“三教”改革背景下“工业机器人应用系统集成”课程教学改革与实践

熊小艳 杨 柳

(湖北开放大学/湖北科技职业学院,湖北 武汉 430074)

一、前言

2019年,国务院印发《国家职业教育改革实施方案》(简称“职教20条”),提出了“三教”(教师、教材、教法)改革的任务[1]。深化“三教”改革,促进职业教育教学改革创新发展,是当前职业教育的重要任务,也是职业教育内涵建设的重要抓手。“三教”改革应始终围绕培养高素质技术技能人才的目标,采取整体设计、协同推进的方式,以课程建设为切入点,着力打造高水平、结构化教师教学创新团队,开发具有职教特色的新形态教材,探索符合学生认知特点和职业成长规律的教育教学方法。其中,教师是根本,教材是基础,教法是途径,它们形成了一个闭环的整体,解决教学系统中“谁来教、教什么、如何教”的问题。

湖北科技职业学院工业机器人技术专业是省级特色专业,教育部现代学徒制试点专业。本文以工业机器人技术专业为例,对该专业核心课程“工业机器人应用系统集成”进行课程改革研究,其经验与成果可以为高职院校工业机器人技术专业探索“三教”改革提供参考和借鉴。

二、“工业机器人应用系统集成”课程建设存在的问题和原因

“工业机器人应用系统集成”是工业机器人技术专业的一门实践性很强的专业核心课,对接工业机器人应用编程、工业机器人集成应用等职业技能等级证书,主要面向工业机器人系统集成、生产应用、本体制造类企业的机械装调、电气装调、维护维修、方案设计、工艺规划、系统集成、虚拟调试、项目管理等职业岗位群,教学内容包括工业机器人应用系统集成一般过程、工业机器人IO接口技术、工业机器人外围通信技术、工业机器人典型工装系统、工业机器人应用系统程序调试方法、工业机器人应用系统程序整体运行等。

目前,课程在建设过程中存在以下问题:

(一)教学团队知识技能更新不够及时

“工业机器人应用系统集成”涉及多个专业领域,对教师的综合职业素养要求较高。一方面,部分教师虽然理论知识丰富,但是由于缺乏企业工作经历,实践经验不足,导致动手能力较弱;另一方面,工业机器人技术专业的相关新技术层出不穷,更新速度前所未有,而大部分高职院校的工业机器人技术专业的教师来源于机电一体化、电气自动化等相关专业,教师的知识、技能更新迭代速度落后于新技术的发展速度。

(二)教学内容理论性太强,不能紧跟技术发展

随着“三教”改革的持续推进,基于工作过程导向的项目化教材逐渐投入教学使用,但是存在将原有的“章、节”改为“项目、任务”的现象,实际上仍然是按照学科体系编排教学内容,重点强调理论知识,缺乏实践指导。此外,课程涉及的数字孪生与虚拟调试技术、MES技术等内容,在教学中的普及还不够;相关技术发展迅猛,教材却未能紧跟技术的发展而更新内容,导致教材内容可操作性不够强、教材更新不够及时等问题发生。

(三)教学方法陈旧,学生自主学习能力较弱

部分高职学生理论基础较为薄弱,学习自主性不强。课程难度较大,学生主观上存在畏难情绪;课程常规的教学方法是教师讲解示范、学生跟做,学生缺乏独立思考的过程;课程所需配套的实训设备单台设备值较高,学生工位数不足,有效训练时间有限。基于以上原因,导致学生训练时间不足,课程知识内化不够,技能强化不足。在课程学习过程中局限于课堂中练习过的项目,不能做到举一反三,知识迁移能力较弱。[2]

通过以上分析可知,课程改革不够深入的原因如下:1.一些高职院校仅仅从师资、教材、教学方式等方面进行宏观调控,缺乏面向不同学生和不同学科的针对性措施[3];2.“三教改革”偏于理论性指导,不具备可操作性和可复制性;3.多数职业院校在课程建设中,教师、教材、教法三要素是割裂开来的。例如,有的院校只重视教师创新意识、科研能力的培养,而忽略了教师的教材开发建设能力;有的院校只注重新教材的开发,不注重新教材的使用,一些任课教师在授课过程中仍然使用传统的课堂讲授法,致使“三教改革”中的三要素相互分离,无法取得实际效果。

针对以上存在的问题,课程建设需要做好顶层设计,促使教师、教材、教法三要素的改革一体化推进。

三、课程改革的研究与实践

(一)多措并举,打造高水平教学团队

1.强强联合,组建高水平课程建设团队

学校层面成立教师工作部,做好教师培养的顶层规划。学校审慎研判机器人产业需求和技术发展趋势,聚焦教师专业能力成长与产业发展的适应性,从实际情况出发,组建结构化的高水平工业机器人技术专业教学团队。根据课程融合多学科知识的特点,综合考虑教师的专业技术背景和专业技能水平,抽调骨干教师,组建工业机器人系统集成课程建设团队,成员均来自国家级职业教育教师教学创新团队。

2.内外结合,搭建教师交流提升“双平台”

学校依托现有的工业机器人技术专业国家职业教育教师教学创新团队、湖北省工业机器人技术职业教育技能名师工作室、湖北名师工作室,与机器人头部企业共建“智能制造中小微企业工程技术中心”“汇博机器人国家级高技能人才培训基地武汉培训中心”,为本地中小微制造企业的产业升级提供方案咨询与技术支持,不断增强教师的科研服务能力;与兄弟院校合作,共享教学资源、协同开展教研,建成了校内装备先进的智能工厂;为响应湖北省赋能提质专项行动计划,依托智能工厂,联合X证书评价组织,为湖北省多名教师开展X证书师资培训。同时,在校外典型智能制造企业成立了教师企业实践流动工作站,依托“双平台”,让教师开展人才培养与课程建设调研,与企业导师合作制定课程标准,开发教学资源与企业教学案例。

3.多维磨合,提升教师专业水平

以企业真实项目为引领,通过“产、训、赛、研”四维度磨炼教师素质能力。在师德师风建设引领下,以课程建设存在的问题为导向,课程团队教师在企业顶岗实践,与企业技术人员一起进行技术研发,完成“基于小型ABB桌面级系统工作站”等项目。团队教师定期外出交流培训,邀请校外专家来校对教师进行集中培训,及时更新教学理念,研讨课程建设;教师通过实操技能比武、教学能力比赛等途径,提升专业水平,结合校内实训平台,开展“基于智能工厂的‘专业综合实训’课程探索与实践”“X证书背景下‘MES技术应用’课程开发研究与实践”等课题研究,提升课程开发能力;通过企业项目历练、集中培训锻炼、技能比武锤炼和竞赛指导促炼、课程开发和课题研究,促进课程团队整体水平的提升。

(二)对接多维标准,重构教学内容

“职教20条”中明确指出,借鉴“双元制”等模式,总结现代学徒制和企业新型学徒制试点经验,校企共同研究制定人才培养方案,及时将新技术、新工艺、新规范纳入教学标准和教学内容。教学内容选取要以专业目录、专业教学标准、课程标准为依据,能够有效对接职业岗位能力要求、技术规范以及安全规范等职业标准。

1.校企共建课程,实现“岗课赛证”融合

根据团队前期相关企业调研结果,以合作企业的高端智能手机生产线为载体,依据工业机器人系统集成工程师岗位需求,提炼出工业机器人应用系统的安装与调试、操作与编程、系统集成等企业岗位核心技能模块[4]。课程建设团队根据工业机器人技术专业教学标准和合作企业工业机器人系统集成工程师的岗位标准,有机融入工业机器人技术应用和机器人系统集成全国职业院校技能大赛竞赛要求,对接工业机器人集成应用职业技能等级标准(中级),引入数字孪生与虚拟仿真新技术,重构教学内容,有效实现“岗课赛证”有机融合。

2.结合课程理论实践一体化特点,开发 “活页式”教材

教材是教学改革成果的凝练,是呈现教学内容、实现教学目标的重要载体,要能够有效服务师生“做中教、做中学”。“职教20条”提出建设“活页式”“手册式”等新形态教材的任务。教学团队按照工业机器人系统集成工程师的工作过程和岗位能力要求,设计7个教学项目,每个项目包含若干个工作任务,每个项目和任务均从易到难、由零到整进行排序和结合,符合职业院校学生认知特点和职业能力成长逻辑。“活页式”教材本质上是最小单元或任务的设计保证其独立和完整,能保证部分教材内容的撤换和更新不破坏教材的整体结构。[5]

学校教师、行业企业专家共同组建“活页式”教材开发团队,团队成员依据职业技能等级标准和机器人技术发展趋势,共同分析机器人系统集成工程师的主要工作任务、工作过程及职业能力要求,从素质、知识、能力三个维度列出岗位能力清单;团队对职业能力进行分析,并列出每项职业能力对应的知识点、技能点,选择合适的任务载体、有效的教学方法,对配套的教学资源进行初期规划,构建教学内容组织结构,制定教材建设方案。

3.教材与资源建设与教学方法改革同步进行

一方面,教材的内容、结构必须与教学方法的改革相匹配;另一方面,教学方法的改革,也有利于教材更新改版,增强实用性。因此,团队依据课程标准和教学内容,结合实训条件,编写与六步教学法相配套的校本教材,同时设计学生自评、生生互评、教师评价等多元评价的过程性考核表,评价要素和评价方法要融入爱岗敬业的职业道德和精益求精的职业素养,有利于后续教学方法的改革。目前,该课程已建成校级精品在线开放课程,提供活页式教材、工业机器人应用编程1+X考核题库、企业生产线安全操作规范、全国职业院校技能大赛任务书、实训指导书等立体化教学资源,服务学生个性化、多样化的学习需求。

(三)实施六步教学法,提升学生自主学习能力

教法是课程教学改革的路径,是教师和教材改革的最终落脚点。多年的教学实践表明,德国“行动导向教学法”的教学效果明显优于传统教学方法,获得了国内多所高职院校的认可[6]。团队借鉴德国双元制模式,结合课程实际,采用六步教学法,对教学过程进行了整体设计。

下面以“项目6.高端智能手机生产线工业机器人工作站系统集成”为例,阐述教学过程的具体实施。

1.教学过程与教学方法

基于学生学习规律、工作过程、职业成长规律,秉承“以学生为中心”的教学理念,利用OBE成果导向法,以高端智能手机生产线工业机器人工作站的系统集成为应用场景,模拟企业现场环境,形成了“一个中心,两条主线,双主体协同”的教学模式,见图1。

图1 教学模式

教师根据学情分析结果,结合具体任务特点,灵活采用任务驱动、餐垫法、容错法、卡片法、小组合作等方法,促进学中做、做中学。通过学习通平台、集成小助手等教学手段,达成教学目标,解决教学重难点,提高了教学水平,突出了教学效果。学生通过绘制程序控制流程图、查找硬件IO接口等,根据教师的引导学习新知识、新技能。每个教学环节教师均设置任务考核,引导学生主动思考,并学会团队合作。

课堂教学在学校实训室、企业现场开展,由学校教师、企业师傅“双导师”共同施教,校企双主体、双场地协同育人,有效解决教学重点,突破教学难点。课堂教学以学生为中心,教师为引导,做中教、做中学,在锻炼学生专业技能的同时,培养学生分析问题、解决问题的能力。

教学过程分为课前探索—课中导学—课后拓展三个环节。课中导学,采用六步教学法,按照“资讯、计划、决策、实施、检查、评估”六个步骤展开。实施过程如下:

资讯环节:教师导入企业案例,引导学生了解任务要求,查阅活页式教材,自主学习本次任务所需的知识,完成对应的练习。通过国产机器人案例的导入,激发学生技能报国的家国情怀。

计划环节:教师引导学生开展小组讨论,制定工作计划,填写工作计划表,培养学生团队合作的能力。

决策环节:教师引导小组展示工作计划,各组之间指出工作计划的不足,从而确定合理的工作计划。通过工作计划的讨论和修改,培养学生精益求精的工匠精神。

实施环节:学生小组合作绘制流程图、检查硬件、填写地址表、调试程序,教师讲解重难点。

检查环节:小组展示搬运工作站流程的运行,教师检查评分。

评估环节:教师引导学生按照评价表互评,学生按照企业学徒的要求,进行工位整理,拍照上传至学习通平台。

2.考核评价

课程考核强化过程评价,探索增值评价,健全综合评价,充分利用现代化信息技术,提高课程评价的科学性、专业性、客观性。课程充分利用信息教学手段,关注教学全过程信息采集,针对素质、知识、能力三维目标展开考核与评价,包括课前诊断性评价、课中形成性评价、课后终结性评价等动态评价,有机结合双导师评价、学生自评、小组互评等多元化评价,做到学生成绩和学习效果可评可测,充分提高学生的创新能力和竞争意识,促进学生自主学习,打造高效课堂,提升学习效果。

(1)基础评价。利用综合评价体系,通过教师、企业、学生等多元评价主体,从程序编写、程序调试、工位整理、团队合作意识等多维评价视角,围绕课前、课中、课后三个阶段,实施基础评价、过程评价、终结评价。(2)增值评价。增值评价是当下一种新的评价方式,以经过学校教育活动前后学生所获得的成长进步“增值”为评价标准,来判定学校对学生发展的影响,呈现出成长性、阶段性、激励性等鲜明特点。[7]

在教学实践中,首先通过简单的应用练习和初始学业测试了解学生的初始学业水平,建立学生初始状态评价,将各项目的测试结果进行增值分析,得出本阶段的学习增值。教师和学生可以根据学习增值情况表,分析本阶段的学习方法和学习效果,从而对教学方法和学习方法进行改进。通过对整个学习过程的分析,教师可以统计所有学生在这门课中的学习波动情况,深入了解课程的重点结构,改进教学方法。学生可以及时了解自己各个阶段的学习状况,对课程知识结构能够更深入的理解,养成良好的学习方法。

四、课程实施效果

(一)校企对接、任务驱动,教学目标有效达成

校企共同搭建校内外实训环境,对接企业标准,设置工作任务,校企共同实施教学,采取任务驱动、小组合作、组间竞争、组内互助等多种方式引导学生构建认知结构,解决教学重难点。坚持以学生为中心的教学理念,自编活页式教材,采用六步教学法,着重培养学生自主学习、分析问题、解决问题的能力,增强了学生自主探究意识和合作意识。各教学环节,课程思政有机融合,起到润物细无声的作用。基础评价和增值评价有效结合,充分发挥了评价的激励与促进作用。

(二)数据可跟踪、学习可愉悦,课堂参与度明显提高

采用六步教学法后,提取学习通平台的数据,并对实施前后情况进行对比,发现学生的学习方法、学习主动性和学习兴趣得到显著提升,小组协作能力、应用实践能力均有所提高。实践表明,六步教学法符合学生认知特点和职业成长规律。

(三)“岗课赛证”有机融合,高端技能人才养成

将工业机器人应用与编程X证书中的职业素养、基础知识等要求融入课程教学内容,将工业机器人技术应用和机器人系统集成国赛技能要求纳入考核范围,实现“岗课赛证”有机融合。学生X证书通过率达97.4%。近几年该专业学生参加全国、全省职业院校技能大赛,获得国赛一等奖1项、二等奖1项、三等奖4项和省赛一等奖5项。该课程教学改革有力推动了工业机器人专业其他课程的建设与改革,起到示范引领作用,提升了专业建设品质,提高了学生的就业竞争力、就业率以及创新创业能力,培养了一批高端技能人才服务于湖北智能制造产业中小微企业。

(四)以课促研、研赛对接,教师能力全面提升

经过六年多的教学实践,教学团队以课程教学改革为突破口,开展工业机器人专业相关课程改革与建设研究,共获得科研项目立项校级课题3项、省级课题5项、国家级课题1项,并获取专利5项;教学团队教师潜心课程建设,获得省级教师教学能力大赛二等奖2项。这些成绩说明课程改革有效促进了教师整体水平的提升。

五、结语

该课程的教学实践改革证明,以专业核心课程的建设为突破口,组建高水平结构化教学团队,探索教师能力提升路径,将行业的新技术、新工艺、新规范融入教学内容,并开发新形态的教材,探索符合学生认知规律和职业成长规律的教学方法,推进“三教”改革向纵深发展,可以有效提升学生综合素质,培养满足企业需求的人才,更好地服务于区域经济的发展。