基于工作過程系統化的高職“工業機器人系統集成”課程結構設計

田 勇，梅小龍

(銅陵職業技術學院 電氣工程系，安徽 銅陵 244000)

0 引言

在“中國制造2025”計劃背景下，工業機器人的市場需求量越來越大。工業機器人作為智能制造、工業自動化領域的重要裝備，已經在各行各業得到廣泛應用。《〈中國制造2025〉重點領域技術路線圖》中明確指出，工業機器人的年銷售量要在2025年達到26萬臺[1]。工業機器人應用領域和使用數量的不斷拓展、增加，催生了對工業機器人操作編程、安裝調試、維修保養等方面技能人才的大量需求。很多高職院校也陸續開設了工業機器人技術專業，但在人才培養的過程中產生了一些亟待解決的問題。例如：院校的課程安排與企業的技能需求不相匹配甚至脫節；學生的實操能力和解決問題的能力不足；學生的知識遷移能力欠缺等。當前，工業機器人技術專業的畢業生難以符合市場對人才能力水平的要求。要提高人才技能水平，完善課程體系和加強課程建設是工業機器人專業建設和發展的首要任務。尤其對于實訓課程的建設，有利于提升學生職業技能水平，可以讓學生具備更好的就業競爭力和發展潛力。基于工作過程系統化的課程建設模式，是將知識的組合方式轉移到以實際工作過程為依據的任務實現架構之中，使課程內容與實際工作內容緊密相關，使學生的訓練內容與實際工作的實施過程緊密相連，為職業教育教學模式的改進和學生技術能力與學習能力的培養提供了新的方向。

1 課程現狀分析

“工業機器人系統集成”是工業機器人技術專業的核心課程之一，是一門需要學生將理論和各單項技能知識加以綜合應用的課程。針對專業目標定位的不同，該課程可以面向工業機器人的硬件安裝崗位，主要介紹現場部件選型、電路設計、系統硬件的構建等；也可以面向工業機器人工作站的現場調試崗位，讓學生掌握如何通過軟件編程使已經搭建好的硬件系統能有效配合來完成既定工作。

現行的課程目標下，教學內容往往注重強調知識的整體性、系統性和邏輯性。在實際教學過程中，為保證知識的系統性，常常在一個知識體系內不斷強化教學內容，學生學習難度逐漸增大，但學生對所學知識的應用場合并沒有清晰的認識。教學過程忽視了學生的情感體驗，學生參與度不夠、主動性較差，也忽視了職業能力和職業素養在“工作情境”中培養的過程，造成學生失去學習興趣和動力，難以達到實際工作中對學生“能干事”和“能干成事”的個人能力要求[2]。

在教材方面，“工業機器人系統集成”課程的教材大多是以工業機器人系統集成的認知為基礎，選取碼垛、搬運、弧焊等典型工作站系統的組成，介紹工作站中關鍵部件的選型、電氣電路設計、外圍系統構建和機器人與外圍系統接口技術等。教材往往對照真實的生產環境、生產設備開展介紹講解，硬件的特例性強。但學生卻很難有機會基于真實的生產環境、生產設備進行系統集成硬件環境搭建的訓練，教學內容難以序化為操作性強的實訓內容。即使有條件能夠完成對應的硬件系統環境搭建，等到實際生產中更換了新的硬件條件需求，學生就不知從何下手了。

在技能訓練環節中，因與教材相應的硬件條件難以匹配，課程大多以理論講述為主，學生在課程中被動接受知識，難有主動思考的機會。實訓過程中，教與學的關注點往往集中在如何操作，但學生對為什么要這樣做知之甚少，學生訓練興趣不高，自主學習能力的培養有所欠缺，所學知識、技能難以遷移使用。

2 基于工作過程系統化的教育理論

工作過程系統化課程是把系統化的工作過程經過分析和解構后，按照一定規律重新組合到課程結構中。在生產領域中，一件工作任務的完成過程往往具有特定的結構性和序列性特征[3]。在一個職業的某一項工作任務中，任務的執行程序往往相對固定并且是階段性完整的[4]。工作過程系統化就是以實際的工作任務為參照，把工作任務中的節點性環節加以重構并進行教學化處理，形成符合教學規律，能夠體現認知學習規律和職業發展規律的工作環節。通過梯度推進的難度學習和訓練方式，達到知識技能的逐漸深化。學生在完成任務的過程中，逐漸掌握知識的遷移能力，不但掌握怎樣做，還能思考為什么這樣做，潛移默化地提高學生分析和解決問題的能力。把學習和訓練的內容焦點重新轉移到“過程”本身，正是工作過程系統化課程最大的特點[5]。

基于工作過程系統化的課程設計不再把知識內容的完整性作為課程結構編排的主要出發點，而是按照工作過程的完整流程來進行內容序化。其目的就是讓學生在熟悉工作過程的同時能對完成工作任務所需要的知識和技能有充分的認識。這樣的內容序化方式能夠較好地讓學生理解所學知識和技能的應用場合或應用條件，提高學生的技能應用能力，培養學生對問題的綜合解決能力。

對于已經確定教學內容的課程進行基于工作過程系統化的課程設計主要包括典型工作任務分析、行動領域分析和學習情景設計等環節。典型工作任務是以企業的實際工作為基礎，以完成工業機器人系統集成的現場調試工作為例，其工作任務涉及現場硬件I/O的校對、硬件組態的完成、機器人的編程、PLC的編程、觸摸屏控制界面的編程、聯合調試、文檔編寫等一系列的事項。這就需要教師在充分了解崗位的工作任務流程的情況下，梳理出具有代表性和職業崗位特點的工作任務。由于這些任務中有些部分不能或不適合在教學環境下重現，因此，典型工作任務分析可以看作是對企業實際工作內容的歸納總結和部分再現。

在完成典型工作任務分析后，要根據過程中各項任務所需技能的難易程度開展行動領域的劃分。劃分的過程應該保證工作性質基本相同，行動維度基本一致。行動領域分析的最終結果是從工作崗位和工作過程的角度把任務的各個環節對應到所需要的學習內容和職業能力上。

學習情境是基于行動領域分析得到的學習內容和能力要求所創建的課程單元。學習情境以典型工作任務和其重要環節為基礎，對任務中的能力要求進行教學轉換而成。因此，一門課程中的不同學習情境應該具有相同的典型工作過程。學習情境的劃分可以使用不同的標準，這個劃分學習情境的標準也稱為參照系。參照系的選擇可以是工作的對象、內容、手段、組織、產品、環境等各類任務中涉及的要素。不同的學習情境之間在難度上應該是逐漸遞進的，這樣就能讓學生在不同的情境中，通過反復訓練熟悉工作的過程，掌握并加深需要的技能，了解技能的使用場景，也更符合學生未來職業發展和認知規律。

3 基于工作過程系統化的實訓課程開發原則

在課程的開發過程中，應將內容的實用性要求擺在首位。高職教育是以就業為導向的，其目的是培養能解決現場實際問題的技能人才。因此，實訓的內容應當具備較強的實用性和指導性。在知識結構的組織上，不應過多強調某一知識體系的完整性，而應專注于培養學生解決實際工作場景中的某一類問題或完成某一類任務的能力。課程的內容應在能力本位基礎上構建，通過合理構建學習情境，達到對學生專業能力和自我學習能力的培養。

隨著工作時間的推移，學生在原有的專業能力基礎上還會收獲新的專業能力，但是自我學習能力卻可以為學生創造持續的發展空間。因此，重新構建的課程內容應該遵從職業發展的規律。通過內容的合理序化和科學的教學方式，讓學生逐漸從初學者成長到熟練者乃至專家的水平，引領學生從較低的發展階段跨入更高的發展階段。

在課程內容的結構組織、學習情境的設計和教學實施的全過程中均要以有利于學生自我學習為目標而開展，提升學生的過程參與度，加強學生的學習主導性，優化學習過程體驗。在教學過程中，教師僅作為任務引導者和過程組織者，在必要的時候對節點性知識做講解；學生作為整個學習的中心主體，根據教師的引導，自主完成學習和訓練。任務中每一環節的完成過程均按照“資訊、計劃、決策、實施、檢查、評價”的過程進行，即明確工作任務、制訂實施計劃、做出決策和過程實施、檢查與評價工作過程。學習情境的設計按照從易至難漸進提升，讓學生在不同難度的情境下反復熟悉同一工作過程，從而完成自我知識與經驗體系的構建。

4 基于工作過程系統化的高職“工業機器人系統集成”課程設計

工作過程系統化課程開發范式通常包含典型工作任務分析、行動領域歸納、學習領域轉換、學習情景設計四個步驟。根據工業機器人目標領域或崗位，經過充分調研、分析、解構、重組等過程，可以利用這個范式開發出符合要求的核心課程體系。由于本研究內容是對既定的核心課程進行內容結構設計，課程所對應的目標崗位較清晰，無需再進行學習領域轉換。因此，對“工業機器人系統集成”課程的設計過程按照典型工作任務分析、典型任務工作流程歸納、參照系的選擇與學習情景設計三個步驟進行。

4.1 分析典型工作任務

在生產實際中，工業機器人系統集成的工作主要由機器人集成企業完成。本課程以培養學生能夠基于現場已搭建的硬件環境，通過通訊、編程等方式使各單元協同工作，并最終完成全部工作任務的能力為目的。主要面向工業機器人系統集成領域軟件編程與調試崗位群。通過對工業機器人集成企業的實地調研、對技術人員的電話咨詢、實地學習現場調試過程、研究職業技能等級標準等方式，歸納總結了目標崗位人員的典型工作任務和具體工作內容，如表1所示。

表1 工業機器人編程與調試崗位群典型工作任務與具體工作內容

4.2 歸納典型任務工作流程

通過調研和學習交流，從事工業機器人編程與調試的技術人員在到達現場準備開展工作前，一般按照如下的流程開展工作：

首先，與從事現場安裝的人員進行硬件安裝完備交底。確認調試現場的機器人、外圍設備、動力電纜、信號電纜、通訊電纜已安裝完畢，各傳感器已安裝到位，安全防護措施到位，具備編程調試的硬件條件。

其次，與現場需求方一起，確認所調試的機器人工作站或機器人生產線的生產工藝要求，主要包括機器人動作要求、機器人所操作的物料對象的流動順序、生產線的動作節拍、現場控制要求、各周邊設備的控制邏輯和聯鎖條件等相關的工藝要求。為開展現場硬件通訊、PLC程序編程、現場觸摸控制屏編程、機器人動作編程等提供依據。

最后，核對現場各控制點的I/O信息，根據生產線的工作控制邏輯設計必要的I/O功能表、PLC點位信息表和觸摸屏界面組織方案等內容。接下來，現場技術人員需要根據工藝要求和相關的I/O信息，進行硬件組態，并按照工作需要分別編制機器人程序、PLC程序和觸摸屏程序等。程序編制完成后，需要設計程序測試方案，并運行程序來確定程序是否能按照要求完成既定的工作，同時要確定安全防護措施是否有效。調試完成后，編寫現場操作規程，匯集到完工資料中。

結合教學實際，將主要工作流程進行必要的教學化處理，作為課程中每一個學習情境下的工作流程，具體如圖1所示。

圖1 學習情境下的工作流程

4.3 選擇參照系和設計學習情境

參照系實際上是指在課程中用于劃分不同學習情境的標準。一般可以將工作對象、工作實施手段、工作的具體內容、產品類別、環境要素等作為選擇的依據。結合生產實際，選擇以所調試的機器人工作站的復雜程度作為參照系。以工業機器人最常用的搬運應用場景作為情境設計基礎，每個學習情景都以典型工作任務和工作流程為基礎。根據搬運工作站的系統復雜程度，設計了四個難度的學習情境。在每一個學習情境中，都要求學生按照工作流程完成每一個工作環節。四個教學情境中，教師指導學生完成任務的參與度依次遞減，最終實現學生自主思考并完成工作。學習情境設計如表2所示。

表2 學習情境設計

搬運是工業機器人最常見的應用場景之一，也是比較容易在實訓室實現的工作場景。針對搬運工作的不同要求，設計了四個不同復雜度梯級的搬運情境，這四個情境也是生產環境下真實存在的搬運場景。在每一個梯級的任務情境中，學生都需要首先向教師提出各類問題，來明確搬運的具體工藝要求，然后核對傳感器和PLC的I/O表，依據所獲取的信息完成機器人的編程以及PLC的編程，再編制測試方案，依照方案完成程序正確性測試后，編寫并提交交工技術文檔。

第一級任務是使用工業機器人將物料從固定料倉搬運到傳送帶上，控制傳送帶的啟停，并告知控制系統已搬運的具體數量。這是最簡單的搬運情境。在這一情境中，學生在教師的指導下學會如何通過交流來掌握工藝要求、如何完成機器人的基本示教運動、如何編寫簡單的PLC程序、如何讓機器人完成與外圍設備的通訊，以及如何編寫操作手冊等技能。

第二級任務是使用工業機器人將物料從帶傳感器的料倉中搬運到傳送帶上。機器人需要從帶傳感器的料倉中取出物料放置到傳送帶上。除了控制傳送帶的啟停和記錄已搬運物料的具體數量之外，還需要掌握料倉中各個倉位的存儲狀態，按照工藝要求來取出物料。表面看來，第二級任務情境只是增加帶傳感器的料倉，但在實際完成該任務時，如果想僅僅通過在前一級的代碼基礎上增加幾行新代碼就能完成該任務，是行不通的。要求學生從任務需求出發，重新組織功能架構、代碼結構，重新規劃各傳感器信號的傳輸節點等。看似第二級情境與前一個情境類似，實則需要從工作過程的角度重新按流程完成一次該任務。

第三級任務情境是使用工業機器人完成帶傳感器料倉和有分揀要求的搬運工作。該任務在第二級任務的基礎上，還需要機器人按照約定的要求和規律來發送指令控制傳送帶上的分揀機構完成相應的分揀工作。這一級的任務與前一級情境相比，在產品的輸出端又提出了新的要求。同樣要求學生重新考量整個工作站在機器人完成產品取出后的分揀邏輯。系統的復雜度和實現的難度又有進一步的提升。從所涉及的知識來看，是對第二級所學內容的進一步深入和訓練的強化。

第四級任務是使用工業機器人完成帶傳感器料倉和視覺分揀要求的搬運。與第三級的任務相比，增加了機器視覺識別物料的環節。涉及視覺單元與機器人的通訊，以及視覺檢測單元的具體實現流程，其中包括相機的調校、光源的調整以及視覺檢測流程的編寫等新內容，并且整個任務的實現邏輯又需要學生重新設計和規劃。

從工作內容上看，四個不同的任務情境中，后一級的任務只是在前一級的基礎上增加了個別新的單元或要求，任務難度逐漸提升，系統復雜度逐漸提升。但從任務的完成過程來看，絕不僅僅是在前一任務的程序基礎上，增加幾行代碼就能夠完成的。每一級的工作任務，都需要學生重新完成系統組態，重新確認I/O信息，重新設計代碼結構、控制流程，重新繪制控制界面等。學生在一次次完成工作任務的過程中，通過反復的訓練，逐漸熟悉工作流程；在難度的逐漸提升中，掌握和提高需要的技能，逐漸建立職業思維習慣。課程重構前后的內容結構對比如圖2所示。

圖2 “工業機器人系統集成”原有課程結構與重構后的課程結構對比

4.4 課堂實施與評價

在課堂組織上，以小組為任務完成單位。每小組4～5人，在不同的工作任務中分別輪流負責文檔撰寫、機器人編程、PLC編程、觸摸屏組態編程等內容。在實施過程中，均以“資訊、計劃、決策、實施、檢查、評價”這樣的普適性工作方法來完成各項任務。學生團隊在每一個任務情境的每一個過程環節中，都需要充分了解本環節工作內容、制訂該環節的完成計劃、分配詳細任務到團隊成員中并加以實施，確定適當的檢查內容以保證過程的正確執行等。課程的最終評價采用發展性、過程性評價原則，除了考查學生的任務完成情況和技能掌握情況外，也關注學生的學習態度、知識遷移能力、團隊協作能力、語言溝通能力等職業素養方面的情況。在教學過程中，教師可以通過角色扮演的方式，以客戶的身份對學生在任務完成的各階段進行觀察、提問等，并適當選取關鍵的知識和技術要點進行檢查和測評，要求各團隊對自身的任務完成過程進行復盤和工作過程反思，通過這樣的方式形成階段性評價，并將過程檢查和評價貫徹整個教學周期。

5 結語

基于工作過程系統化的課程結構設計方式是以工業機器人系統集成相關的職業工作任務為依據，以工作的具體過程為基礎，經過典型任務工作流程歸納、參照系的選擇與學習情景設計等過程，重構了“工業機器人系統集成”課程的教學內容。把課程的內容體系納入職業的“行動體系”中，不再以單一的知識內容作為教學重點，學生的學習過程更加貼近真實的職業活動，這是對高職教育課程改革的積極探索。