基于“兩性一度”的“工業(yè)機(jī)器人編程與調(diào)試”金課建設(shè)

秦 婧

(蘇州健雄職業(yè)技術(shù)學(xué)院,江蘇 太倉(cāng) 215400)

0 引言

“中國(guó)制造2025”將工業(yè)機(jī)器人列為十大重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域之一,在高職院校開(kāi)設(shè)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)專(zhuān)業(yè)是應(yīng)市場(chǎng)的需要,更是高職教育面向未來(lái),為“中國(guó)制造2025”國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略提供技術(shù)技能人才支撐的重要舉措[1-2]。依據(jù)《國(guó)家職業(yè)教育改革方案》(職教20條)“運(yùn)用現(xiàn)代信息技術(shù)改進(jìn)教學(xué)方式方法,推進(jìn)虛擬工廠(chǎng)等網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)空間建設(shè)和普遍應(yīng)用” 的要求,構(gòu)建“兩性一度”(即高階性、創(chuàng)新性、挑戰(zhàn)度)的工業(yè)機(jī)器人編程技術(shù)數(shù)字孿生教學(xué)資源,打造“工業(yè)機(jī)器人編程與調(diào)試”金課。

1 工業(yè)機(jī)器人專(zhuān)業(yè)課程現(xiàn)狀

工業(yè)機(jī)器人技術(shù)專(zhuān)業(yè)建設(shè)投入巨大,用于教學(xué)的一臺(tái)多自由度工業(yè)機(jī)器人就需要十幾萬(wàn)元,且實(shí)訓(xùn)設(shè)備維護(hù)成本高,大多數(shù)院校存在實(shí)訓(xùn)設(shè)備數(shù)量難以滿(mǎn)足實(shí)訓(xùn)教學(xué)需要的問(wèn)題。但工業(yè)機(jī)器人技術(shù)專(zhuān)業(yè)跟其他實(shí)踐性很強(qiáng)的高職制造類(lèi)專(zhuān)業(yè)不一樣,因?yàn)槠浔旧淼男畔⒓夹g(shù)性特點(diǎn),在缺少相應(yīng)硬件條件支持下,可用仿真虛擬教學(xué)、VR 教學(xué)等技術(shù)手段來(lái)彌補(bǔ)硬件臺(tái)套數(shù)量不夠的問(wèn)題,同樣能使課堂教學(xué)形式更加豐富有效。Robotstudio是ABB公司開(kāi)發(fā)的機(jī)器人仿真軟件,是當(dāng)前在工業(yè)機(jī)器人專(zhuān)業(yè)課程中應(yīng)用廣泛的軟件平臺(tái)。

目前國(guó)內(nèi)一些高職院校基于上述平臺(tái)開(kāi)發(fā)了一些實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目,采用案例教學(xué)法授課,但均存在以下問(wèn)題。案例之間相互獨(dú)立,知識(shí)技能點(diǎn)分散,缺乏系統(tǒng)性；案例的選取達(dá)不到工程應(yīng)用要求的深度,使學(xué)生對(duì)知識(shí)技能點(diǎn)體會(huì)比較淺薄,不夠深刻,滿(mǎn)足不了實(shí)際企業(yè)對(duì)人才的要求；同時(shí)忽略了配套的信息化教學(xué)資源的建設(shè),課程案例選取缺乏“高階性”。

當(dāng)前,在大部分院校開(kāi)設(shè)的工業(yè)機(jī)器人課程中,往往將工業(yè)機(jī)器人的離線(xiàn)編程與實(shí)踐操作作為兩門(mén)課程分開(kāi)教授,但從提高課程教學(xué)效率和學(xué)生課程獲得感角度出發(fā)將二者整合化一,才能使學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的感知、理解、鞏固與運(yùn)用融為一體,能在較短時(shí)間內(nèi)使記憶得到強(qiáng)化,有效地促進(jìn)學(xué)生主動(dòng)地參與學(xué)習(xí)[3]。這個(gè)過(guò)程需要在數(shù)字孿生仿真資源建設(shè)、教學(xué)方法等方面具備一定“創(chuàng)新性”。

總之,承載知識(shí)、技能的高職課程教學(xué)資源開(kāi)發(fā),容易受專(zhuān)業(yè)課程體系、課程教學(xué)載體、課堂教學(xué)技術(shù)手段的約束,作為面向兩化融合的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)專(zhuān)業(yè),如何更好地將信息化技術(shù)、仿真技術(shù)、虛擬技術(shù)高效應(yīng)用在其專(zhuān)業(yè)課程教學(xué)資源開(kāi)發(fā)中,這是一個(gè)十分緊迫卻又具有“挑戰(zhàn)度”的難題。

2 對(duì)標(biāo)“兩性一度”,打造“工業(yè)機(jī)器人編程與調(diào)試”金課

從當(dāng)前工業(yè)機(jī)器人專(zhuān)業(yè)課程現(xiàn)狀出發(fā),依據(jù)“兩性一度”標(biāo)準(zhǔn),以“工業(yè)機(jī)器人編程與調(diào)試”為例,從課程內(nèi)容、教學(xué)方法、資源建設(shè)及考核標(biāo)準(zhǔn)幾個(gè)方面分析金課建設(shè)之路。

(1)打造“對(duì)應(yīng)職業(yè)技能”“呼應(yīng)職業(yè)標(biāo)準(zhǔn)”的具有“高階性”的案例庫(kù)。“工業(yè)機(jī)器人編程與調(diào)試”是工業(yè)機(jī)器人專(zhuān)業(yè)的核心課程,課程將工業(yè)機(jī)器人離線(xiàn)編程與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試結(jié)合,培養(yǎng)具備從事工業(yè)機(jī)器人現(xiàn)場(chǎng)編程與調(diào)試維護(hù)等工作的專(zhuān)業(yè)技能。該課程為理實(shí)一體化課程,采用項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式教學(xué),這就要求凝練企業(yè)真實(shí)項(xiàng)目,打造“對(duì)應(yīng)職業(yè)技能”“呼應(yīng)職業(yè)標(biāo)準(zhǔn)”的具有“高階性”的案例庫(kù)。課程團(tuán)隊(duì)主要做了以下工作:深入企業(yè)生產(chǎn)線(xiàn),了解基于客制化需求的靈活性生產(chǎn)模式,實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)自動(dòng)化優(yōu)化決策的智能生產(chǎn)典型工作案例；走訪(fǎng)各高校和機(jī)器人展會(huì),借鑒在線(xiàn)編程的經(jīng)驗(yàn)及應(yīng)用場(chǎng)景,打造工業(yè)機(jī)器人編程技術(shù)仿真案例；對(duì)標(biāo)參考“工業(yè)機(jī)器人編程1+X證書(shū)”、高級(jí)職業(yè)資格證書(shū)的離線(xiàn)仿真編程案例；分層、分段、全方位凝練,建設(shè)案例資源庫(kù)。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間案例搜集、素材整理,整合優(yōu)化,將課程分為5個(gè)項(xiàng)目:基礎(chǔ)工作站、搬運(yùn)工作站、碼垛工作站、涂膠工作站、壓鑄工作站。這些項(xiàng)目均為工業(yè)機(jī)器人1+X考證或工廠(chǎng)典型應(yīng)用案例。按照由淺入深的原則提煉并碎片化知識(shí)點(diǎn),以此組織教學(xué)內(nèi)容,體現(xiàn)結(jié)構(gòu)化課程和系統(tǒng)化設(shè)計(jì)。

以《項(xiàng)目一:基礎(chǔ)工作站》為例,如表1所示,該項(xiàng)目作為首個(gè)授課內(nèi)容,主要使學(xué)生充分認(rèn)識(shí)工業(yè)機(jī)器人,在此基礎(chǔ)上能夠進(jìn)行簡(jiǎn)單的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)操作,初步掌握Robotstudio軟件的離線(xiàn)仿真功能,了解數(shù)字孿生的概念,為后續(xù)項(xiàng)目做鋪墊。

表1 基礎(chǔ)工作站知識(shí)碎片一覽

同時(shí)規(guī)范案例編寫(xiě)標(biāo)準(zhǔn),每個(gè)案例都包含教學(xué)目的與用途、課程理論知識(shí)、工程背景、相關(guān)附件、問(wèn)題提出、解決方案、關(guān)鍵技術(shù)等內(nèi)容,具有較高的完整性[4]。

(2)推行數(shù)字孿生仿真資源,以工作頁(yè)為指導(dǎo),采用“先虛后實(shí)”的教學(xué)方法體現(xiàn)課程“創(chuàng)新性”。近年來(lái),一些高職院校為了解決工業(yè)機(jī)器人課程實(shí)訓(xùn)條件不足的現(xiàn)狀,紛紛利用機(jī)器人仿真軟件進(jìn)行虛擬實(shí)操。但是對(duì)于工業(yè)機(jī)器人這一實(shí)用性很強(qiáng)的技術(shù)來(lái)說(shuō),如果不動(dòng)手操作真實(shí)設(shè)備,一切都是紙上談兵[5]。課程團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的教學(xué)實(shí)踐,提出了基于數(shù)字孿生,以工作頁(yè)為指導(dǎo),“先虛后實(shí)”的教學(xué)方式。

數(shù)字孿生指按照實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境完成包括外圍設(shè)備在內(nèi)的工作站整體運(yùn)行空間,進(jìn)而利用仿真過(guò)程來(lái)反映實(shí)際物理模型的全生命周期過(guò)程。課程所用數(shù)字孿生資源工作站如圖1所示。

圖1 數(shù)字孿生工作站

在教學(xué)準(zhǔn)備過(guò)程中,教師將數(shù)組孿生資源包、理論知識(shí)點(diǎn)講解視頻、任務(wù)仿真實(shí)現(xiàn)過(guò)程視頻、PPT等上傳至網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)(超星學(xué)習(xí)通、雨課堂等),下發(fā)任務(wù)工作頁(yè)。在準(zhǔn)備過(guò)程中,除要保證線(xiàn)上資源精準(zhǔn)對(duì)標(biāo)任務(wù)點(diǎn)以外,還要增加資源的廣度和深度,有一定的冗余,并在工作頁(yè)中有所體現(xiàn),以滿(mǎn)足不同層次學(xué)生的學(xué)習(xí)需求。

課前“線(xiàn)上虛擬仿真”,學(xué)生按照工作頁(yè)上的要求,進(jìn)行課程學(xué)習(xí)及虛擬仿真實(shí)驗(yàn)；教師答疑、監(jiān)督學(xué)生線(xiàn)上學(xué)習(xí)情況,對(duì)不同學(xué)習(xí)者進(jìn)行不同方式的引導(dǎo),使其保持學(xué)習(xí)的積極性和思考的深入性,側(cè)重點(diǎn)在于學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握。課中“線(xiàn)下課堂實(shí)操”,教師組織學(xué)生依照工作頁(yè)要求將仿真實(shí)驗(yàn)中的離線(xiàn)程序?qū)胫翆?shí)體機(jī)器人上進(jìn)行運(yùn)行驗(yàn)證,側(cè)重操作技能及常見(jiàn)故障排除。課后任務(wù)總結(jié),學(xué)有余力同學(xué)可以繼續(xù)拓展任務(wù)。以工作頁(yè)為指導(dǎo),采用“線(xiàn)上仿真,線(xiàn)下實(shí)操”相結(jié)合的教學(xué)方法,將仿真技術(shù)和實(shí)踐教學(xué)有效融合,“先虛后實(shí)”拓展教學(xué)內(nèi)容寬度和深度；將線(xiàn)上線(xiàn)下結(jié)合,延伸實(shí)踐教學(xué)的時(shí)間和空間,切實(shí)提升了實(shí)踐教學(xué)的質(zhì)量和水平,同樣適用于PLC、工業(yè)通信等工業(yè)機(jī)器人專(zhuān)業(yè)課程的教學(xué)。

(3)改進(jìn)考核評(píng)價(jià)機(jī)制,多種考核方式相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生知識(shí)和能力全方位多角度的考察,體現(xiàn)課程“挑戰(zhàn)度”。考核評(píng)價(jià)是教學(xué)過(guò)程中的重要一環(huán),建立多維度的考核評(píng)價(jià)體系、多樣化的考核評(píng)價(jià)方式、細(xì)致入微的考核評(píng)價(jià)細(xì)則是建設(shè)金課的必修課。“工業(yè)機(jī)器人編程與調(diào)試”課程以項(xiàng)目為單位進(jìn)行“線(xiàn)上線(xiàn)下”相結(jié)合的形成性考核。

線(xiàn)上學(xué)習(xí)以學(xué)生自主學(xué)習(xí)為主,因此線(xiàn)上考核重點(diǎn)在于針對(duì)學(xué)情進(jìn)行量化管理。線(xiàn)上學(xué)習(xí)的考核分為任務(wù)學(xué)習(xí)與拓展學(xué)習(xí)兩項(xiàng)[6]。任務(wù)學(xué)習(xí)為必做項(xiàng),占比80%,以考核任務(wù)成果和在線(xiàn)學(xué)習(xí)情況為主,包括基礎(chǔ)分?jǐn)?shù)及考核分?jǐn)?shù)兩部分,該部分成績(jī)每周統(tǒng)計(jì)一次；拓展學(xué)習(xí)為選做項(xiàng),占比20%,以教師借助社區(qū)開(kāi)展互動(dòng)交流與協(xié)作學(xué)習(xí)等行為產(chǎn)生的學(xué)習(xí)積分為主,每10個(gè)積分累計(jì)轉(zhuǎn)換成績(jī)1分,最高折合20分,該部分成績(jī)每個(gè)學(xué)習(xí)項(xiàng)目統(tǒng)計(jì)一次。具體考核明細(xì)如表2所示。

表2 “工業(yè)機(jī)器人編程與調(diào)試”線(xiàn)上考核明細(xì)

線(xiàn)下考核重點(diǎn)在于考核學(xué)生課堂任務(wù)完成及相應(yīng)知識(shí)技能點(diǎn)的掌握情況,因此不同任務(wù)考核內(nèi)容應(yīng)有所不同,考核過(guò)程需體現(xiàn)出任務(wù)實(shí)施過(guò)程中每個(gè)知識(shí)技能點(diǎn),并給出考核標(biāo)準(zhǔn)。如表3所示,為搬運(yùn)工作站中《任務(wù)一:碼垛工作站布局》的任務(wù)考核細(xì)則。該考核表對(duì)學(xué)生任務(wù)完成情況進(jìn)行全方位評(píng)估,教師可以根據(jù)細(xì)化的數(shù)據(jù)對(duì)學(xué)生進(jìn)行針對(duì)性指導(dǎo),為個(gè)性化教學(xué)提供了數(shù)據(jù)支撐。

表3 碼垛工作站布局線(xiàn)下任務(wù)評(píng)價(jià)

3 結(jié)語(yǔ)

從金課建設(shè)背景出發(fā),依據(jù)“兩性一度”標(biāo)準(zhǔn),“工業(yè)機(jī)器人編程與調(diào)試”課程團(tuán)隊(duì)迎合行業(yè)應(yīng)用,提煉“1+X”考證內(nèi)容,組合優(yōu)化形成“高階性”案例庫(kù)；探索“先虛后實(shí)”,線(xiàn)上線(xiàn)下結(jié)合的“創(chuàng)新性”教學(xué)方式；改進(jìn)考核評(píng)價(jià)機(jī)制,提高課程“挑戰(zhàn)度”。

“工業(yè)機(jī)器人編程與調(diào)試”金課建設(shè)過(guò)程中經(jīng)歷3輪的教學(xué)實(shí)踐,學(xué)生對(duì)課程滿(mǎn)意度調(diào)查從78.4%上升至98%,學(xué)生參加“1+X”工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用編程初級(jí)考證通過(guò)率由52%上升至81%,教學(xué)研究的探索取得顯性成效,教師的業(yè)務(wù)水平也有了很大的提高。以此為基礎(chǔ),融合技能競(jìng)賽、行業(yè)需求,探索“分層、多段”式人才培養(yǎng)和教學(xué)方法是課程團(tuán)隊(duì)繼續(xù)努力的方向。