基于“三教一实”的高职“工业机器人应用技术”课程改革——以温州职业技术学院为例

黄金梭

（温州职业技术学院，浙江 温州 325035）

工业机器人是一种新兴的柔性智能装备，在“机器换人”中应用得越来越广泛，其相关的高素质技术技能型人才供不应求。在可观的人才需求背景下，国内诸多高职院校纷纷开设了工业机器人技术专业或在相近、相关专业中新增工业机器人应用技术作为核心课程[1]。在理论层面，国内教育学者针对高职院校如何培养符合岗位要求、不可替代的高素质技能人才做了大量、深入的系统性探索和研究，其研究成果可供工业机器人相关专业人才培养的顶层设计参考，例如，按照“岗位设计-知识能力分析-课程体系架构”的人才培养方案设计模型，唐万鹏等、蒋庆斌等都针对工业机器人技术专业提出了一套完整的课程体系建设构想[2-3]；丁金昌从课程改革的角度提出了一系列适合高等职业教育“做中学”和“实践导向”等教学模式的教学体系建设理论[4-5]。在实践层面，由于高职院校学生和教师的特质、课程的专业性与实践性强以及教学的高教性要求等原因，作为培养工业机器人应用能力的核心课程，“工业机器人应用技术”在教学中往往未能有效地实现预设的作用。

以温州职业技术学院的“工业机器人应用技术”课程为例，该课程的建设过程经历了从无到有、从经验不足到配置齐全与实施高效，教师、教材、教法和实训室等4个因素的有机结合和有效应用在这个过程中发挥了重要作用，四者融合将能更好地发挥帮助学生掌握工业机器人技术的专业知识、培养学生工业机器人系统应用能力的作用，解决高职院校在工业机器人应用领域的人才培养上出现的“心有余而力不足”的困境。为了进一步探索高等职业院校中“工业机器人应用技术”这一新兴课程的建设方法，本文在深入分析课程建设过程中存在教师、教材、教法与实训室建设不健全等问题的基础上，系统性地提出课程改革的总体思路，并给出相应的建设举措。

一、高职院校工业机器人技术人才培养面临的困境

1.工业机器人实训条件达不到实践教学要求，好教师与好教法难以发挥最优作用

当前，高职院校中“工业机器人应用技术”课程的实训室建设普遍存在以下三种情况：其一，实训室建设不健全。诸多高职院校创办工业机器人技术专业的年限比较短，人才培养的标准不统一，目标定位不明确，尤其在“建成什么样的实训室”这个问题上还未形成清晰的思路，加之实训设备的建设所需资金多，最终导致许多高职院校一直未建成一个健全有效的工业机器人实训室。其二，实训设备与教学要求不匹配。当下工业机器人实训室的形态、实训设备以及实训项目大多由教学仪器公司单向设计和研制，导致与教师使用的教材及课堂教法方式方法不匹配。一是实训设备设计上不匹配。设备供应商出于商业目的考虑，往往会在一套工业机器人实训设备上集成大量超出工业机器人应用技术范畴的产品，例如力传感器、机器视觉、PLC、伺服电机系统、触摸屏等等，忽略了以学生掌握工业机器人应用技术的实训需求为导向进行合理的实训项目设计和硬件配置。二是实训指导说明书不匹配。设备供应商大多只提供设备的操作步骤指导书，与教学所要求的项目化教材相差甚远，使得学生只根据操作指导书执行，“只知其一不知其二”地“傻做”实训，学生无法理解专业知识，其创新能力得不到训练。三是实训设备和实训项目与教学脱节，集合了超出课程以外的其他自动化产品及其实训内容，不仅对教师的技术领域宽广度提出了更高的要求，而且还会因为技术过于复杂导致开展实训任务的可操作性很差，最终无法培养出符合岗位能力要求的学生。其三，实训设备的生均台套数不足。由于工业机器人产品本身成本高，加上过度集成，成套实训设备的价格比较高，在有限经费和场地面积的情况下，生均台套数过少，学生参与动手操作的机会很少。此外，对于由教仪公司建成工业机器人实训室的院校来说，还要面临教材选择的难题：如果选用配套的实践性很强的实训任务操作指导书，则缺乏与专业知识相结合，体现不出“高教性”[4]；如果选用理论性很强的知识讲解型教材，则内容太抽象、深奥，与实训设备无关，缺乏实践指导，体现不出职业性，也不适合高职学生学习。

对“工业机器人应用技术”课程的教学实践经验进行分析发现，如果没有解决好实训室建设、实训设备与实训教材同步配套的问题，即使是从企业引进的能工巧匠或者是实践经验丰富的“双师型”教师，纵然有百般教学方法，也难以施展。

2.教学师资力量无法满足职业教育要求，实训室、教材和教法无法得到充分利用

高职院校的师资队伍来源于三部分：一是“三改一补”以前原有的中专院校教师，二是直接从普通高等院校招聘的应届毕业生；三是从企业引进的工程师。前两者的普遍特点是行业实践经验不足，即使有部分企业经历，也因为下企业锻炼流于形式而未能给这些教师的技术应用与创新能力带来实质性的提升，甚至还出现了重学术轻应用、重科研轻教学的现象，严重脱离了高职院校的职教特性；后者教学技能生疏，由于常年从事某一特定岗位，养成埋头苦干的工作习惯，不擅表达，不懂教学规律，缺乏高职教育所需的教学方式方法。

综上所述，有再好的实训室与配套的教材，以及再合适的教学方法与模式，如果教师的专业教学技能与行业实践经验不俱全，将难以组织开展类似“做中学”的教学活动。

3.教与学方法不得当，教师、教材及其配套的实训室无法起作用

高职院校现有师资队伍导致大部分高职院校课程的教学方法存在着“以教师为中心，知识满堂灌”和“以学生为中心，任务傻傻做”的情况，难以组织开展类似“做中学”的教学活动，“工业机器人应用技术”课程也不例外。纯讲授型的教学方法下，学生无法理解专业知识，且没有学以致用的环节，职业能力就无法得到训练。在学生纯动手式的教学方法下，教师仅交代任务，让学生跟着操作步骤“傻干到底”，尽管最终完成了任务，却不知背后的专业原理，一旦更换已知条件，就不知如何应对，授之以鱼，未能授人以渔。倘若缺乏匹配的教学方法，教师的行业实践经验再丰富，实训室与教材建设再先进，也起不了训练学生专业应用能力的作用。

二、“工业机器人应用技术”课程的“三教一实”改革总体思路

作为培养工业机器人应用工程师的一门核心课程，“工业机器人应用技术”是一门专业理论知识与应用实践技能结合度很高的课程，课程的建设至关重要。不同于本科层次和中职层次，高职院校培养的是工业机器人技术的应用型高技能人才[3，6]：本科教育重视知识传输与分析，强调知识体系的完整性与逻辑性；高职教育重视知识的理解与应用，强调工程技术的理论与实践的结合性；中职教育重视操作技能的传授与训练，强调技艺的熟练度。

基于上述高职院校工业机器人综合应用课程存在的问题与特点，提出“三教”改革背景下“工业机器人综合应用”课程的总体改革思路，如图1所示。该思路的中心思想是：教师、教材、教法和实训室是工业机器人应用课程进行“三教一实”改革的四要素，实施“做中学”教学模式的教法改革，将教师、教材和实训室的功能充分作用于学生，教师再根据学生的培养效果对实训室、教材和教法进行优化调整；实训室是教材的实践载体，教材是实训室的教学说明书，两者由教师统筹设计、相互配套，是实施“做中学”教学模式的重要载体；提升教师的技术应用能力、知识加工能力和教学组织能力，做到能熟练使用实训室中的实训设备进行操作示范、熟练使用教材进行理论讲解和引导学生边做边学。

图1 “三教”改革背景下“工业机器人综合应用”课程的总体改革思路

1.教师是教学内容的设计者和教学活动的组织者，是“三教一实”改革的核心

首先，“工业机器人应用技术”课程的授课教师要熟知工业机器人的相关知识，会熟练使用工业机器人设备。尤其是从校门到校门的理论型教师，应该积极参与科研活动，主动对接企业需求，承接企业委托的工业机器人自动化技改课题，提升工业机器人应用的实战能力。其次，教师还要化身为“厨师”和“导演”。与“会主动学习、擅长知识逻辑推理”的大部分本科及以上层次的学生不同，对于高职院校学生来说，知识就像难咽的“米饭”，学生就像需要“喂饭”的小孩，只有经过“调味”的知识，才容易被“吞下”。所以，教师的教学任务之一就是“加工”知识，把“工业机器人运动学原理”等复杂、抽象、乏味的理论知识进行必要的简化处理，并运用各种计算机辅助设计的手段进行形象化的解释使其更具观赏性。最后，为了能让学生主动“吞下”这些知识，而不是被动“灌输”，教师的另外一个教学任务就是以“项目+任务”的形式来设计学习情境、组织教学活动，把需要学生理解的理论知识预先“埋伏”在实践活动中，引导学生在任务实施的过程中主动学习要用到的知识，教师以自身项目开发的经历对知识做必要的分析和答疑。如此，高职院校学生既理解了专业知识，又训练了应用知识的实践能力。

2.实训室和教材相辅相成，是“三教一实”改革的支撑载体和体现形式

首先，实训室和教材的建设者必须是具有行业实践经验的专业任课教师，且最好要有工业机器人行业的从业人员参与。其次，实训室建设时要综合考虑好“实训室形态的总体布局”“实训硬件的配置”和“实训项目的设计”等三个方面，尤其是实训项目的设计，要尊重“以项目为载体、以任务为单元驱动教学”“专业理论知识与实践技能相结合”“先易后难、循序渐进”以及配置适度等原则。最后，要将实训项目、实训设备写进教材。实训室和教材不可独立建设，要真正把教材建成实训室的教学“说明书”、实训室建成教材的实践载体，而不是“各说各话”。特别需要注意的是，由于工业机器人运动学的抽象性以及设备错误动作带来的危险性，工业机器人综合应用课程的实训应该注重虚拟仿真和真实操作相结合。

3.实施“做中学”的教学模式，是“三教一实”改革的执行手段。

由于优质生源供给侧受阻，高职院校的学生普遍存在“自愿性与勉强性的悖论”问题[7-9]。在这样的背景下，必须运用恰当的教学方法，让教师、实训室以及配套的教材在“工业机器人应用技术”课程的教学中真正发挥作用。“做中学”的教学模式就是一种非常适合高职教育的教学方法改革[5]，实训室和教材也必须是为了实施“做中学”的教学模式而专门设计的。首先，以学生组队实施任务作为教学活动的主要形式。其次，让学生边操作边学习成为教学活动的常态，操作过程就是实践能力训练的过程。例如机器人控制软件的操作、机器人示教器的控制、原理图的绘制与接线等等；学习知识的过程就是理解专业理论知识的过程，例如机器人位置数据的坐标系几何含义、IO接口的电气属性、指令的语法结构等等。在这个过程中，教师要扮演好“导演”和“厨师”的角色，既要确保学生能够有序地开展任务实施活动，又要对专业知识进行“加工”处理，以便学生很好地吸收。

三、“三教一实”课程改革的实施及成效

按照“三教一实”改革思路，对温州职业技术学院“工业机器人应用技术”课程进行四要素一体化建设的改革探索和实践，并在4个学年中不断调适，形成了较为成熟的做法。课程改革的具体举措如下：

1.师资队伍建设

鼓励教师积极参与科研项目、教改项目、资源库建设、竞赛项目，切实培养教师专业教学与行业实践的能力，并为后期实训室建设、教材开发以及实施“做中学”教学模式的教学方法改革积累经验。

一是，组建一支结构合理“工业机器人应用技术”课程的教学团队。鉴于工业机器人技术专业尚为新工科专业，在团队成员配置上更多考虑到教师学习、再深造的精力和兴趣，以年轻教师为主力，研究领域集中，利于团队的可持续发展。温州职业技术学院“工业机器人应用技术”课程教学团队由3名80后、1名90后硕士研究生学历以上教师组成，研究领域均为工业机器人应用方向，是首批国家级职业教育教师教学创新团队的核心小组之一。二是，通过参与社会服务培训项目，如承接企业委托的工业机器人应用项目、参加工业机器人制造商组织的技术进修培训、举办教育部2015年工业机器人应用技术专业国培班，有效提升了教师团队在工业机器人应用上的行业实践能力。三是，通过国家级职业教育工业机器人技术专业教学资源库、工业机器人技术领域的教科研项目，实现科研项目反哺教学工作，提升了团队在工业机器人课程方面的教学研究能力。四是，通过对新型态高职高专教材的研究，尤其加大“工业机器人应用技术”课程教材等教学资源素材的建设力度，提升了团队对专业知识的加工能力。最后，通过指导学生参加各类大学生工业机器人应用比赛和开展以工业机器人应用为主题的毕业设计课题研究，进一步提升了教师团队在工业机器人课程实践教学方面的能力。

2.实训室建设

首先，学校与企业合作共建工业机器人应用实训室。由任课教师与企业的工业机器人工程师共同讨论、设计实训室的建设方案，企业工程师从工业机器人操作运维、系统集成开发工程师等岗位的能力要求出发，提出若干个应用最广泛的工业机器人典型应用案例，教师从教学要求、可操作性、成本预算等几个角度出发，对应用案例进行筛选和适度的教学改造。例如，选用工业机器人上下料工作站项目，配置简单，成本低，可操作性好；对设备透明可视化、分段快插式走线设计，既便于学生动手接线，又能快速恢复设备的正常连接。其次，除了现场编程与实操项目外，教师团队还将企业提供的复杂案例（如工业机器人装配、工业机器人立体仓库等）、指导学生的工业机器人竞赛项目（工业机器人转盘码垛工作站）转化为虚拟仿真项目，创建了3套虚拟工作站模型。最终，该课程建设成了一套工业机器人应用的“三区一室”多功能实训室，即将“离线编程与仿真区”“现场编程与操作区”和“知识讲解与讨论区”集中在一个实训室里，如图2所示。尤其重要的是，这些实训项目被写进了教材。教材中的实训任务都是依赖实训室中的虚、实项目载体而实施的。采取上述改革措施，切实改善了实训室的有效性与可行性。

图2 工业机器人综合应用的“三区一室”多功能实训室效果

3.教材建设

由任课教师专门为该课程编写了新型态教材《工业机器人应用技术》[10]。该教材以纸质为载体，在书中嵌入了大量的素材资源二维码，教材中许多无法用“图片+文字”方式描述清楚的内容，学生通过手机扫描二维码观看操作视频讲解、作业示范和动画演示，就可以直观、明了地理解；编写团队中既有专业教师，又有企业工程师，设计了5个大项目，每个项目被划分为若干个完整的子任务和相关的知识模块，任务先易后难，引导学生一步步完成整个项目的实施。教材中的项目任务在配套的实训室中均有对应的实践载体。通过该教材的建设，确保了“工业机器人应用技术”课程的稳定性和可持续发展。该教材于2016年撰写完毕，经校内使用近3年并不断修改完善后，于2019年正式出版。采取上述改革措施，切实加强了课程建设的稳定性、高教性和职业性。

4.教法改革

为了便于实施“做中学”教学模式，采取了“项目+任务”的方式组织章节和教学单元构成，把该课程设计成5个大项目，分20个子任务，每个子任务作为一个教学单元，具体见表1。实施每个任务所需的理论知识在每个项目的知识模块中都可以找到。课程的教学活动变成了学生带着知识进行各种实践训练，例如坐标系的验证性实训、编程指令的创新应用性实训、工业机器人外围电路设计与接线等。学生通过多种手段获取、理解知识，例如教师的集中知识讲解、教材中的文字、图片、视频和动画等。采取上述改革措施，切实提高了学生在课堂上的学习主动性。

表1 “项目+任务”教学设计

5.改革成效

本课程于2013年创建，2015年开始启动“三教一实”的改革探索，2018年开始应用于2015级、2016级电气工程及其自动化技术四年制高职本科专业100名学生的“工业机器人技术”课程和2017级机电一体化技术专科专业48名学生的“工业机器人综合应用”课程的教学实践，取得了较好的成效。首先，学生在课程任务实施时能够熟练地使用示教器操控工业机器人本体、会设计并连接机器人输入输出电气系统、会编写并调试工业机器人任务程序，完成了2项工业机器人集成应用的毕业设计课题开发。可以看出，学生分析问题、应用知识和解决问题的能力得到了培养。其次，教师团队能够承接企业委托的工业机器人自动化生产设备开发，研发的设备在企业得到了成熟应用；同时，教师以“工业机器人应用技术”课程的教学设计为项目参加教学技能竞赛并获奖。可见，教师的科研和教学能力都得到了提升。

四、结 语

由于高等职业教育领域开设工业机器人技术专业的时间比较短，“工业机器人应用技术”课程的建设经验不足，在系统分析课程实施过程中存在的各类问题的基础上，提出了“工业机器人应用技术”课程的“三教一实”改革总体思路，从教师、教材、实训室等四个方面进行了改革，有效地提高了“工业机器人应用技术”课程的教学效果。在改革实践过程中，应该要注意实训项目的任务化设计、实训设备的合理化配置、实训室与教材的配套性开发，保证实训任务是可执行、可操作的，避免实训设备的过度配置，导致教师难以接手、学生难以消受。接下来，还需要进一步深入探索课程的过程性考核机制，以应对学生个体差异性，比如项目实施考核+期末理论闭卷考核；不断地优化项目载体的设计，使之更具趣味性；为课程创建一个网络平台，实时更新工业机器人技术的最新进展。