基于工作过程系统化“工业机器人技术基础”课程开发研究

■陈林涛，朱衡绅，蓝莹，薛俊祥，陈睿

工业机器人作为结合微电子和计算机技术的先进产品，是现代工业和智能制造的重要支柱。在工业机器人实际使用中，对现场调试和生产线监控人员具有较高要求，尤其是高素质操控工业机器人的人才缺乏[1]，而中等职业学校作为工业机器人技能型人才培养的主要阵地，在教育教学上面临许多严峻挑战。工作过程系统化因其面向过程、注重理论实践之间迁移、以工作过程为纽带联系理论与实践等特点，在当代职业教育中有广泛运用，可为工业机器人技术应用专业的课程开发提供一种新的方向。通过调查研究法和理论研究法，以实践操作为主，以理论探究为辅，对工作过程系统化的工业机器人专业课进行开发与实践探究。

一、现状分析

“工业机器人技术基础”作为中职工业机器人技术应用专业的基础课程之一，主要包括工业机器人基本操作、典型编程应用、维护与调试等常规的工作内容。学生通过本课程的学习对工业机器人形成较为全面的认识，为接下来学习复杂的操作与编程打下基础，课程内容有一定的理论性。根据前期调研和文献研究归纳，“工业机器人技术基础”等专业课的教学模式较为单一，部分学习内容与企业、岗位的工作内容存在差异，课程学习结果无法充分发挥其效能[2-4]，具体表现如下：

（一）学习内容具有较强理论性，影响学生的情感体验

当前课程目标下，学生学习内容通常更侧重知识完整性、逻辑性和系统性。课程刚开始时，主要学习工业机器人基础知识、基本操作要点，新知识以概念方式呈现，各部分形成一个完整的知识系统；但随着深入学习，来到典型编程应用、维护与调试章节，内容复杂、难以理解，学习难度逐渐增大，此时学生所学知识未运用到实践中，情感体验上的缺乏导致学生学习积极性呈下降趋势[5]。

（二）教学模式单一，对学生探究能力培养不足

当前工业机器人技术基础课程，教学中仍以先学习理论和流程，后进行实操；工业机器人技术基础作为一门“理论+实践”课程，需要在理论讲授与操作实践中找到平衡点，理论讲授过多容易造成课堂枯燥、互动性差，而操作实践过多会导致缺乏理论讲解，可能阻碍学生探究能力的培养；另一方面，教师授课的主要内容来源是课本，灵活性不高[6-7]，例如实训课中的基础操作如工业机器人基本运动、示教器基本操作训练课时较多，对于示教编程、路径规划等安排较少，对学生探究能力培养不足。

（三）培养目标存在差异，不能满足企业对工业机器人人才的要求

调查发现，很多中职学生对于工业机器人岗位认识不足，对于课程和专业了解不全面[8-9]。究其原因，课程结构设置没有与一线生产的服务需求相结合，不能够满足实际岗位工作任务、企业对人才的需求，在一定程度上影响了学生对于专业人才培养认识，导致学习目的性不强。通过走访华中数控设备有限公司，了解到装备制造企业对中职学生岗位要求主要包括：（1）熟练掌握示教器等操作；（2）能够及时排查错误；（3）在产线上能对机器人程序进行编辑和设备搭建。然而不同中等职业学校的工业机器人技术基础课程目标存在差别，部分学校重在实操培养，部分学校侧重编程等，可以看出当前中职学校课程培养目标不能满足企业对工业机器人人才的培养要求。

二、工作过程系统化的开发原则与方法

工作过程系统化是指“在岗位上完成一项工作任务，并取得一定成果，形成一个完整的工作过程”[10-11]。将实际工作过程中每一个工作流程的逻辑梳理清晰，接着通过归纳的方式强调解决问题的一般方法。以工作过程为纽带将工业机器人的理论知识与实践联系，将工作过程知识作为联系理论知识与实操的关键，改善中等职业学校中学习内容理论性强、教学模式单一、课程培养目标不能满足企业要求等问题。国内外学者对工作过程系统化的理念进行探究和应用[12-15]，提出四项基本原则和四项设计方法[16]，如图1所示。

图1 开发原则与设计方法

（一）工作过程系统化开发原则

1.适应岗位要求原则

课程开发需要结合岗位上真实的工作任务，贴合应用场景。

2.符合学生能力范围原则

中职学生在思想方面较为活跃，会积极地参与各类社会活动，但学生对理论学习积极性不高，对实践性操作更加感兴趣。形象思维对于中职学生更为常用，在应用型人才培养上更具有优势，课程开发中应注重培养学生的应用技能。

3.以能力为本位筛选课程内容原则

学生综合素质的培养是中等职业学校教育的重要目标，培养能力作为侧重点，一方面考虑人全面发展，另一方面规划人的发展方向，充分发挥学校的能力培养作用。课程内容选择确定时，须考虑人的全面发展并对人的发展方向做出一定规划。

4.以学生为中心组织课堂教学原则

不再以教师为中心，而是以学生为中心，让学生成为课堂的主体。教师可收集网络资源、线上视频、全景照片和岗位真实环境的VR资源等，为学生直观展示职业情境，以完成一个完整的工作过程为导向，开展探究式学习。

（二）工作过程系统化设计方法

1.典型工作任务归纳

邀请企业专家和中职学校教师参与典型工作任务归纳的过程，收集工作岗位的常见工作任务和具体过程进行分析，再归纳为典型的工作任务。

2.行动领域形成

对工作过程进行分析，根据能力复杂程度整合典型工作任务，进行整理和凝练，形成几个完整的行动领域，由简单到复杂。

3.学习领域转换

根据典型工作任务和行动领域，结合教材和实际教学过程，进行学习内容分析，将工作任务转换为可用在教学中的内容，形成课程的基本结构。

4.学习情境设计

综合上述领域归纳，设计教学单元、课堂教学的环境、教学实施方案，形成由实践情境构成，以过程逻辑为中心的框架，注重教学行动与典型的工作任务的整合。

三、构建的总体思路

首先，进行课程目标分析。经文献综述、实地调研发现不同的中等职业学校的“工业机器人技术基础”课程目标存在差别，部分学校侧重现场实操的培养，有的学校侧重编程与调试、产线设计与人机协同等[6-9]。另一方面，企业对于工业机器人人才的要求包括熟练掌握机器人的操作，能够及时排查错误。在保证“工业机器人技术基础”课程知识体系完整的情况下，须将教学实践的侧重点放在职业成长规律上，帮助学生提高机器人操作能力、编程调试能力以及错误排除能力，使其能够完成企业岗位工作任务；接着进行教材分析，选取教材中实践性较强的章节，提取章节工作任务，包括搬运、码垛、装配等，联系上下文将理论知识点渗透到具体的实训任务中，教学形式以“教+学+做”一体化方式开展[17]。

其次，在教学手段上，采用任务驱动法；把“工业机器人技术基础”某一节课内容划分为几项具体工作任务，按照各个工作任务的要求来进行教学，安排在实训室完成，然后再对某项工作任务中所涉及的知识点加以讲解，通过具体视频动画，使学生了解此知识点以及整个工作任务；再对考核方式进行改进，最终成绩为：30%项目成绩+40%课程设计成绩+20%课后成绩+10%课堂表现成绩。

最后，根据工作过程系统化方法和原则，与专家研讨和设置4种典型工业机器人工作任务；行动领域，将典型工作任务细化为具体步骤，形成教学单元；学习领域，将对应的知识点与教学单元联系起来，形成具体的学习内容；系统化的教学情境设计，对教学情境进行详细设计以还原真实工作过程，思路框架如图2所示。

图2 开发原则与方法

四、“工业机器人技术基础”课程开发过程

（一）典型工作任务的归纳

典型工作任务需要根据企业的真实场景，完成具体任务。经走访不同企业，将典型工作任务分为工业机器人的基本调试、示教编程操作、产线设计等。根据不同典型工作任务，分析并设置完成任务的具体过程，例如工业机器人基本操作需要掌握基本运动参数设定、工具/工件坐标系标定等过程，如表1所示。

表1 典型工作任务

在归纳典型工作任务的过程中，为保证任务设置符合人才培养目标，须联系企业、了解学校和师生的意见，组织召开企业和学校专家研讨会，目的在于对工业机器人岗位分析，确认行业发展趋势，分析拟定的典型工作任务是否体现综合性、完整性。

（二）行动领域的形成

在归纳典型工作任务基础上，需要形成行动领域。典型工作任务是以企业岗位为出发点，涉及的工作任务范围较广，须对其进行整理和凝练，提取其中重要的工作步骤，将性质相同、复杂程度相当、完成任务所需技能类似的任务归为一类，再对类别进行排序，遵循由简单到复杂的原则，确保转换后的内容在学生的能力范围内。若任务过难或过于抽象，将降低学生对于完成任务的动力，不利于进一步的课堂教学。还须联系教材内容，不宜过度偏离教材，一定程度上教材中的内容在为学生的学习提供理论指导。此外，行动领域的形成作为承上启下的关键环节，是转换学习领域的必要环节，为下一步的课程开发提供指导，这里以典型工作过程中的工业机器人工程应用为例说明，如表2所示。

表2 行动领域形成

（三）学习领域的转换

学习领域转换是在前2项的研究基础上，对各个行动领域中各部分的内容进行详细设计，在学习领域中可包括多个学习内容，需要注意的是学习内容要为完成工作任务服务。具体的学习内容为教材中知识点的提炼，对各个知识点进行分析，发掘其与工作任务之间的关系，将两者有机结合，通过学习基础知识为完成工作任务打下基础。需要对教材中的知识进行重新安排，结合企业的人才需求和学校现状，合理增加或化简知识内容，由于涉及教学知识的增减，合理设置学习领域是工作任务向教育教学转化的关键，学习领域的转换如表3所示。

表3 学习领域搭建

（四）系统化的教学情境设计

教学情境设计是课程开发过程中的最后一步，须对教学情境进行详细设计以还原真实工作过程。因此，教学情境的设计须结合典型的工作任务，包括一个完整的工作过程，促进学习过程与工作过程的统一。设计学习情境前，先要确定参考系，参考系指在课程中用于划分不同学习情境的标准[18]，一般可以将工作对象、工作实施手段、工作的具体内容、产品类别、环境要素等作为选择的依据。在本课程中，以工业机器人岗位上的工作任务复杂度为参考系，如图3所示。

图3 教学情境设置参考系

根据四个典型工作任务设计对应的教学情境，在此基础上设计子教学情境，在子情境中分配学习内容，组成一个完整的工作过程。

表4 设计教学情境

五、教学设计与实践

（一）教学设计

以“工业机器人技术基础”课程中第9章“工业机器人的应用——码垛”为例，结合课程特点和学情，完成基于工作过程系统化的教学设计。课程教学对象为中等职业学校学生，具有一定的理论基础和较扎实的操作能力，动手能力较为突出。基于工作过程系统化的课程符合学生的基本学情，首先在课前向学生展示工业机器人的码垛应用，让学生直观了解码垛过程，紧接着进行主要过程的讲解，再发布任务书“工业机器人的简单码垛”，组织学生按小组进行方案设计，在教师的指导下开展实践操作，最后进行讲评与总结。设计方案关键部分如表5所示。

表5 教学设计方案关键部分

（二）任务书设计

教师通过网络平台收集与本堂课相关的资料，在课前设计一份任务书，如表6。任务书体现本节课所需完成工作任务，同时用于引导学生进行任务的学习，学生可在课前通过任务书了解本节课的任务，若遇到问题可直接向教师请教，教师在上课过程中能够更有针对性，此外任务书本身也是一项评价学生学习程度的指标，是一种过程性评价，能够帮助教师把控教学过程、掌握学生情况；新课导入时，教师可结合任务书内容播放工业机器人码垛相关视频，让学生对岗位的真实工作情景有直观的认识。

表6 任务书设计

（三）教学的实施与评价

1.教学实施

课前，提前将任务书和自我评价表发放给学生，自我评价表如表7，让学生了解本节课的学习内容并进行自我评价，学生可根据任务书提出自己的问题，与老师探讨；课中，采用多种教学手段相结合方式，其中小组探究以5～6人为一组，在小组内设置具体的分工，分工可包括轨迹简图、轨迹点示意图、程序编写、点位示教、操作视频录制，由各小组长安排组员的任务，每堂课进行任务轮换，学生在此过程中学习各个环节的任务，培养团队意识，为将来在岗位上的团队协作打下基础；课后，组织学生填写自我评价表。

表7 自我评价表

2.评价方面

通过分析学生的自我评价表，统计上课后学生对知识的掌握程度是否有提高、课堂满意度和课堂参与度是否能超过80%，再与授课教师交流讨论，听取双方的反馈意见，秉持发展性、过程性的评价原则，从教学目标、课堂效果、师生满意度、课程进度等方面进行反思，形成一个过程性评价，综合考量整个教学模式。

本次评价表调查了44名学生，结果如图4所示，笔者对问卷数据进行整理，并结合同学们的主观反馈，从以下三方面对实践结果进行分析思考。

图4 教学评价结果

第一，课程学习层面，课后学生认为自身知识技能掌握程度达78.9%、任务完成度达87.3%，相比课前预测分别提高了22.6%、29.5%。学生的知识技能掌握程度、任务完成度有较大提升，在工作过程系统化的引导下，对任务有明确清晰的认识，进而提高知识技能的掌握程度。

第二，课堂效果层面，学生对工作任务的满意程度为90.5%、课堂满意度为86.6%，相比课前预测提高了10%、12%。课后学生对工作任务和课堂满意度均符合预期，学生乐于参与工作过程系统化的课堂。

第三，收获与体验层面，学生普遍认为自己需要提升编程的熟练度，需要注意指令的使用；有30%的学生提到在路径规划中遇到了困难，有15%的学生认为点位的获取较为困难。由此可知，在工作过程系统化模式下，学生们能够认识到真实工作中的核心操作，使学生的学习更有针对性。

基于工作过程系统化进行中职“工业机器人技术基础”课程开发，首先开展行业分析、岗位需求分析，接着了解当前中职学校的教学现状，通过顶层设计确定开发方向，对课程进行开发，围绕典型工作任务归纳、行动领域形成、学习领域转换以及系统化的教学情境设计进行，最后开展教学实践与评价，在工作过程系统化体系下，学生根据工作情境学习知识和技能，更贴合岗位上的实际工作，有助于提高中职学生对工作技能的掌握程度，对高素质技术应用型人才的培养有促进作用。