基于技术应用培养的过程导向专业群课程体系建设——以工业机器人技术应用为核心的智能制造课程为例

■ 杨杰忠，邹火军，赵月辉

（广西机电技师学院，广西 柳州 545005）

一、背景需求

无论是“德国工业4.0”“美国工业互联网”，还是“中国制造2025”，其核心都是系统智能化的智能制造，为新时代工业发展指明了方向[1-3]。国家也根据世界工业的发展趋势，制定了一系列的人才培养提升计划。在“中国制造2025”战略中也提出了大力发展智能制造产业设想，通过产学研深度融合发展在重点地区、行业、企业中建立智能制造专业标准体系，并搭建智能制造技术网络平台系统，从而实现中国智能制造统一大市场；通过组织开展智能制造领域人才需求分析、行业专业及技术预测、行业发展对策等的研究，促进产教深度融合，引导国内职业教育模式向专业、产业升级的重点和紧缺人才等方向发展，以在智能制造技术专业上不断提高教育质量、促进人才升级、推动企业革新。根据国家发展规划，将着重基于5G等新的信息技术与制造行业领域深度融合，从而实现对传统企业的数字化转型、信息化升级、智能化改造，通过产学研联合培养等方式培养一大批符合智能制造发展的创新型、技术型与技能型复合人才。因此，如何完成从智能制造关键技术到核心课程的转换，构建专业群以工作过程为导向工学结合一体化课程体系的研究显得极为迫切。近年来，国内外关于智能制造关键技术及职业技术的应用型课程体系建设研究越来越多[4-7]。莫荣林等[8]为了响应“中国制造2025”“创新驱动发展”等一系列国家重大战略，同时为使机械制造产业和区域经济发展的需要相适应，基于机械加工技术专业与制造产业链的岗位要求，系统化地确定了按照企业工作过程专业群课程体系，构建了以工作过程为导向的专业群课程体系，为本文基于技术应用培养的过程导向专业群课程体系建设提供了参考。Dahil等[9]论述了教育和技术是获得熟练劳动力的两个基本要素，教育通过个人能力和行为的自愿和永久性变化提供持续改进，技术是一门在科学和实践之间提供联系的学科，以特定的目标和逻辑顺序发生，并以目标为导向。现代教育是一种基于实践的教育，通过使用新技术使学生活跃起来，基于技能和行业预期提高劳动力生产率也取决于此，使用教育技术提供了一种永久性的教育。因此，通过生产和生活来学习是最有效的方法。文中还论述了基础设施和技术设备的缺乏、教员的水平有限可能是导致土耳其职业技术学校服务和生产部门的技术发展落后的主要原因。这为国内关于职业教育人才培养与产学研融合发展提供了借鉴和经验。Javaid等[10]论述了新技术在制造业、服务业和通讯业的应用越来越多，机器人技术是“工业4.0”的一种低成本高精度的重要技术，在制造业领域得到了广泛应用，且机器人技术正在逐步走向高质量产品的制造。“工业4.0”的主要成果是借助先进的机器人技术、海量数据、云计算、固体安全、智能传感器、物联网和其他先进技术，开发出功能强大、安全且经济高效的智能工厂，使得企业可低成本、高安全和可靠地改进制造业以适应大规模生产，为本文以工业机器人技术应用专业为核心的专业群及课程体系建设提供了参考。课程体系建设的成果通过相对偏差模糊矩阵评价法进行综合评价[11-13]，为课程体系建设成果、改进方向及动态调整提供参考。

二、基于智能制造关键技术的专业群

参考德国“双元制”应用技术相关专业课程体系，根据笔者所在院校智能制造特色专业发展现状，综合本校机电一体化技术、电气自动化技术、电子技术、数控技术4门专业建立智能制造专业群，并对现有相关课程进行改革完善。将智能制造企业相关的职业岗位能力需求作为建设宗旨，通过校企联合的模式对智能制造专业群课程体系进行整合优化，并建设与国际标准对接的专业群课程体系。在专业群课程体系中积极探索将智能制造新技术、新工艺等引入课程建设，紧密围绕智能制造的典型环节，构建智能制造关键技术网络以及将关键技术转换为核心课程，从而实现以核心职业能力培养为主线的“基础通用、模块组合、各具特色”工学结合的专业群课程体系的构建，如图1所示。图1构建了智能制造关键技术网络，依据本校及合作企业实际，以智能制造关键技术应用能力培养为主线，通过产教融合、校企联合等为切入点，结合岗位职业能力培养提升规律，搭建了应用层、传输层、控制与执行层等课程体系。

图1 智能制造关键技术向课程体系的转换

通过智能制造关键技术网络的搭建，可知智能制造应涵盖智能传感与检测技术、工业机器人技术、智能物流技术、智能加工技术、工业互联网技术、工业软件与大数据技术等。结合广西机电技师学院智能制造专业和校企产学研融合实际情况，将本校的机电一体化技术、电气自动化技术、电子技术、数控技术共4个专业纳入以工业机器人技术应用专业为核心的智能制造专业群，可知专业群已涵盖了图1所示的智能制造关键技术网的技术点，为专业群课程体系建设提供了依据。

三、过程导向专业群课程体系建设

基于智能制造关键技术网络架构，分析和提炼智能制造专业群培养人才的共识、要求等，根据企业相关的特定产业链，紧密围绕核心岗位工作，通过分析专业群的核心专业与其他专业差异性，根据专业人才分别培养模式，构建专业基础课程、智能制造核心课程、智能制造拓展课程三个逐级递进的课程体系。

（一）专业基础课程

专业群的基础课程是为学生打下专业基础能力的必修课程，在学生培养、产业教学、实训实践等方面起到关键的承上启下作用。专业基础课程包括电工应用技术、电子应用技术、PLC应用技术、机械装调技术、驱动应用技术、液压与气动技术、C语言应用技术。其中，电工和电子应用技术是为进入智能制造工厂的人员教授必备的电工、电子基础知识，包括电路分析、模拟电路、数字电路、基本电子原器件、电路设计等内容；PLC应用技术是为从事工业PLC控制系统设计人员教授PLC基本原理、电路设计方法、编程等基础内容；机械装调技术是为智能工程机械装配工教授基础的机械原理、装调方法，以适应行业对高精度装配的要求；液压与气动技术及驱动应用技术主要教授智能工厂中常用的驱动元件基本原理、控制方法、注意事项、故障预防等内容；C语言应用技术主要教授学生能够使用世界较流行的C语言进行工业控制计算机的编程操作。

（二）智能制造核心课程

智能制造核心课程围绕智能制造系统典型生产环节设计、仿真、加工、控制和维护等内容，推进先进信息技术与产学研深度融合，开发精品课程、网络课程、标准化的教学资源库、数字化典型模型、模拟仿真等，将工业网络技术应用、智能物流技术应用、工业机器人技术应用、视觉传感与检测技术应用、信息化与大数据技术应用、智能加工技术应用、数控加工技术、智能物流系统安装与调试、智能传感器的安装与调试、工业物联网的安装与调试、工业软件与大数据的认知与应用、工业机器人的安装与调试、数控多轴加工机床编程与操作、数控三轴加工编程与操作、工业机器人辅助上下料加工编程与操作、UG造型设计与数控加工案例教程等课程均纳入智能制造核心课程，以为学生打下智能制造典型环节应用的良好基础。

（三）智能制造拓展课程

智能制造拓展课程是在学生有了一定专业基础与技能后开设的具有能力拓展作用的课程，课程的开设主要在纵向深、横向宽两方面进行，包括智能工厂的认知与实践、智能加工车间编程与实践、智能装配车间编程与实践、智能工厂物流控制与实践、智能工厂信息化管理与实践。通过拓展课程的学习，使学生完全融入现代智能工厂认知、编程、物流、信息化等工作过程，实现过程导向型的教学与实践。

（四）标准化教学资源库建设

基于专业群课程体系框架及互联网、云平台和大数据技术，借鉴最新职业教育理念，建设云端共享标准化的专业群数字化资源库，以实现企业-教师-学生教学资源共享，从而可实现本校的职业教育快速发展，通过资源库的建设全面提升教学效率，标准化教学资源库体系如图2所示。教学资源库包含了教学视频、图片、题库三大内容，资源的标准内容按专业介绍至技能竞赛方案逐一排布，便于资源库的标准化和动态调整。

图2 标准化教学资源库

四、相对偏差模糊综合评价

相对偏差模糊矩阵评价法是模糊数学的一种具体应用，其基本操作步骤是：确定评价指标与等级、构造模糊综合评价矩阵、虚拟理想方案和F排序。

设U为被评价对象的m种指标；V为刻画各指标的n种等级，可得：

设rij为评价指标ui对等级vj的隶属度，得到模糊综合评价矩阵：

通过效益与成本两种评价方式虚拟一个理想方案u：

最后对各方案进行加权平均得到F值：

式（4）中的权值w可通过一些数学方法进行求解，或令各权重值相等，进行等权重的模糊综合评价，相对偏差模糊矩阵评价法的F值越小，表明方案越优秀。本文采用变异系数法求解各指标的权重，进行变权重的模糊综合评价，变异系数法第i项指标的均值与方差为：

式中，aij为第i项指标的第j个具体数值。

建立6种评价指标，包括课程体系在企业中的评价（0～1，数值越大代表越好）、课程体系在教师中的评价、课程体系在学生中的评价，抽检的100名学生的平均成绩（0～1，数值越大代表越好）、企业对学生的满意度（0～1，数值越大代表越好）、学生就业率（0～1，数值越大代表越好）。得到各指标的F分布如图3所示，并与为开展课程体系建设前的F值进行对比分析。可知经过课程体系建设后的F值普遍高于未进行体系建设前的F值。在原模式下，课程体系在学生中的评价的F值最低，说明原课程体系并不能较好地适应当前的学生教育，同时原教育模式在企业以及教师中的评价也不高，这与原模式中的课程体系编排混乱有关，不能很好地带动学生循序渐进地进行学习，往往导致学生的学习框架参差不齐，难以系统性总结提炼。经过校企联合式的过程导向专业群课程体系建设后，使得新的培养模式在企业、教师和学生中的评价明显提高，这与课程体系经过系统梳理、逐级建设，为学生提供了良好的教学模式有关。但企业对学生的满意度的F值与其余F值并不在同一水平线上，说明学校对学生的教育还并没有完全适应当前企业的高要求，因此后续还仍需基于课程体系建设成果，继续加强对学生的理论与实践培养，以满足企业对高质量综合性人才的需求。

图3 专业群课程体系建设模糊综合评价F值

文章首先进行了基于技术应用培养的过程导向专业群课程体系建设研究，分析了国内外职业教育关于智能制造领域的专业群建设、课程体系标准、教学经验与教训等。其次搭建了智能制造关键技术网络框架，并从中提炼出职业教育应有的课程体系。基于关键技术网络框架，构建了专业基础课程、智能制造核心课程、智能制造拓展课程的逐级递进课程体系，并通过现代信息技术进行了教学资源标准化建设。最后建立了相对偏差模糊矩阵综合评价模型，对课程体系建设成果进行了评价，并得出后续改进方向，评价结果表明课程体系建设具有良好的应用效果。