基于工作过程系统化的中职《工业机器人视觉应用》课程开发研究

周 莉，熊 峰,2

（1.广东技术师范大学 交叉学科研究院，广东 广州 510665；2.深圳市第三职业技术学校，广东 深圳 518118）

0 引言

第四次工业革命席卷全球，我国为实现由制造大国向制造强国的转变，提出“中国制造2025”计划，向智能制造领域前进.《〈中国制造 2025〉重点领域技术路线图》中提出，到2025 年工业机器人销售量将达到26 万台，总数量达到180 万台[1].由于工业机器人视觉有精度高，柔性好，可重复作业的特点，制造业中越来越多的场景应用了机器视觉.由此可见，工业机器人视觉应用能力培养对于机器人技术应用类人才也越来越重要.

目前，工业机器人视觉应用方面现有的教材大多数理论性很强[2-4]，主要面向高校和高职院校，以及中职学校机器人相关专业的人才培养与培训，但由于教材整体难度偏高，缺乏职业教育理念，与企业生产一线技术人才需求不匹配，因此这些教材对于中职学校人才培养的适用性不强.此外，尽管目前学者们在中职工业机器人相关的课程开发方面已进行了许多教学研究，包括涉及《工业机器人检测与维修》等课程的机器人企业岗位需求调研[5]、引入新媒体教学手段的教学实践[6]、多元化评价体系[7]等等，但在中职《工业机器人视觉应用》课程的开发与应用方面的研究还较少见于相关文献.

基于工作过程系统化的课程开发理念[8-10]是由教育部职业技术教育中心研究所的姜大源教授提出的.课程的精髓在于行动层面的系统化，具体包括：知识、技能及综合能力的系统化；典型和通用工作过程的系统化；学习情境与学习领域的系统化；职业成长的系统化[9].该理念以人的职业层面的全面发展与终生学习为最终目标，不仅符合当前职业教育人才培养宗旨，还被广泛作为标准课程开发范式指导职业教育相关课程的开发.

鉴于此，本文主要运用工作过程系统化课程开发范式进行《工业机器人视觉应用》课程开发，通过深入行业企业调研访谈，挖掘工业机器人视觉的典型工作岗位群与核心职业能力，以典型工作任务为依据归纳行动领域，转化为学习领域并设计学习情景，最后开展教学实验，结合多种评价手段分析课程教学效果，对课程开发的有效性进行了验证.

1 基于工作过程系统化的课程开发过程

工作过程系统化课程开发的过程分为九步，包括：调查行业背景，分析职业岗位群，提炼典型工作任务，归纳行动领域，形成学习领域，制定课程标准，设计学习情况，组织教学实施及进行课程评价.

1.1 剖析岗位群，确定典型工作任务

行业企业调研采用线上（企业官网数据、网络招聘信息）、线下（实地访谈、发放问卷）相结合的方式，调研对象主要为分布在广东珠三角地区的工业机器人开发与应用类企业，样本涵盖国企、大型私企、外资企业、中外合资企业、中小型企业等，共计19 家（见表1）.

表1 珠三角地区先进制造企业调研分布情况

调研数据显示工业机器人相关岗位有三大类，分别是本体制造、系统集成、装备应用类，这些岗位都会涉及机器人视觉应用工作.目前中职毕业生的机器人视觉应用最典型的工作岗位需求主要集中在装备应用类中的视觉设备维护员、调试员.

根据企业技术专家调研和访谈结果，对中职工业机器人相关专业对应的岗位群及工作任务进行梳理，从中筛选并确定了从事机器人视觉相关岗位的具体工作任务包括：机器人本体安装，相机、光源和图像采集卡选型，控制柜、相机与PLC 接线与安装，视觉处理程序编制，视觉软件操作使用，工业机器人程序编制和视觉系统故障诊断与排除等.其中，机器人本体安装和线路布置为工业机器人工作站系统集成类岗位的典型工作任务，机器人程序编制属于工业机器人操作与应用类岗位的典型工作任务，这两种工作任务在机器人视觉应用课程中会得到具体实施应用，以期达到对相关职业能力进行巩固强化的效果.通过进一步深入分析工作任务，可以明确机器人视觉应用的典型工作任务是视觉设备安装与参数校准（见表2）.

表2 典型工作任务分析

1.2 归纳行动领域，形成学习领域

按照工作性质一致、行动维度相同的原则对机器人视觉应用岗位的典型工作任务进行行动领域划分，典型工作任务视觉设备安装及参数校准属于视觉工作站安装与调试工作领域.通过企业调研可知，机器人视觉应用的工作过程主要包括：获取项目方案书、工作站仿真模拟、工业机器人本体安装与系统设置、视觉系统设置及标定、工业机器人程序编写、工作站调试并记录、提交主管部门审核等一系列具体的工作任务.

1.3 明确课程定位，确定课程目标

《工业机器人视觉应用》课程是中职工业机器人技术应用专业的核心专业课，通常设置在第二学年第二学期学习完成，总课时36 学时.结合对中职教育专家和企业技术专家的调研访谈，本课程依照工业机器人视觉应用相关岗位的典型工作任务、岗位职责与要求确定了本课程的目标，主要包括：掌握扎实的机器人本体及非标辅助设备、视觉设备的硬件构成与理论基础知识，能够根据不同的应用场景综合运用相关知识选择站内设备；熟悉站内设备的连接与通讯，保障工作站的运行及完成调试，并严格执行国家、企业安全环保制度和“6S”管理制度；具有良好沟通和团队协作精神，养成吃苦耐劳、爱岗敬业等职业素养，具备独立分析、解决常规问题的能力等.

1.4 设计学习情境，组织教学内容

1.4.1 学习情境

学习情境设计遵循螺旋递进的原则，以视觉系统功能为载体，强化学习者系统化的职业能力.课程的学习情境主要根据企业中真实和常见的视觉工作项目加以教学化手段处理进行设计，包括：巧克力豆颜色识别、端盖缺陷件检测、多形状工件分拣和PCB 芯片贴装.这四个学习情境不需要与企业真实工作过程完全一致，教师可以根据学校现实的教学条件去选择.

学习情景排布严格按照学生认知规律进行心精心设计，实现理论知识和职业竞争力的共同提升[10].第一个学习情景，学生渐进掌握视觉系统安装和使用方法；第二个学习情境，学生掌握设备功能分析与选型方法；第三个学习情境，学生习得故障排查与调试方法；第四个学习情境，学生掌握解决方案设计的方法.经过四个学习情境的教学，老师慢慢脱手，学生逐渐上手，其涉及到的知识、技能、综合能力也在逐步增多，有助于提高学生的综合能力.

1.4.2 教学内容

学习情景主要涉及七个部分的教学内容，包含视觉工作站安装与调试的整个典型工作过程，还包括了资讯、计划、决策、实施、检查到评价的普适工作过程（见表3）.

表3 教学内容设计

2 课程实施与评价

为检验基于工作过程系统化的中职工业机器人视觉应用课程在实际教学过程中的有效性与可行性，本文设计并实施了教学实验，通过对课程评价和调查问卷的对比分析，明确了基于工作过程系统化开发的工业机器人视觉应用课程，对于学习者的学习积极性、视觉系统安装与校准等职业能力、知识技能内化迁移的方法等方面的影响.

2.1 教学实验准备

本研究选取某中职学校的2019 级工业机器人应用与维护专业的两个班级为研究对象.实验班的男生27 名，女 生2 名，共计29人.对照班的男生31 名，女生1 名，共计32名.学生具备一定的机械识图、电气元件识别与机器人应用和编程能力.

实验班的教学内容为基于工作过程系统化理念开发的自编讲义，教学地点在工业机器人理实一体化的实训室，教室分为理论教学区域和实操练习区域，二者相互连接.理论教学区域是按照小组协作教学进行布置，共6 张可活动圆桌，每张桌子可以坐5 至7 人.实操练习区域有6 台发那科工业机器人视觉识别平台，可供6 个小组进行实操使用.对照班的教学地点为传统的教室授课.

2.2 课程评价分析

课程评价主要针对学习者的学习动机、学习过程、学习效果及影响教学的非智力因素进行全面性评价，包括课后学习效果问卷和多元评价量表.多元评价量表包括自我评价表、小组互评表和教师评价表，满分均为100 分，占比分别为20%、30%和50%.

2.2.1 学习效果问卷分析

通过对比可知实验班和对照班学生的学习效果方面，实验班在资料收集、视觉系统安装与调试、机器人程序编写等能力方面明显优于对照班（见图1）.

图1 职业能力对比图

2.2.2 多元评价表对比分析

通过多元评价表数据可以看出，实验班60-69 分段有3 人，70-79 分段有4 人，80-89 分段有16 人，90-100 分段有6 人；对照班小于60分 有7 人，60-69 分段有13 人，70-79 分段有9人，80-89 分段有3 人.实验班学生的综合评价成绩总体高于对照班学生（见图2）.

图2 多元评价表的分数对比图

2.3 课程问卷调查分析

课程问卷调查主要针对课程内容满意度、职业能力形成、思维过程形成、情感态度实现等方面进行了调查和分析.

2.3.1 课程内容满意度

从课程内容的实践性与真实性、学习内容之间逻辑关系、学习内容的难度等方面的调查结果可以看出，实验班学生认为基于工作过程系统化课程范式的工业机器人视觉应用课程的内容具有较高的实践性，课程难度设置合理，而对照班课程学生的满意度相对较低（见图3）.说明实验班同学非常认可工业机器人视觉应用课程，能够接受并乐于学习基于工作过程系统化课程，而非传统课程.

图3 课程内容满意度对比图

2.3.2 职业能力形成

对于学生的系统性职业能力形成，包括视觉工作站安装、调试过程中涉及到的知识与技能等的调查结果表明，实验班同学认为基于工作过程系统化课程能够大幅提高他们视觉工作站设备选型、安装调试、机器人程序编写等职业能力，并且可以更快速地掌握这些职业技能（见图4）.

图4 职业能力形成对比图

2.3.3 思维过程形成

思维过程主要包括“资讯、计划、决策、实施、检查到评价”的普适性工作过程、比较学习的思维方法等，可有效加强学生未来任职的适应能力，提高就业灵活性.学生思维过程的形成评价对比所示，实验班学生认为基于工作过程系统化课程能够帮助他们获得良好的思维方法，学会从整体上分析、把握、解决未知且复杂的问题，而对照班对此的认同感相对较低（见图5）.

图5 思维过程的形成对比图

2.3.4 情感态度实现

通过对比实验班和对照班学生对工作的认可度、与人合作交流、学习的积极性等情感态度因素评价，可以发现：实验班学生在基于工作过程系统化开发的课程学习中体会到了工作的乐趣、与人并肩作战解决问题的快乐，具备了一定的吃苦耐劳精神，明白了实际生产的安全性，大大提升了学习者学习的积极性，而对照班学生反映的结果相对较差（见图6）.

图6 情感态度实现对比图

3 结论

本课程以视觉工作站安装与调试任务为典型工作任务，基于工作过程系统化范式设计了学习情境，并开发了教学内容，课程难度设置合理，课程内容实践性较高，较好地提高了学生的学习积极性，能够帮助学生快速地获取新的知识和技能，使学生获得良好的思维方法去解决问题，从而更好地适应未来的职业岗位需求.