基于“两性一度”的“工业机器人编程与调试”金课建设

秦 婧

(苏州健雄职业技术学院,江苏 太仓 215400)

0 引言

“中国制造2025”将工业机器人列为十大重点发展领域之一,在高职院校开设工业机器人技术专业是应市场的需要,更是高职教育面向未来,为“中国制造2025”国家发展战略提供技术技能人才支撑的重要举措[1-2]。依据《国家职业教育改革方案》(职教20条)“运用现代信息技术改进教学方式方法,推进虚拟工厂等网络学习空间建设和普遍应用” 的要求,构建“两性一度”(即高阶性、创新性、挑战度)的工业机器人编程技术数字孪生教学资源,打造“工业机器人编程与调试”金课。

1 工业机器人专业课程现状

工业机器人技术专业建设投入巨大,用于教学的一台多自由度工业机器人就需要十几万元,且实训设备维护成本高,大多数院校存在实训设备数量难以满足实训教学需要的问题。但工业机器人技术专业跟其他实践性很强的高职制造类专业不一样,因为其本身的信息技术性特点,在缺少相应硬件条件支持下,可用仿真虚拟教学、VR 教学等技术手段来弥补硬件台套数量不够的问题,同样能使课堂教学形式更加丰富有效。Robotstudio是ABB公司开发的机器人仿真软件,是当前在工业机器人专业课程中应用广泛的软件平台。

目前国内一些高职院校基于上述平台开发了一些实训项目,采用案例教学法授课,但均存在以下问题。案例之间相互独立,知识技能点分散,缺乏系统性；案例的选取达不到工程应用要求的深度,使学生对知识技能点体会比较浅薄,不够深刻,满足不了实际企业对人才的要求；同时忽略了配套的信息化教学资源的建设,课程案例选取缺乏“高阶性”。

当前,在大部分院校开设的工业机器人课程中,往往将工业机器人的离线编程与实践操作作为两门课程分开教授,但从提高课程教学效率和学生课程获得感角度出发将二者整合化一,才能使学生对知识点的感知、理解、巩固与运用融为一体,能在较短时间内使记忆得到强化,有效地促进学生主动地参与学习[3]。这个过程需要在数字孪生仿真资源建设、教学方法等方面具备一定“创新性”。

总之,承载知识、技能的高职课程教学资源开发,容易受专业课程体系、课程教学载体、课堂教学技术手段的约束,作为面向两化融合的工业机器人技术专业,如何更好地将信息化技术、仿真技术、虚拟技术高效应用在其专业课程教学资源开发中,这是一个十分紧迫却又具有“挑战度”的难题。

2 对标“两性一度”,打造“工业机器人编程与调试”金课

从当前工业机器人专业课程现状出发,依据“两性一度”标准,以“工业机器人编程与调试”为例,从课程内容、教学方法、资源建设及考核标准几个方面分析金课建设之路。

(1)打造“对应职业技能”“呼应职业标准”的具有“高阶性”的案例库。“工业机器人编程与调试”是工业机器人专业的核心课程,课程将工业机器人离线编程与现场调试结合,培养具备从事工业机器人现场编程与调试维护等工作的专业技能。该课程为理实一体化课程,采用项目驱动式教学,这就要求凝练企业真实项目,打造“对应职业技能”“呼应职业标准”的具有“高阶性”的案例库。课程团队主要做了以下工作:深入企业生产线,了解基于客制化需求的灵活性生产模式,实现产品设计自动化优化决策的智能生产典型工作案例；走访各高校和机器人展会,借鉴在线编程的经验及应用场景,打造工业机器人编程技术仿真案例；对标参考“工业机器人编程1+X证书”、高级职业资格证书的离线仿真编程案例；分层、分段、全方位凝练,建设案例资源库。经过一段时间案例搜集、素材整理,整合优化,将课程分为5个项目:基础工作站、搬运工作站、码垛工作站、涂胶工作站、压铸工作站。这些项目均为工业机器人1+X考证或工厂典型应用案例。按照由浅入深的原则提炼并碎片化知识点,以此组织教学内容,体现结构化课程和系统化设计。

以《项目一:基础工作站》为例,如表1所示,该项目作为首个授课内容,主要使学生充分认识工业机器人,在此基础上能够进行简单的机器人运动操作,初步掌握Robotstudio软件的离线仿真功能,了解数字孪生的概念,为后续项目做铺垫。

表1 基础工作站知识碎片一览

同时规范案例编写标准,每个案例都包含教学目的与用途、课程理论知识、工程背景、相关附件、问题提出、解决方案、关键技术等内容,具有较高的完整性[4]。

(2)推行数字孪生仿真资源,以工作页为指导,采用“先虚后实”的教学方法体现课程“创新性”。近年来,一些高职院校为了解决工业机器人课程实训条件不足的现状,纷纷利用机器人仿真软件进行虚拟实操。但是对于工业机器人这一实用性很强的技术来说,如果不动手操作真实设备,一切都是纸上谈兵[5]。课程团队经过一段时间的教学实践,提出了基于数字孪生,以工作页为指导,“先虚后实”的教学方式。

数字孪生指按照实际生产环境完成包括外围设备在内的工作站整体运行空间,进而利用仿真过程来反映实际物理模型的全生命周期过程。课程所用数字孪生资源工作站如图1所示。

图1 数字孪生工作站

在教学准备过程中,教师将数组孪生资源包、理论知识点讲解视频、任务仿真实现过程视频、PPT等上传至网络平台(超星学习通、雨课堂等),下发任务工作页。在准备过程中,除要保证线上资源精准对标任务点以外,还要增加资源的广度和深度,有一定的冗余,并在工作页中有所体现,以满足不同层次学生的学习需求。

课前“线上虚拟仿真”,学生按照工作页上的要求,进行课程学习及虚拟仿真实验；教师答疑、监督学生线上学习情况,对不同学习者进行不同方式的引导,使其保持学习的积极性和思考的深入性,侧重点在于学生对知识点的掌握。课中“线下课堂实操”,教师组织学生依照工作页要求将仿真实验中的离线程序导入至实体机器人上进行运行验证,侧重操作技能及常见故障排除。课后任务总结,学有余力同学可以继续拓展任务。以工作页为指导,采用“线上仿真,线下实操”相结合的教学方法,将仿真技术和实践教学有效融合,“先虚后实”拓展教学内容宽度和深度；将线上线下结合,延伸实践教学的时间和空间,切实提升了实践教学的质量和水平,同样适用于PLC、工业通信等工业机器人专业课程的教学。

(3)改进考核评价机制,多种考核方式相结合,实现对学生知识和能力全方位多角度的考察,体现课程“挑战度”。考核评价是教学过程中的重要一环,建立多维度的考核评价体系、多样化的考核评价方式、细致入微的考核评价细则是建设金课的必修课。“工业机器人编程与调试”课程以项目为单位进行“线上线下”相结合的形成性考核。

线上学习以学生自主学习为主,因此线上考核重点在于针对学情进行量化管理。线上学习的考核分为任务学习与拓展学习两项[6]。任务学习为必做项,占比80%,以考核任务成果和在线学习情况为主,包括基础分数及考核分数两部分,该部分成绩每周统计一次；拓展学习为选做项,占比20%,以教师借助社区开展互动交流与协作学习等行为产生的学习积分为主,每10个积分累计转换成绩1分,最高折合20分,该部分成绩每个学习项目统计一次。具体考核明细如表2所示。

表2 “工业机器人编程与调试”线上考核明细

线下考核重点在于考核学生课堂任务完成及相应知识技能点的掌握情况,因此不同任务考核内容应有所不同,考核过程需体现出任务实施过程中每个知识技能点,并给出考核标准。如表3所示,为搬运工作站中《任务一:码垛工作站布局》的任务考核细则。该考核表对学生任务完成情况进行全方位评估,教师可以根据细化的数据对学生进行针对性指导,为个性化教学提供了数据支撑。

表3 码垛工作站布局线下任务评价

3 结语

从金课建设背景出发,依据“两性一度”标准,“工业机器人编程与调试”课程团队迎合行业应用,提炼“1+X”考证内容,组合优化形成“高阶性”案例库；探索“先虚后实”,线上线下结合的“创新性”教学方式；改进考核评价机制,提高课程“挑战度”。

“工业机器人编程与调试”金课建设过程中经历3轮的教学实践,学生对课程满意度调查从78.4%上升至98%,学生参加“1+X”工业机器人应用编程初级考证通过率由52%上升至81%,教学研究的探索取得显性成效,教师的业务水平也有了很大的提高。以此为基础,融合技能竞赛、行业需求,探索“分层、多段”式人才培养和教学方法是课程团队继续努力的方向。