新工科背景下工業機器人系統集成課程教學改革

韋雅曼，莫名韶，黃宇婧，周文軍

（南寧職業技術學院，廣西 南寧 530008）

0 引言

近年來，教育部積極推進“新工科”建設，先后發布了《關于開展新工科研究與實踐的通知》[1]《關于推薦新工科研究與實踐項目的通知》[2]，助力中國“新工科”教育改革和新行業新技術的發展。“新工科”建設為《中國制造2025》[3]等重大戰略提供了人才保障，培養具備創新、實踐和綜合素質的卓越工程科技人才[4]，服務于以新技術、新業態、新產業、新模式為特點的新經濟發展[5]，推動工程教育的改革和創新。《中國制造2025》提出了加快推進工業機器人應用的目標，要加大對工業機器人研發和應用的支持力度，推動工業機器人在制造業中的廣泛應用，提高制造業的智能化水平。

工業機器人技術作為“新工科”中的智能科學與技術類學科，滲透到制造業的各個領域，工業機器人在汽車、物流、倉儲、醫療、農業、建筑等領域得到了廣泛應用，同時也帶來了更多的機遇和挑戰。面對這些機遇和挑戰，如何加強對工業機器人技術專業課程教學的研究和應用，培養更多的專業技能人才，以適應中國制造2025 的發展需求將成為工業機器人技術專業課程改革教育面臨的一道難題。孫虹等[6]通過人才培養方案頂層設計構建了新工科多平臺實踐教學體系，并進行教學實踐改革；譚文君等[7]針對工業機器人技術基礎課程教學過程中存在的問題進行教學模式改革，提升了學生的實踐能力與創新能力；王成琳等[8]給出了以焊接機器人集成與應用為例的一種教學實踐方案。

工業機器人系統集成作為涉及機械、電子、自動化等多個學科的專業核心課程，主要面向工業機器人系統集成、方案設計、工藝規劃、虛擬調試、技術服務和項目管理等崗位，需要學生具備扎實的理論基礎和實踐操作能力。然而，目前工業機器人系統集成課程往往存在課程內容設置不合理、教學模式較為單一、受教學設備和資源限制、產教融合深度不夠和教學考核評價方式缺乏多樣性等問題，無法真正培養學生具備實踐能力、創新能力和提高學生的綜合素質。本研究旨在探索新工科背景下工業機器人系統集成課程教學改革的有效途徑和方法，為培養具備實踐能力、創新能力和綜合素質高的工程技術人才提供借鑒和參考，為工業機器人系統集成領域的發展做出貢獻。

1 工業機器人系統集成課程現狀和存在的問題

1.1 課程內容設置不合理

工業機器人系統集成課程是工業機器人技術專業人才培養方案中最重要的一門專業核心課程，涉及機械、電氣、自動化等多個學科領域，需要學生具備跨學科的綜合能力，但是目前課程內容設置與新興技術結合得不夠密切，有些內容過于陳舊和落后，沒有與先進的智能制造技術相結合，缺少應用性與創新性，導致課程設置與行業需求不匹配。另外，有些任課老師在上課之前，沒有結合學生實際和分析學習情況，來適當調整和設置課程內容，無法有效培養學生的工程能力、創新能力和跨學科能力，無法適應新工科建設與人才培養需求。

1.2 教學模式較為單一

現有的教學模式多為講授式教學模式，講授式是以教師為主導的教學模式，教師在課堂上通過PPT講解、演示、展示等方式向學生傳授知識，缺乏多樣化的教學方法，學生在被動接受知識的過程中缺乏主動參與和實踐操作的機會，學生容易覺得枯燥乏味，上課精力不夠集中，不能激發學生的學習興趣，從而使知識目標、能力目標和素養目標難以達成，導致學習效果不佳。工業機器人系統集成是一門實踐性很強的課程，傳統的課堂講授模式難以提供足夠的實踐機會，導致學生在實際應用中的能力有所欠缺。

1.3 教學設備和資源受限

工業機器人是高精度、高性能的設備，其價格往往較高，對于學校而言，購買和維護這樣的設備需要巨大的經濟投入，并且受場地面積限制，無法容納較多的設備套數，所以購買的設備數量往往較少，需要多位同學共享一套實訓設備，學習效率較低。并且隨著新興技術的不斷發展，工業機器人的技術和型號更新換代也非常迅速，導致學校購買的設備很快就會過時，無法滿足教學的需要。在課程實踐教學過程中，因操作危險大，有時難以完成對復雜環境下機器人操作，不能滿足機器人教學需求和達到良好的教學質量效果，因而急需尋求新的教學方法來解決設備和資源受限問題。

1.4 產教融合深度不夠

因產教融合不夠深入，工業機器人系統集成課程沒有做到將專業群與產業鏈、課程內容與職業標準、教學過程與生產過程進行全要素對接起來。課程教學大部分是基于購買的教學設備和配套的教材為主，缺少實際企業的生產項目融入到的課程體系。雖然部分高職院校與當地相關企業簽訂了工學交替實習合同，學校可以安排學生到企業去進行短期的實習實踐，但是由于課程的時間限制，加上企業的實際生產需求等多方面因素限制，學生在實際實習的過程中，在沒有充分掌握理論知識的情況下，很難將學校學到的知識和企業學到的知識進行有效的聯動，所以學生在實習期間通常處于疲于應付的狀態，從而培養出來的學生在工業機器人技術專業綜合技能和綜合素質方面較弱，無法適應“一人多崗，一崗多能”的社會需求。

1.5 教學考核評價方式缺乏多樣性

現有的考核評價方式缺多樣性，教學考核評價一般由平時成績、理論成績和實操成績組成，平時成績包括出勤和作業，但是占比較低，導致學生不重視平時成績。學生多數為了取得好的理論成績而刻板地去死記硬背，沒有很好掌握知識并進行知識遷移和應用；實操成績看重的是結果，而忽略了實際操作過程性的考核，沒有體現出學生實際掌握知識的情況和突出個人的特長，從而任課老師也沒辦法比較科學全面地掌握學生實際的學習情況。單一的考核方式，忽略了學習過程的評價，與新工科背景下國家教育要求不符。

2 工業機器人系統集成課程教學改革的策略

2.1 優化課程內容

根據工業機器人系統操作員、系統運維員等的崗位要求，深入自動化水平較高的企業進行調研，了解對應所需的技能和知識；同時，依據國家工業機器人技術專業教學標準，對接“1+X”工業機器人集成應用職業技能等級證書、工業機器人系統操作員等級證書標準，融合全國職業院校技能比賽“機器人系統集成”等的大賽要求，聯合先進制造業的企業導師，聚焦工業機器人在生產行業核心技術，修訂人才培養方案和課程標準，明確工業機器人系統集成課程的基本框架和要求，確保課程內容、崗位需求和教學標準相匹配。結合企業實際案例和項目實踐，對工業機器人系統集成課程模塊進行重構，根據工業機器人生產車間不同的工作場景，將課程內容劃分為不同的模塊，并確定每個模塊的核心內容和學習目標，包括知識目標、技能目標和素養目標。結合實際工作場景和技術要求，選取相關的理論知識和實踐操作，確保學生能夠全面掌握工業機器人系統集成的核心技術。同時，將工匠精神、勞模精神、勞動精神和科技強國等內容融入到相應的模塊中，新增實踐操作內容的比例，弱化理論講解，通過項目驅動培養學生的工程能力、創新思維、思想政治素養和跨學科能力等，適應新工科建設與人才培養需求。

2.2 創新教學模式

采用“項目引領、任務驅動、工學結合”的教學模式，通過角色扮演、直觀演示、分組競技等多種教學方法，將規范的操作技能落實到崗位角色中，突出學生主體地位，激發學生探究意識和行動，鼓勵學生通過自主探究來學習解決實際問題，實行第一課堂教學主線、第二課堂技能競賽線、第三課堂企業實踐線“三線并行”的教學方式。圖1 以工業機器人系統集成課程的項目6“輪轂分揀工作站系統集成”為例來說明該方式。

圖1 “三線并行”的教學方式

基于翻轉課堂理念，設計教學流程，注重全方位育人，采用線上+線下混合式教學模式，第一課堂教學主線將整個教學過程分為課前探學、課中導學、課后拓學三個教學流程。具體有：（1）課前探學：課前學生利用線上資源進行自學，開展討論交流，完成調研報告，帶著疑問進入課堂，教師在線答疑并根據學情及時調整教學策略。（2）課中導學：以生產過程為主線理實融合式教學，階梯闖關螺旋上升式學習。在教學重、難點攻克方面采用了動畫演示、分組討論、小組技能比武、互動游戲、虛擬仿真、直觀演示、實際操作等手段，學生通過討論、研究、游戲“活起來”，通過虛擬仿真、機器人實操“動起來”，通過技能比拼，校內教師、企業導師和雙創導師“三導師”點評“比起來”，打造教學過程與生產過程對接，教學過程可模擬、可練習、實踐經驗可交流提升的“有用”“有效”“有趣”的“三有”課堂。（3）課后拓學：課后學生完成課后作業，自愿參加競賽興趣小組，在創新創業工作室、3D 打印工作室等自主學習。最后，完成課堂調查問卷，幫助教師發現問題、再次優化教學策略。

2.3 解決教學設備和資源受限問題

借助信息技術手段，首先建立教學資源共享平臺，讓教師和學生能夠共享教學資源和經驗，實現“線上+線下”學習，不受場地限制，促進教學質量的提高。其次，與企業合作，利用企業的實際工作場景和設備，讓學生接觸到先進的制造業設備和工業機器人技術，提供實地實習和實訓機會。最后，引入虛擬仿真技術應用到課程中，可以彌補傳統教學方法的不足，提供更加靈活和個性化的學習環境。通過使用虛擬仿真軟件，學生可以在計算機上模擬和操作真實的機器人系統，通過虛擬環境進行實驗和調試，觀察機器人的運行情況，調整機器人參數和控制策略。課后，學生可以根據自己的學習進度和興趣，選擇不同的實驗和項目，無需擔心設備和資源的限制。

以南寧職業技術學院工業機器人技術專業的工業機器人系統集成課程教學改革為例，專業團隊建立的課程資源作為國家職業教育專業教學資源庫工業機器人技術專業建設項目的主要成果之一，以“紙質+數字”課程的方式，配有數字化課程網站與教、學、做一體化設計的專業教學資源庫，內容豐富，功能完善。在教學實施過程中，通過采用機器人虛擬仿真軟件Robotstudio 及PQart、團隊教師自主研發的工業機器人程序自動評分軟件V1.0、自主研發的工業機器人示教輔助裝置、學習通等信息化手段，克服傳統教學設備和資源的限制問題，全程協助教學及監測學生學習效果，助力突破學習重難點。根據學情及不同教學環節，采取合適的教學手段，解決教學中機器人編程抽象、綜合調試復雜等問題。

2.4 加強產教融合

加強產教融合，與相關企業建立緊密的合作關系。首先，學校提供場地，企業投入設備，校企共建生產性實訓基地，形成真實企業生產環境，發揮校企雙方的優勢；職業院校與生產企業育人主體深度融合，邀請企業專家、雙創導師和學校教師共同研究制定人才培養方案，參與課程設計和課程教學，確保職業教育始終貫穿在工業機器人應用型人才培養全過程。其次，學校可以從企業獲取真實的工業機器人系統數據和案例，為學生提供更加貼近實際的學習內容；企業為學校提供實際案例和項目支持，增加課程的實用性和行業認可度。最后，大二學生進入企業進行“工學交替”崗位實踐，學生通過生產勞動學習使用先進的工業機器人設備并完成實踐培訓。將職業資格證書、職業技能等級證書培訓內容融入課程教學，統籌組織實施，實現證書培訓過程與課堂教學過程一體、證書考核與課程考試同步，課證育人一體化，做到將專業群與產業鏈、課程內容與職業標準、教學過程與生產過程進行全要素對接起來。

2.5 多維度綜合評價

采取多樣化的教學考核評價方式，圍繞崗位綜合能力，構建三維五方六度綜合評價體系。為對接企業崗位人才需求，將工業機器人系統集成課程標準作為評價標準貫穿整個教學評價。如圖2 所示，通過“學生評、教師評、平臺評、專家評、機評”五方一體的評價，對課程學習進行過程性、結果性、增值性等3 個維度的綜合評價，這3 個維度分別從活躍度、規范度、合作度、完成度、準確度、創新度等6 個角度進行全面評價，實現了學習全過程的可評可測。具體評價設置為：過程性、結果性評價各占40%，增值性評價占20%。根據評價結果，反饋修正，不斷改進和優化教學過程，形成閉環課程評價體系。

圖2 三維五方六度綜合評價體系

3 結語

工業機器人系統集成課程從優化教學內容、創新教學模式、解決教學設備和資源受限、加強產教融合、多維度綜合評價等角度出發，提出課程教學改革思路，再結合本校的課程教學實施，探索新工科背景下工業機器人系統集成課程改革的有效途徑和方法，促進學生的綜合素質提升，為培養具備實踐能力、創新能力和綜合素質高的工程技術人才提供借鑒和參考，為培養適應新工科背景下的工業機器人系統集成專業人才做出貢獻。