方法不匹配。一是實訓設備設計上不匹配。設備供應商出于商業目的考慮，往往會在一套工業機器人實訓設備上集成大量超出工業機器人應用技術范疇的產品，例如力傳感器、機器視覺、PLC、伺服電機系統、觸摸屏等等，忽略了以學生掌握工業機器人應用技術的實訓需求為導向進行合理的實訓項目設計和硬件配置。二是實訓指導說明書不匹配。設備供應商大多只提供設備的操作步驟指導書，與教學所要求的項目化教材相差甚遠，使得學生只根據操作指導書執行，“只知其一不知其二”地“傻做”實訓，學生無法理解專業知識，其創新能力得不到訓練。三是實訓設備和實訓項目與教學脫節，集合了超出課程以外的其他自動化產品及其實訓內容，不僅對教師的技術領域寬廣度提出了更高的要求，而且還會因為技術過于復雜導致開展實訓任務的可操作性很差，最終無法培養出符合崗位能力要求的學生。其三，實訓設備的生均臺套數不足。由于工業機器人產品本身成本高，加上過度集成，成套實訓設備的價格比較高，在有限經費和場地面積的情況下，生均臺套數過少，學生參與動手操作的機會很少。此外，對于由教儀公司建成工業機器人實訓室的院校來說，還要面臨教材選擇的難題：如果選用配套的實踐性很強的實訓任務操作指導書，則缺乏與專業知識相結合，體現不出“高教性”[4]；如果選用理論性很強的知識講解型教材，則內容太抽象、深奧，與實訓設備無關，缺乏實踐指導，體現不出職業性，也不適合高職學生學習。

對“工業機器人應用技術”課程的教學實踐經驗進行分析發現，如果沒有解決好實訓室建設、實訓設備與實訓教材同步配套的問題，即使是從企業引進的能工巧匠或者是實踐經驗豐富的“雙師型”教師，縱然有百般教學方法，也難以施展。

2.教學師資力量無法滿足職業教育要求，實訓室、教材和教法無法得到充分利用

高職院校的師資隊伍來源于三部分：一是“三改一補”以前原有的中專院校教師，二是直接從普通高等院校招聘的應屆畢業生；三是從企業引進的工程師。前兩者的普遍特點是行業實踐經驗不足，即使有部分企業經歷，也因為下企業鍛煉流于形式而未能給這些教師的技術應用與創新能力帶來實質性的提升，甚至還出現了重學術輕應用、重科研輕教學的現象，嚴重脫離了高職院校的職教特性；后者教學技能生疏，由于常年從事某一特定崗位，養成埋頭苦干的工作習慣，不擅表達，不懂教學規律，缺乏高職教育所需的教學方式方法。

綜上所述，有再好的實訓室與配套的教材，以及再合適的教學方法與模式，如果教師的專業教學技能與行業實踐經驗不俱全，將難以組織開展類似“做中學”的教學活動。

3.教與學方法不得當，教師、教材及其配套的實訓室無法起作用

高職院校現有師資隊伍導致大部分高職院校課程的教學方法存在著“以教師為中心，知識滿堂灌”和“以學生為中心，任務傻傻做”的情況，難以組織開展類似“做中學”的教學活動，“工業機器人應用技術”課程也不例外。純講授型的教學方法下，學生無法理解專業知識，且沒有學以致用的環節，職業能力就無法得到訓練。在學生純動手式的教學方法下，教師僅交代任務，讓學生跟著操作步驟“傻干到底”，盡管最終完成了任務，卻不知背后的專業原理，一旦更換已知條件，就不知如何應對，授之以魚，未能授人以漁。倘若缺乏匹配的教學方法，教師的行業實踐經驗再豐富，實訓室與教材建設再先進，也起不了訓練學生專業應用能力的作用。

二、“工業機器人應用技術”課程的“三教一實”改革總體思路

作為培養工業機器人應用工程師的一門核心課程，“工業機器人應用技術”是一門專業理論知識與應用實踐技能結合度很高的課程，課程的建設至關重要。不同于本科層次和中職層次，高職院校培養的是工業機器人技術的應用型高技能人才[3，6]：本科教育重視知識傳輸與分析，強調知識體系的完整性與邏輯性；高職教育重視知識的理解與應用，強調工程技術的理論與實踐的結合性；中職教育重視操作技能的傳授與訓練，強調技藝的熟練度。

基于上述高職院校工業機器人綜合應用課程存在的問題與特點，提出“三教”改革背景下“工業機器人綜合應用”課程的總體改革思路，如圖1所示。該思路的中心思想是：教師、教材、教法和實訓室是工業機器人應用課程進行“三教一實”改革的四要素，實施“做中學”教學模式的教法改革，將教師、教材和實訓室的功能充分作用于學生，教師再根據學生的培養效果對實訓室、教材和教法進行優化調整；實訓室是教材的實踐載體，教材是實訓室的教學說明書，兩者由教師統籌設計、相互配套，是實施“做中學”教學模式的重要載體；提升教師的技術應用能力、知識加工能力和教學組織能力，做到能熟練使用實訓室中的實訓設備進行操作示范、熟練使用教材進行理論講解和引導學生邊做邊學。

圖1 “三教”改革背景下“工業機器人綜合應用”課程的總體改革思路

1.教師是教學內容的設計者和教學活動的組織者，是“三教一實”改革的核心

首先，“工業機器人應用技術”課程的授課教師要熟知工業機器人的相關知識，會熟練使用工業機器人設備。尤其是從校門到校門的理論型教師，應該積極參與科研活動，主動對接企業需求，承接企業委托的工業機器人自動化技改課題，提升工業機器人應用的實戰能力。其次，教師還要化身為“廚師”和“導演”。與“會主動學習、擅長知識邏輯推理”的大部分本科及以上層次的學生不同，對于高職院校學生來說，知識就像難咽的“米飯”，學生就像需要“喂飯”的小孩，只有經過“調味”的知識，才容易被“吞下”。所以，教師的教學任務之一就是“加工”知識，把“工業機器人運動學原理”等復雜、抽象、乏味的理論知識進行必要的簡化處理，并運用各種計算機輔助設計的手段進行形象化的解釋使其更具觀賞性。最后，為了能讓學生主動“吞下”這些知識，而不是被動“灌輸”，教師的另外一個教學任務就是以“項目+任務”的形式來設計學習情境、組織教學活動，把需要學生理解的理論知識預先“埋伏”在實踐活動中，引導學生在任務實施的過程中主動學習要用到的知識，教師以自身項目開發的經歷對知識做必要的分析和答疑。如此，高職院校學生既理解了專業知識，又訓練了應用知識的實踐能力。

2.實訓室和教材相輔相成，是“三教一實”改革的支撐載體和體現形式

首先，實訓室和教材的建設者必須是具有行業實踐經驗的專業任課教師，且最好要有工業機器人行業的從業人員參與。其次，實訓室建設時要綜合考慮好“實訓室形態的總體布局”“實訓硬件的配置”和“實訓項目的設計”等三個方面，尤其是實訓項目的設計，要尊重“以項目為載體、以任務為單元驅動教學”“專業理論知識與實踐技能相結合”“先易后難、循序漸進”以及配置適度等原則。最后，要將實訓項目、實訓設備寫進教材。實訓室和教材不可獨立建設，要真正把教材建成實訓室的教學“說明書”、實訓室建成教材的實踐載體，而不是“各說各話”。特別需要注意的是，由于工業機器人運動學的抽象性以及設備錯誤動作帶來的危險性，工業機器人綜合應用課程的實訓應該注重虛擬仿真和真實操作相結合。

3.實施“做中學”的教學模式，是“三教一實”改革的執行手段。

由于優質生源供給側受阻，高職院校的學生普遍存在“自愿性與勉強性的悖論”問題[7-9]。在這樣的背景下，必須運用恰當的教學方法，讓教師、實訓室以及配套的教材在“工業機器人應用技術”課程的教學中真正發揮作用。“做中學”的教學模式就是一種非常適合高職教育的教學方法改革[5]，實訓室和教材也必須是為了實施“做中學”的教學模式而專門設計的。首先，以學生組隊實施任務作為教學活動的主要形式。其次，讓學生邊操作邊學習成為教學活動的常態，操作過程就是實踐能力訓練的過程。例如機器人控制軟件的操作、機器人示教器的控制、原理圖的繪制與接線等等；學習知識的過程就是理解專業理論知識的過程，例如機器人位置數據的坐標系幾何含義、IO接口的電氣屬性、指令的語法結構等等。在這個過程中，教師要扮演好“導演”和“廚師”的角色，既要確保學生能夠有序地開展任務實施活動，又要對專業知識進行“加工”處理，以便學生很好地吸收。

三、“三教一實”課程改革的實施及成效

按照“三教一實”改革思路，對溫州職業技術學院“工業機器人應用技術”課程進行四要素一體化建設的改革探索和實踐，并在4個學年中不斷調適，形成了較為成熟的做法。課程改革的具體舉措如下：

1.師資隊伍建設

鼓勵教師積極參與科研項目、教改項目、資源庫建設、競賽項目，切實培養教師專業教學與行業實踐的能力，并為后期實訓室建設、教材開發以及實施“做中學”教學模式的教學方法改革積累經驗。

一是，組建一支結構合理“工業機器人應用技術”課程的教學團隊。鑒于工業機器人技術專業尚為新工科專業，在團隊成員配置上更多考慮到教師學習、再深造的精力和興趣，以年輕教師為主力，研究領域集中，利于團隊的可持續發展。溫州職業技術學院“工業機器人應用技術”課程教學團隊由3名80后、1名90后碩士研究生學歷以上教師組成，研究領域均為工業機器人應用方向，是首批國家級職業教育教師教學創新團隊的核心小組之一。二是，通過參與社會服務培訓項目，如承接企業委托的工業機器人應用項目、參加工業機器人制造商組織的技術進修培訓、舉辦教育部2015年工業機器人應用技術專業國培班，有效提升了教師團隊在工業機器人應用上的行業實踐能力。三是，通過國家級職業教育工業機器人技術專業教學資源庫、工業機器人技術領域的教科研項目，實現科研項目反哺教學工作，提升了團隊在工業機器人課程方面的教學研究能力。四是，通過對新型態高職高專教材的研究，尤其加大“工業機器人應用技術”課程教材等教學資源素材的建設力度，提升了團隊對專業知識的加工能力。最后，通過指導學生參加各類大學生工業機器人應用比賽和開展以工業機器人應用為主題的畢業設計課題研究，進一步提升了教師團隊在工業機器人課程實踐教學方面的能力。

2.實訓室建設

首先，學校與企業合作共建工業機器人應用實訓室。由任課教師與企業的工業機器人工程師共同討論、設計實訓室的建設方案，企業工程師從工業機器人操作運維、系統集成開發工程師等崗位的能力要求出發，提出若干個應用最廣泛的工業機器人典型應用案例，教師從教學要求、可操作性、成本預算等幾個角度出發，對應用案例進行篩選和適度的教學改造。例如，選用工業機器人上下料工作站項目，配置簡單，成本低，可操作性好；對設備透明可視化、分段快插式走線設計，既便于學生動手接線，又能快速恢復設備的正常連接。其次，除了現場編程與實操項目外，教師團隊還將企業提供的復雜案例（如工業機器人裝配、工業機器人立體倉庫等）、指導學生的工業機器人競賽項目（工業機器人轉盤碼垛工作站）轉化為虛擬仿真項目，創建了3套虛擬工作站模型。最終，該課程建設成了一套工業機器人應用的“三區一室”多功能實訓室，即將“離線編程與仿真區”“現場編程與操作區”和“知識講解與討論區”集中在一個實訓室里，如圖2所示。尤其重要的是，這些實訓項目被寫進了教材。教材中的實訓任務都是依賴實訓室中的虛、實項目載體而實施的。采取上述改革措施，切實改善了實訓室的有效性與可行性。

圖2 工業機器人綜合應用的“三區一室”多功能實訓室效果

3.教材建設

由任課教師專門為該課程編寫了新型態教材《工業機器人應用技術》[10]。該教材以紙質為載體，在書中嵌入了大量的素材資源二維碼，教材中許多無法用“圖片+文字”方式描述清楚的內容，學生通過手機掃描二維碼觀看操作視頻講解、作業示范和動畫演示，就可以直觀、明了地理解；編寫團隊中既有專業教師，又有企業工程師，設計了5個大項目，每個項目被劃分為若干個完整的子任務和相關的知識模塊，任務先易后難，引導學生一步步完成整個項目的實施。教材中的項目任務在配套的實訓室中均有對應的實踐載體。通過該教材的建設，確保了“工業機器人應用技術”課程的穩定性和可持續發展。該教材于2016年撰寫完畢，經校內使用近3年并不斷修改完善后，于2019年正式出版。采取上述改革措施，切實加強了課程建設的穩定性、高教性和職業性。

4.教法改革

為了便于實施“做中學”教學模式，采取了“項目+任務”的方式組織章節和教學單元構成，把該課程設計成5個大項目，分20個子任務，每個子任務作為一個教學單元，具體見表1。實施每個任務所需的理論知識在每個項目的知識模塊中都可以找到。課程的教學活動變成了學生帶著知識進行各種實踐訓練，例如坐標系的驗證性實訓、編程指令的創新應用性實訓、工業機器人外圍電路設計與接線等。學生通過多種手段獲取、理解知識，例如教師的集中知識講解、教材中的文字、圖片、視頻和動畫等。采取上述改革措施，切實提高了學生在課堂上的學習主動性。

表1 “項目+任務”教學設計

5.改革成效

本課程于2013年創建，2015年開始啟動“三教一實”的改革探索，2018年開始應用于2015級、2016級電氣工程及其自動化技術四年制高職本科專業100名學生的“工業機器人技術”課程和2017級機電一體化技術專科專業48名學生的“工業機器人綜合應用”課程的教學實踐，取得了較好的成效。首先，學生在課程任務實施時能夠熟練地使用示教器操控工業機器人本體、會設計并連接機器人輸入輸出電氣系統、會編寫并調試工業機器人任務程序，完成了2項工業機器人集成應用的畢業設計課題開發。可以看出，學生分析問題、應用知識和解決問題的能力得到了培養。其次，教師團隊能夠承接企業委托的工業機器人自動化生產設備開發，研發的設備在企業得到了成熟應用；同時，教師以“工業機器人應用技術”課程的教學設計為項目參加教學技能競賽并獲獎。可見，教師的科研和教學能力都得到了提升。

四、結 語

由于高等職業教育領域開設工業機器人技術專業的時間比較短，“工業機器人應用技術”課程的建設經驗不足，在系統分析課程實施過程中存在的各類問題的基礎上，提出了“工業機器人應用技術”課程的“三教一實”改革總體思路，從教師、教材、實訓室等四個方面進行了改革，有效地提高了“工業機器人應用技術”課程的教學效果。在改革實踐過程中，應該要注意實訓項目的任務化設計、實訓設備的合理化配置、實訓室與教材的配套性開發，保證實訓任務是可執行、可操作的，避免實訓設備的過度配置，導致教師難以接手、學生難以消受。接下來，還需要進一步深入探索課程的過程性考核機制，以應對學生個體差異性，比如項目實施考核+期末理論閉卷考核；不斷地優化項目載體的設計，使之更具趣味性；為課程創建一個網絡平臺，實時更新工業機器人技術的最新進展。