“三教”改革背景下“工業機器人應用系統集成”課程教學改革與實踐

熊小艷 楊 柳

(湖北開放大學/湖北科技職業學院,湖北 武漢 430074)

一、前言

2019年,國務院印發《國家職業教育改革實施方案》(簡稱“職教20條”),提出了“三教”(教師、教材、教法)改革的任務[1]。深化“三教”改革,促進職業教育教學改革創新發展,是當前職業教育的重要任務,也是職業教育內涵建設的重要抓手。“三教”改革應始終圍繞培養高素質技術技能人才的目標,采取整體設計、協同推進的方式,以課程建設為切入點,著力打造高水平、結構化教師教學創新團隊,開發具有職教特色的新形態教材,探索符合學生認知特點和職業成長規律的教育教學方法。其中,教師是根本,教材是基礎,教法是途徑,它們形成了一個閉環的整體,解決教學系統中“誰來教、教什么、如何教”的問題。

湖北科技職業學院工業機器人技術專業是省級特色專業,教育部現代學徒制試點專業。本文以工業機器人技術專業為例,對該專業核心課程“工業機器人應用系統集成”進行課程改革研究,其經驗與成果可以為高職院校工業機器人技術專業探索“三教”改革提供參考和借鑒。

二、“工業機器人應用系統集成”課程建設存在的問題和原因

“工業機器人應用系統集成”是工業機器人技術專業的一門實踐性很強的專業核心課,對接工業機器人應用編程、工業機器人集成應用等職業技能等級證書,主要面向工業機器人系統集成、生產應用、本體制造類企業的機械裝調、電氣裝調、維護維修、方案設計、工藝規劃、系統集成、虛擬調試、項目管理等職業崗位群,教學內容包括工業機器人應用系統集成一般過程、工業機器人IO接口技術、工業機器人外圍通信技術、工業機器人典型工裝系統、工業機器人應用系統程序調試方法、工業機器人應用系統程序整體運行等。

目前,課程在建設過程中存在以下問題:

(一)教學團隊知識技能更新不夠及時

“工業機器人應用系統集成”涉及多個專業領域,對教師的綜合職業素養要求較高。一方面,部分教師雖然理論知識豐富,但是由于缺乏企業工作經歷,實踐經驗不足,導致動手能力較弱;另一方面,工業機器人技術專業的相關新技術層出不窮,更新速度前所未有,而大部分高職院校的工業機器人技術專業的教師來源于機電一體化、電氣自動化等相關專業,教師的知識、技能更新迭代速度落后于新技術的發展速度。

(二)教學內容理論性太強,不能緊跟技術發展

隨著“三教”改革的持續推進,基于工作過程導向的項目化教材逐漸投入教學使用,但是存在將原有的“章、節”改為“項目、任務”的現象,實際上仍然是按照學科體系編排教學內容,重點強調理論知識,缺乏實踐指導。此外,課程涉及的數字孿生與虛擬調試技術、MES技術等內容,在教學中的普及還不夠;相關技術發展迅猛,教材卻未能緊跟技術的發展而更新內容,導致教材內容可操作性不夠強、教材更新不夠及時等問題發生。

(三)教學方法陳舊,學生自主學習能力較弱

部分高職學生理論基礎較為薄弱,學習自主性不強。課程難度較大,學生主觀上存在畏難情緒;課程常規的教學方法是教師講解示范、學生跟做,學生缺乏獨立思考的過程;課程所需配套的實訓設備單臺設備值較高,學生工位數不足,有效訓練時間有限。基于以上原因,導致學生訓練時間不足,課程知識內化不夠,技能強化不足。在課程學習過程中局限于課堂中練習過的項目,不能做到舉一反三,知識遷移能力較弱。[2]

通過以上分析可知,課程改革不夠深入的原因如下:1.一些高職院校僅僅從師資、教材、教學方式等方面進行宏觀調控,缺乏面向不同學生和不同學科的針對性措施[3];2.“三教改革”偏于理論性指導,不具備可操作性和可復制性;3.多數職業院校在課程建設中,教師、教材、教法三要素是割裂開來的。例如,有的院校只重視教師創新意識、科研能力的培養,而忽略了教師的教材開發建設能力;有的院校只注重新教材的開發,不注重新教材的使用,一些任課教師在授課過程中仍然使用傳統的課堂講授法,致使“三教改革”中的三要素相互分離,無法取得實際效果。

針對以上存在的問題,課程建設需要做好頂層設計,促使教師、教材、教法三要素的改革一體化推進。

三、課程改革的研究與實踐

(一)多措并舉,打造高水平教學團隊

1.強強聯合,組建高水平課程建設團隊

學校層面成立教師工作部,做好教師培養的頂層規劃。學校審慎研判機器人產業需求和技術發展趨勢,聚焦教師專業能力成長與產業發展的適應性,從實際情況出發,組建結構化的高水平工業機器人技術專業教學團隊。根據課程融合多學科知識的特點,綜合考慮教師的專業技術背景和專業技能水平,抽調骨干教師,組建工業機器人系統集成課程建設團隊,成員均來自國家級職業教育教師教學創新團隊。

2.內外結合,搭建教師交流提升“雙平臺”

學校依托現有的工業機器人技術專業國家職業教育教師教學創新團隊、湖北省工業機器人技術職業教育技能名師工作室、湖北名師工作室,與機器人頭部企業共建“智能制造中小微企業工程技術中心”“匯博機器人國家級高技能人才培訓基地武漢培訓中心”,為本地中小微制造企業的產業升級提供方案咨詢與技術支持,不斷增強教師的科研服務能力;與兄弟院校合作,共享教學資源、協同開展教研,建成了校內裝備先進的智能工廠;為響應湖北省賦能提質專項行動計劃,依托智能工廠,聯合X證書評價組織,為湖北省多名教師開展X證書師資培訓。同時,在校外典型智能制造企業成立了教師企業實踐流動工作站,依托“雙平臺”,讓教師開展人才培養與課程建設調研,與企業導師合作制定課程標準,開發教學資源與企業教學案例。

3.多維磨合,提升教師專業水平

以企業真實項目為引領,通過“產、訓、賽、研”四維度磨煉教師素質能力。在師德師風建設引領下,以課程建設存在的問題為導向,課程團隊教師在企業頂崗實踐,與企業技術人員一起進行技術研發,完成“基于小型ABB桌面級系統工作站”等項目。團隊教師定期外出交流培訓,邀請校外專家來校對教師進行集中培訓,及時更新教學理念,研討課程建設;教師通過實操技能比武、教學能力比賽等途徑,提升專業水平,結合校內實訓平臺,開展“基于智能工廠的‘專業綜合實訓’課程探索與實踐”“X證書背景下‘MES技術應用’課程開發研究與實踐”等課題研究,提升課程開發能力;通過企業項目歷練、集中培訓鍛煉、技能比武錘煉和競賽指導促煉、課程開發和課題研究,促進課程團隊整體水平的提升。

(二)對接多維標準,重構教學內容

“職教20條”中明確指出,借鑒“雙元制”等模式,總結現代學徒制和企業新型學徒制試點經驗,校企共同研究制定人才培養方案,及時將新技術、新工藝、新規范納入教學標準和教學內容。教學內容選取要以專業目錄、專業教學標準、課程標準為依據,能夠有效對接職業崗位能力要求、技術規范以及安全規范等職業標準。

1.校企共建課程,實現“崗課賽證”融合

根據團隊前期相關企業調研結果,以合作企業的高端智能手機生產線為載體,依據工業機器人系統集成工程師崗位需求,提煉出工業機器人應用系統的安裝與調試、操作與編程、系統集成等企業崗位核心技能模塊[4]。課程建設團隊根據工業機器人技術專業教學標準和合作企業工業機器人系統集成工程師的崗位標準,有機融入工業機器人技術應用和機器人系統集成全國職業院校技能大賽競賽要求,對接工業機器人集成應用職業技能等級標準(中級),引入數字孿生與虛擬仿真新技術,重構教學內容,有效實現“崗課賽證”有機融合。

2.結合課程理論實踐一體化特點,開發 “活頁式”教材

教材是教學改革成果的凝練,是呈現教學內容、實現教學目標的重要載體,要能夠有效服務師生“做中教、做中學”。“職教20條”提出建設“活頁式”“手冊式”等新形態教材的任務。教學團隊按照工業機器人系統集成工程師的工作過程和崗位能力要求,設計7個教學項目,每個項目包含若干個工作任務,每個項目和任務均從易到難、由零到整進行排序和結合,符合職業院校學生認知特點和職業能力成長邏輯。“活頁式”教材本質上是最小單元或任務的設計保證其獨立和完整,能保證部分教材內容的撤換和更新不破壞教材的整體結構。[5]

學校教師、行業企業專家共同組建“活頁式”教材開發團隊,團隊成員依據職業技能等級標準和機器人技術發展趨勢,共同分析機器人系統集成工程師的主要工作任務、工作過程及職業能力要求,從素質、知識、能力三個維度列出崗位能力清單;團隊對職業能力進行分析,并列出每項職業能力對應的知識點、技能點,選擇合適的任務載體、有效的教學方法,對配套的教學資源進行初期規劃,構建教學內容組織結構,制定教材建設方案。

3.教材與資源建設與教學方法改革同步進行

一方面,教材的內容、結構必須與教學方法的改革相匹配;另一方面,教學方法的改革,也有利于教材更新改版,增強實用性。因此,團隊依據課程標準和教學內容,結合實訓條件,編寫與六步教學法相配套的校本教材,同時設計學生自評、生生互評、教師評價等多元評價的過程性考核表,評價要素和評價方法要融入愛崗敬業的職業道德和精益求精的職業素養,有利于后續教學方法的改革。目前,該課程已建成校級精品在線開放課程,提供活頁式教材、工業機器人應用編程1+X考核題庫、企業生產線安全操作規范、全國職業院校技能大賽任務書、實訓指導書等立體化教學資源,服務學生個性化、多樣化的學習需求。

(三)實施六步教學法,提升學生自主學習能力

教法是課程教學改革的路徑,是教師和教材改革的最終落腳點。多年的教學實踐表明,德國“行動導向教學法”的教學效果明顯優于傳統教學方法,獲得了國內多所高職院校的認可[6]。團隊借鑒德國雙元制模式,結合課程實際,采用六步教學法,對教學過程進行了整體設計。

下面以“項目6.高端智能手機生產線工業機器人工作站系統集成”為例,闡述教學過程的具體實施。

1.教學過程與教學方法

基于學生學習規律、工作過程、職業成長規律,秉承“以學生為中心”的教學理念,利用OBE成果導向法,以高端智能手機生產線工業機器人工作站的系統集成為應用場景,模擬企業現場環境,形成了“一個中心,兩條主線,雙主體協同”的教學模式,見圖1。

圖1 教學模式

教師根據學情分析結果,結合具體任務特點,靈活采用任務驅動、餐墊法、容錯法、卡片法、小組合作等方法,促進學中做、做中學。通過學習通平臺、集成小助手等教學手段,達成教學目標,解決教學重難點,提高了教學水平,突出了教學效果。學生通過繪制程序控制流程圖、查找硬件IO接口等,根據教師的引導學習新知識、新技能。每個教學環節教師均設置任務考核,引導學生主動思考,并學會團隊合作。

課堂教學在學校實訓室、企業現場開展,由學校教師、企業師傅“雙導師”共同施教,校企雙主體、雙場地協同育人,有效解決教學重點,突破教學難點。課堂教學以學生為中心,教師為引導,做中教、做中學,在鍛煉學生專業技能的同時,培養學生分析問題、解決問題的能力。

教學過程分為課前探索—課中導學—課后拓展三個環節。課中導學,采用六步教學法,按照“資訊、計劃、決策、實施、檢查、評估”六個步驟展開。實施過程如下:

資訊環節:教師導入企業案例,引導學生了解任務要求,查閱活頁式教材,自主學習本次任務所需的知識,完成對應的練習。通過國產機器人案例的導入,激發學生技能報國的家國情懷。

計劃環節:教師引導學生開展小組討論,制定工作計劃,填寫工作計劃表,培養學生團隊合作的能力。

決策環節:教師引導小組展示工作計劃,各組之間指出工作計劃的不足,從而確定合理的工作計劃。通過工作計劃的討論和修改,培養學生精益求精的工匠精神。

實施環節:學生小組合作繪制流程圖、檢查硬件、填寫地址表、調試程序,教師講解重難點。

檢查環節:小組展示搬運工作站流程的運行,教師檢查評分。

評估環節:教師引導學生按照評價表互評,學生按照企業學徒的要求,進行工位整理,拍照上傳至學習通平臺。

2.考核評價

課程考核強化過程評價,探索增值評價,健全綜合評價,充分利用現代化信息技術,提高課程評價的科學性、專業性、客觀性。課程充分利用信息教學手段,關注教學全過程信息采集,針對素質、知識、能力三維目標展開考核與評價,包括課前診斷性評價、課中形成性評價、課后終結性評價等動態評價,有機結合雙導師評價、學生自評、小組互評等多元化評價,做到學生成績和學習效果可評可測,充分提高學生的創新能力和競爭意識,促進學生自主學習,打造高效課堂,提升學習效果。

(1)基礎評價。利用綜合評價體系,通過教師、企業、學生等多元評價主體,從程序編寫、程序調試、工位整理、團隊合作意識等多維評價視角,圍繞課前、課中、課后三個階段,實施基礎評價、過程評價、終結評價。(2)增值評價。增值評價是當下一種新的評價方式,以經過學校教育活動前后學生所獲得的成長進步“增值”為評價標準,來判定學校對學生發展的影響,呈現出成長性、階段性、激勵性等鮮明特點。[7]

在教學實踐中,首先通過簡單的應用練習和初始學業測試了解學生的初始學業水平,建立學生初始狀態評價,將各項目的測試結果進行增值分析,得出本階段的學習增值。教師和學生可以根據學習增值情況表,分析本階段的學習方法和學習效果,從而對教學方法和學習方法進行改進。通過對整個學習過程的分析,教師可以統計所有學生在這門課中的學習波動情況,深入了解課程的重點結構,改進教學方法。學生可以及時了解自己各個階段的學習狀況,對課程知識結構能夠更深入的理解,養成良好的學習方法。

四、課程實施效果

(一)校企對接、任務驅動,教學目標有效達成

校企共同搭建校內外實訓環境,對接企業標準,設置工作任務,校企共同實施教學,采取任務驅動、小組合作、組間競爭、組內互助等多種方式引導學生構建認知結構,解決教學重難點。堅持以學生為中心的教學理念,自編活頁式教材,采用六步教學法,著重培養學生自主學習、分析問題、解決問題的能力,增強了學生自主探究意識和合作意識。各教學環節,課程思政有機融合,起到潤物細無聲的作用。基礎評價和增值評價有效結合,充分發揮了評價的激勵與促進作用。

(二)數據可跟蹤、學習可愉悅,課堂參與度明顯提高

采用六步教學法后,提取學習通平臺的數據,并對實施前后情況進行對比,發現學生的學習方法、學習主動性和學習興趣得到顯著提升,小組協作能力、應用實踐能力均有所提高。實踐表明,六步教學法符合學生認知特點和職業成長規律。

(三)“崗課賽證”有機融合,高端技能人才養成

將工業機器人應用與編程X證書中的職業素養、基礎知識等要求融入課程教學內容,將工業機器人技術應用和機器人系統集成國賽技能要求納入考核范圍,實現“崗課賽證”有機融合。學生X證書通過率達97.4%。近幾年該專業學生參加全國、全省職業院校技能大賽,獲得國賽一等獎1項、二等獎1項、三等獎4項和省賽一等獎5項。該課程教學改革有力推動了工業機器人專業其他課程的建設與改革,起到示范引領作用,提升了專業建設品質,提高了學生的就業競爭力、就業率以及創新創業能力,培養了一批高端技能人才服務于湖北智能制造產業中小微企業。

(四)以課促研、研賽對接,教師能力全面提升

經過六年多的教學實踐,教學團隊以課程教學改革為突破口,開展工業機器人專業相關課程改革與建設研究,共獲得科研項目立項校級課題3項、省級課題5項、國家級課題1項,并獲取專利5項;教學團隊教師潛心課程建設,獲得省級教師教學能力大賽二等獎2項。這些成績說明課程改革有效促進了教師整體水平的提升。

五、結語

該課程的教學實踐改革證明,以專業核心課程的建設為突破口,組建高水平結構化教學團隊,探索教師能力提升路徑,將行業的新技術、新工藝、新規范融入教學內容,并開發新形態的教材,探索符合學生認知規律和職業成長規律的教學方法,推進“三教”改革向縱深發展,可以有效提升學生綜合素質,培養滿足企業需求的人才,更好地服務于區域經濟的發展。