应用型本科高校基于“学分认可型双证融通”的工业机器人课程体系改革

李庆梅,何玉安

(上海第二工业大学 智能制造与控制工程学院,上海201209)

0 引言

以智能化为特征的新一轮技术革命加速推进了工业机器人等设备的广泛应用,同时也给相关人力资源带来了巨大的需求。据中国机械工业联合会统计,到2025年,我国工业机器人技术人才需求将达900万人,以目前的培养速度来估计,届时仍然有400多万的人才缺口。尽管近几年国内高校纷纷开设了工业机器人相关专业课程,但以我校工业机器人技术人才培养为例,据毕业生问卷调查反馈,相关专业的应届毕业生工业机器人技能还不能完全达到企业需求,必须经过包括安全规范、工业机器人应用编程及维护、工业机器人与其他设备的协同等在内的培训才能正式上岗。因此,工业机器人职业技能成为增强学生就业竞争力及多工作、多岗位适应力的一个关键因素。

2019年初,国务院发布了《国家职业教育改革实施方案》,指出不仅要扩大应用型本科高校规模,还要大力提升应用型本科教育质量。应用型本科高校目的是培养具有应用实践能力的技术人才[1],与研究型高校不同,应用型本科高校课程体系中并不过多强调学习的理论广度和深度,但又不能因为突出应用而削弱了基础理论教学[2]。应用型本科高校的人才培养方案制定原则之一就是以职业能力为导向,兼顾学生未来发展需要[3],通过将职业标准融入教学过程,构建知识能力与职业素养并重、课堂教学与实践教学并举的课程体系,有效地实现应用型本科高校的人才培养目标[4]。

早在2014年,上海市人力资源社会保障局、市教委就颁发了《关于印发〈关于本市开展“双证融通”试点工作的实施意见〉的通知》,大力推动职业教育和学历教育的衔接。2019年国家人力资源和社会保障部又新增了工业机器人系统操作员和工业机器人系统运维员两种职业,同时设立了两种与之相关的国家职业资格专项证书(工业机器人操作与示教、工业机器人基本编程与维护),为工业机器人从业人员的职业技能水平和从业资格评估、用人单位的招聘提供了准则和依据,也对工业机器人技术人才的培养起到了引领作用。应用型本科高校可充分发挥学历教育的优势,将职业教育内容纳入课程体系,实现“双证融通”,通过专业基础知识学习与职业技术技能培训有机结合,提高专业人才培养与行业企业对于人才需求的契合度。

1 应用型本科高校工业机器人课程目前存在问题

工业机器人近几年在国内的销量、投放量均呈井喷式发展,但工业机器人关键零部件国产率低、售后维修保养难、技术及技能人才缺乏等问题也逐渐暴露并且日趋严峻[5-6],应用型本科高校工业机器人相关课程已不能完全适应产业发展的需求。坚持问题导向,我校智能制造专业到上海发那科机器人有限公司、库卡机器人(上海)有限公司、上海电气、大众汽车有限公司、上汽集团等企业进行了调研。结果表明企业对应用型本科高校工业机器人技术技能人才需求主要集中在工业机器人应用工程师、系统集成工程师、售前工程师、电气工程师几大类,要求掌握工业机器人典型产品的编程、应用及调试,以及工业机器人与其他电气设备的连接与通信,熟悉工业机器人常见故障的报警及处理方法等。对比企业需求,我校智能制造专业工业机器人人才培养在目标定位、适应市场变化、学生实践操作能力和师资几个方面仍有待提升。

1.1 培养目标定位不准确

工业机器人的应用涉及面广,根据行业要求不同,工业机器人的结构配置、软件包、参数调整方法、工艺规程等都有所区别,产业的细分对工业机器人人才的要求也趋于专业化。但目前应用型本科高校对相关人才的培养要求大都是使学生熟悉工业机器人结构、技术参数、原理、掌握编程语言及基础程序调试等,属于大众化、普及性教育,不仅缺少特色,也使得毕业生的技能与企业实际需求的匹配程度不高。应用型本科高校必须根据国家发展战略和地方产业特点及发展趋势来确定人才培养目标、调整课程内容,才能真正实现学以致用,为企业和社会解决专业人才短缺的问题。

1.2 工业机器人课程不能完全适应市场需求

工业机器人属于精密、高速运行的自动化设备,具有“知识+技能”特征,实践性很强。以往高校工业机器人相关课程都注重理论化,侧重于力学分析、夹具设计、程序设计等,实验教材也主要由本校教师编撰,与企业标准化及流程化操作有很大差别,实践及实训的课程非常少,往往在实验室实习,安全生产、防护措施、全局观念等不足。要培养适应国家发展战略需要的高技能应用型人才,必须进行相关课程及其教学改革,才能适应市场需求。

1.3 学生动手能力亟待提升

工业机器人作为智能制造中的关键技术,从布局到运行都与产线及工厂密不可分。目前许多高校工业机器人的实验课,基本是单机操作,通过虚拟任务的轨迹编写来熟悉工业机器人的操作和应用等,与生产实际结合不够紧密、教师授课和学生学习都比较抽象。企业实践为了不影响工厂正常生产,工业机器人不能完全对学生开放使用,导致学生解决实际问题的动手能力和全局设计理念的锻炼有限。此外,实验课时量偏低,以我校工业机器人相关课程为例,理论课与实验课比例约为3:1,并且实验课偏重于考察编程及程序调试能力。在企业调研中发现,工业机器人程序编制主要由工业机器人厂家或集成商在调试阶段完成,若产品或产线需要调整才会对工业机器人程序进行修改；工业机器人的日常维护保养、故障诊断及修复等占工业机器人相关工作中的大部分,课程改革必须考虑如何增强学生的动手能力、职业意识、全局设计理念。

1.4 工业机器人师资力量薄弱

多年来,应用型本科高校的师资大部分来自于应届毕业博士,少部分来自于企业等,许多教师企业实际工作经验不足；此外,一些教师缺乏再学习、再培训提升的时间,从而导致教师的知识储备、技能更新跟不上产业发展变化。而工业机器人本身是一个应用性强、技术集成度高、发展更新比较快的领域,教师素质及师资队伍结构需要不断地进行动态优化,才能为高质量的教学提供基本保障。

2 应用型本科高校工业机器人课程改革措施

为了适应国家产业发展需要及人才市场需求,按照国务院颁布的《国家职业教育改革实施方案》明确在应用型本科高校启动“学历证书+若干职业技能等级证书”制度试点工作的要求,我校首先选择工业机器人专业相关课程进行了基于“学分认可型”的双证融通改革。通过学历教育课程和职业资格证书学分的转换互认,实现学历教育与职业资格培训的衔接贯通,体现应用型本科高校“以职业能力为导向”的办学宗旨。为了保证课程改革试点的顺利实施,从人才培养目标修订、工业机器人课程大纲修订、课程内外实践教学的开展、师资力量优化等几个方面来对工业机器人课程进行了改革,也带动了其他专业的课程改革。

2.1 制定服务区域经济发展、提升职业能力为本的培养目标

以我校为例,所在的长三角地区,以医药制造、汽车制造、高端装备制造为主导产业[7],需要大量工业机器人完成分拣、包装、喷涂、焊接、搬运、装配、产品检验等工作。培养的工业机器人人才应该是技术应用型人才,具备一定的机械制造及工艺、电气控制、计算机及信息管理技术等相关学科专业知识、实践能力和综合素质,能在工业机器人领域从事智能机电系统设计与集成、在智能化工厂从事运行管理、智能装备装调、应用和维护等工作,市场对专业人才的需求就是我们课程改革的方向。

2.2 基于职业标准的工业机器人课程大纲修订

应用型本科高校定位于培养经济社会发展需要的应用型人才,应按行业职业标准来培养人才[8]。与工业机器人相关职业资格证书的理论要求部分相对比,我校工业机器人课程内容在安全操作及注意事项、工业机器人故障代码解析及排除方法、维修工具的使用、工业机器人的日常保养与维护、工业机器人常见机械故障等几个方面作了修订,通过修订教学大纲,并在原有课程内增设、修改相关内容,或新开理论、实验课程等来解决,实现专业课程内容与职业标准的对接,将职业标准融入到课程标准、课程内容的设计和实施中。例如,在传统的机械设计实践课中,为了更好地与工业机器人相关课程衔接,将传统减速器的设计分析转变为工业机器人常用的谐波减速器设计,或工业机器人关节设计等；在机械制图课程中,增加对工业机器人相关零部件的测绘；在可编程逻辑控制器课程中增加工业机器人通信及控制的教学内容等。新增了《智能制造系统集成》《智能装备故障诊断与维护》《工业机器人应用与维护实践》等课程。通过基于后续工业机器人相关课程知识图谱来倒推所需提前开课程的教材、讲授内容、实验,实现多门课程的联动改革,使得专业课程的学习难度呈梯度过渡,更加符合学生的认知发展规律,同时进一步增强学生的职业意识。

以工业机器人操作与示教职业资格证书为例,选取了4门核心课程试行学分认证,通过课程大纲、内容修订,做到了职业资格证书知识点的全覆盖,职业资格证中知识点与学历课程对应关系如图1所示,学生通过4门核心课程的成绩来替代工业机器人操作与示教职业资格证书中的理论考试部分,后续只需完成该资格证书中的实操部分考试,即可获得职业资格证书,实现学历教育与职业教育知识内容的融通。

图1工业机器人操作与示教职业资格证中知识点与学历课程对应表Fig.1 The corresponding table of knowledge points in the vocational qualif i cation certif i cate of industrial robot operation and academic courses

在课程开设时间上也作相应调整,与职业资格证书理论内容相关较大的课程尽量在前三年开设,便于学生完成学分认证及预留时间参加实操部分的考核,确保学生在毕业时能获取工业机器人相关职业资格证书,实现学历证书与职业资格证书有效对接。

2.3 基于智能制造工厂的工业机器人实训课程开发

实训课程的重要意义在于它能够充分体现专业的应用性、实践性,增强职业意识,虚拟的实验或实践场景难以发挥这些作用。后现代教育观认为,学习应该更注重过程和经验的积累,在师生平等交流和沟通的基础上,通过在开放的体系中研究问题、汲取知识,才能加强学生面向职业的关键能力的培养,而不仅仅是常规的授课-考试-获取学分[9]。我校于2016年起开始建设环保自行车装配智能工厂,完全按照企业实际进行布局和生产运营,现已投入使用,为包括工业机器人在内的许多课程提供了一个基于“中国制造2025”理念的工程实践综合平台。在教学方法方面,该智能工厂内的所有课程都根据应用技术型高等教育的培养目标和学生特点开展,采取观摩学习、顶岗实训等方式,注重培养学生的专业实践技能。

以OP40工位为例,工业机器人在机器视觉引导下完成自行车前轮的装配,如图2所示。首先,学生上岗前必须先通过安全教育及实训内容5S管理培训,考核通过后才能参加实训；然后,在教师的指导下熟悉产线及工作流程；明确工作任务要求,进行设备的规范操作培训；了解设备的常见故障信息及处理方法；掌握机器视觉的调试和设置、工业机器人的示教及编程等；最后,完成自行车前轮的装配。考核内容包括操作安全及规范、实际装配、效果检验等几个方面。通过实训课,增加了师生互动,激发了学生探索求知热情,提升了工业机器人教学质量、学生动手能力及职业意识。学生对工业机器人在加工制造中的应用有更加直接的体验,对工业机器人技术的理解不再局限于单机而是工业机器人在智能制造这个大环境中的真实应用,实现教学过程与生产过程对接,强化工学结合,注重过程化管理,使得培养的人才更加向职业标准靠近。

图2 ABB工业机器人装配自行车前车轮Fig.2 Front wheel of bicycle assembly by ABB industrial robot

2.4 加强“双师型”师资队伍建设

应用型本科以职业为导向、培养高技能型人才,对教师提出了更高的要求,教师不仅仅是传授专业知识,更多是需要在教学中有意识的培养学生解决实际问题的能力。鼓励专任教师通过企业实践、职业资格培训等扩充教学资源,提升教学能力,成为“知识型+技能型”的“双师型”教师。同时聘请行业内具备一定资质的优秀技师为兼职教师,逐步增加“技能型”教师的比重、改善师资队伍结构。

以我校智能制造专业为例,通过产学研结合、向企业引进等方式,使得目前具有企业工作经验的教师(包括智能制造工厂管理团队教师)队伍的占比超过了50%。许多教师结合自己的企业工作经验,开设了一系列工业机器人应用的新课程,比如智能装备故障诊断及维护、智能制造系统集成等,归纳出了应用型本科高校毕业生在工业机器人领域主要从事的相关岗位及岗位核心能力要求。如图3所示,结合应用型本科专业建设、智能制造工厂建设,围绕工业机器人技能人才所需的理论知识、职业素养及专业技能,开发了许多核心课程,为培养工业机器人技术的高技能人才奠定了基础。

图3工业机器人相关岗位能力与对应课程Fig.3 Industrial robot related post ability and corresponding courses

“双师型”师资队伍的建设带动了师生研发团队的兴起。近年来,我校积极推行学业导师制度,学业导师不仅负责指导学生的学业及职业规划,还积极引导学生参与相关科研项目,将一些企业难题转化为科研项目,开展先进技术、工艺、设备、材料的研发,培养了学生的创新精神、职业意识、工匠精神。我校许多专业都组建了师生研发团队,积极开展研发活动,取得许多成果,多次在国内外机器人比赛中取得佳绩。

3 总结及展望

在智能制造大浪潮下,工业机器人相关技术人才有巨大的市场需求,但也有一定的准入门槛。工业机器人技术是许多工程类相关专业学生必须掌握的技能,但工业机器人课程涉及的知识面广,不同行业对工业机器人技能的要求也各有侧重。应用型本科高校工业机器人技术人才培养需要突出“应用型”特色,以往理论多实践少、实验内容及方式单一的培养模式已经不能完全适应产业变革对人才的需求。以上海第二工业大学智能制造专业工业机器人课程体系改革为例,介绍了应用型本科高校工业机器人课程体系重构的一些措施,包括基于区域经济发展的人才培养目标制定、课程基于学分认可型双证融通、基于智能制造工厂的实训教学内容开发、师资力量的提升等方面。后期,还将在企业实践基地建设、国际交流合作等方面继续完善工业机器人相关人才培养方案。希望通过上述工业机器人课程体系改革,使应用型本科高校毕业生更好地适应市场需求；同时,紧密结合国家及地方产业布局来不断进行动态调整,彰显办学特色,为国家发展作出更大贡献。