尖端加工技术与高职教学相融合的探索

赵汉宇 姜泽东 吴叶军

［摘           要］  随着时代的发展，越来越多的尖端加工技术走向民用，然而尖端加工技术在人才培养时却存在高学历人才多、技术技能型人才少的“倒三角”局面，以机器人激光焊技术课程为载体，从课程定位、课程项目、课程资源、教学手段等角度出发，探讨尖端加工技术与高职教学相融合的解决方法，为更多的高精尖领域课程在高职教学中的开设提供理论和经验支持。

［关    键   词］  尖端加工技术；机器人激光焊技术；高职教学

［中图分类号］  G712                    ［文献标志码］  A                  ［文章编号］  2096-0603（2024）02-0093-04

激光焊是利用高能量密度的激光作为热源的一种高效精密的焊接方法，由于其高熔深、高效率、绿色、清洁等一系列优势被广泛应用于航空航天、轨道交通、汽车制造以及核动力等领域。近年来，随着社会关注度的不断提升，激光焊接技术正由高科技领域走向更广泛的民用领域，并且在2018年发布的《焊工国家职业技能标准》中，机器人激光焊技术也第一次被纳入其中，这给激光焊技术走向更大的“舞台”提供了政策支持。但作为一门新兴的学科，激光焊技术现阶段还存在较多工艺、材料等方面的问题，并且由于整体设备一次性投资成本过大，导致现阶段该领域的人才培养只出现在部分材料学、材料加工专业硕博生以及极少数本科生的培养體系中，在高职院校中，相关课程运用到教学中的报道鲜有出现，这种情况导致该学科领域的人才培养整体呈现出硕博学历的学生较多，本科生、专科生较少的“倒三角”局面，使得在企业的实际生产中，存在部分高学历学生从事一线设备操作的情况，不能充分利用人才价值，造成了人才浪费。不仅仅激光焊领域，很多尖端加工技术普遍存在这种情况，因此，本文以机器人激光焊技术课程为例，探讨如何实现科学的加工技术与高职教学相融合问题，帮助打通高精尖技术走向民用的“最后一厘米”。

一、现状分析

机器人激光焊技术是常州工程职业技术学院智能焊接专业的一门专业选修课，开设本课程的目的是培养机器人激光焊技术操作以及工艺人员，旨在让学生掌握激光焊机器人的操作方法，掌握连续和脉冲激光焊的工艺特点，掌握激光焊的常见缺陷产生机理及解决措施等。本课程自2018年起被纳入智能焊接专业人才培养方案，至今已培养了5届学生，作为尖端加工技术的学科，在一线的高职教学实践中，存在的问题主要包括：

（一）相关高职领域资源缺失

虽然最新的焊工国家资格标准中加入了机器人激光焊的内容，但相关的教材尤其是适合职业类人才培养的教材在市场上鲜有出现。现有激光领域的教材更适合纯理论教学，对学生理论知识的提升具有一定的帮助，但由于操作及生产方面的内容缺失，因此，现有教材并不适合强调动手能力的职业教育。与此同时，与教材相配套的微课、动画、PPT、教案等“微资源”数量明显不足，“微资源”的缺失也使得学生能够自主学习的手段的缺失。

（二）实训设备及相关标准不足

科学前沿领域学科存在的共性问题便是相关的基础研究尚未完备，学科中的设备型号各异，相关领域的标准尚不完全。机器人激光焊技术也有较为类似的问题，在设备层面，激光器的种类繁多，不同品牌的激光器在操作上和设备参数上均有差异，这给教学带来了较大的困难。另外，一套尖端加工技术的设备原始购买成本以及后续运行、维护成本极高，普通高职院校难以负担，这造成了实训设备严重不足的情况的发生。并且，虽已有该领域的焊工职业技能标准，但配套的标准尚不完备，尤其是对应职业技能的考核方法尚未开发面世，给课程项目的设置制造了障碍。

（三）开设院校较少

现阶段，由于设备成本高、基础薄弱等方面的原因，尖端加工技术开设为高职课程均会遇见开设该课程的高职类院校较少的问题，导致可供借鉴的经验及方法不足，在课程项目设置上可供参考的依据不足。课程处于探索时期，可与他校交流、共同开发的机会不多。另外，开设院校较少的问题也导致课程受重视程度欠缺，学生对课程的认识不够。

（四）课程体系单一

目前高职课程结构多以满足现有专业和人才培养体系为主，并没有专门为尖端加工技术领域课程开设相应的基础课，现有课程结构总体较为单一，缺乏多样化的专门性课程。尖端加工技术领域的课程走在专业和产业的第一线，而现有的专业理论和基础课程并不能随产业和时代发展实时更新，未能较好地保持课程、专业、产业一致，容易导致课程体系的目标与新兴产业需求脱节。

（五）学生基础薄弱

课程体系的单一导致学生的尖端加工技术理论和实践基础不足，使得学生基础较为薄弱。以机器人激光焊技术课程为例，专业人才培养方案以传统弧焊为主，学生经过了大量的弧焊（手工、机器人）的操作练习，积累了比较完备的弧焊理论和实践基础，但激光焊属于非接触式热源，有别于传统弧焊热源，学生在非接触式焊接方面的基础薄弱，现有的弧焊基础有时会反作用于新课程的学习。此外，学生创新性不足，缺乏探索及解决问题的能力和兴趣，机器人激光焊技术上课时会加入较多新的理论知识，学生的学习动力不足，并且面对困难时，容易动摇，无法沉下心来解决问题。

二、尖端加工技术与高职教学相融合的有效措施

（一）更准确的课程定位

尖端加工技术要与高职教学相融合，须打破现有该领域的人才培养体系。现有体系理论知识比重过大，技能操作方面的内容过少。作为一门以高职教学为主的尖端加工技术领域课程，机器人激光焊技术在课程定位上以培养激光焊机器人操作人员为目的，旨在提高学生的机器人操作水平，使其具备一定的工艺基础并能分析和解决激光焊的常见缺陷，所以课程的理论知识应紧扣生产的实际，以工艺为主，增加操作部分的比重，提高学生的技术技能水平。另外，课程培养目标应密切联系智能焊接专业人才培养方案，提高课程与其他专业课尤其是专业必修课和弧焊机器人课程之间的关联度，确保学生有层次感地学习。

（二）更灵活的课程项目（任务）

尖端加工技术类课程在设置项目时具有较大难度，项目的设置应该紧扣高职教学的实际，由于可供参考的资料较少，因此项目设置具有更高的灵活性。机器人激光焊技术课程所涵盖的技能与知识目标可以参考最新发布的焊工国家职业技能标准，课程项目的实施应以达成课程既定的知识、技能、素质以及思政等方面的目标为目的。机器人激光焊技术的课程项目涵盖了企业生产项目、“1+X”特殊焊接等级考证项目乃至科研项目，课程项目设置更加灵活。为激发学生学习和探索的热情，课程在第一次课时就会公布本门课程的自主项目也是课程最终的考试项目：3 mm不锈钢板对接的脉冲——连续机器人激光焊，学生须在课程教学过程中探索，找到该项目的工艺以及操作解决方案，教师也要在适当时候加以提醒和暗示，确保学生带着解决问题的态度开展整个课程的学习，从而提高学生不断探索的精神。

另外，与传统弧焊已形成完整的焊接体系不同，激光焊尤其是激光自熔焊尚存在工艺上、材料上的难点有待解决，所以在课程项目设置时，操作类的项目采用工艺上比较完备的材料如黑色金属，而工艺类的项目采用学生操作上熟练的位置如平焊位置，这样，不至于一个项目同时存在操作和工艺上的知识点，减小学生学习、理解的难度。为保证课程项目紧扣时代的发展，尖端加工技术领域的课程在项目设置时应选用合适的科研项目。科研项目的引入重点是培养学生认识、分析、解决问题的能力，但部分科研项目晦涩难懂，在进入高职课堂前须对项目进行加工和选取。在高职院校中理论类的讲述太多不仅不能提高学生的知识水平，反而会使学生产生退缩、厌学的情绪，所以，操作和工艺类的科研项目是较为适合高职教学的项目，机理探索类的科研项目不太适宜高职教学。在正式教学前，教师须对科研项目进行加工与取舍：选取其中有利于提高学生技能水平的部分，机理探讨的部分与焊接实际结合，針对学生焊接操作实际中产生的焊接缺陷探讨机理，提高学生理论学习的积极性和实用性。

此外，尖端加工技术类的课程项目在设置时更应跟紧时代、紧扣地区经济热点，项目设置应做到因时制宜、因地制宜。近几年，学校所在地区（常州市）正全面推进“新能源之都”建设，为服务地方经济与发展，通过走访调研以及与企业行业专家的交流，在最新的课程项目中加入了焊接电池的内容，如铝合金电池外壳的机器人激光焊，铝合金激光焊工艺的设计等项目，由此做到“因时制宜、因地制宜”，项目设置与地方经济社会发展贴合更密切。

（三）更丰富的资源建设

新的课程的开设必然会存在资源不足的情况，课程以焊接技术国家级教学资源库升级改造项目为抓手，开始课程资源的建设。

1.理论知识的资源建设上，分为现有资源和丰富资源，现有资源是指在课本、标准、文献中已有的知识点，这部分是将已形成文字性的知识点制成课程资源，这一部分资源主要以讲授录屏和动画制作为主；焊接是一门经验性学科，尤其在新的焊接方法上，很多工艺问题尚没有成熟的解决方案，解决问题的方法有所差异，部分解决问题的方法是在一定理论知识的基础上总结出来的经验，所以这一部分的资源制作就属于丰富资源。丰富资源的制作重点在于积累，积累日常教师在科研上的新材料的激光焊以及社会服务中遇到的工艺难题及其解决方法，将这一系列工艺上的知识和解决方案制作成课程资源，从解决具体问题的角度具体分析，并注意结合文献中的最新理论成果，不断增强丰富资源的数量和质量。

2.操作技能上，本课程操作类的教学内容占了较大比重，所以操作方法上的资源制作也占据了课程资源制作中较大的比例。在操作类资源制作上，需注意学生的现有基础，常州工程职业技术学院智能焊接专业的学生在学习本课程之前，已有机器人焊接基础、机器人弧焊技术等弧焊机器人的操作基础，操作课程资源的建设应在学生现有知识体系的基础上进行拔高，不能简单地重复之前已有的部分基础操作，造成课程资源的浪费。另外，资源制作过程中也可总结弧焊机器人的操作要点，与本课程的操作方法进行对比，提高学习效率。

（四）更优秀的教师团队

现阶段，由于尖端加工领域技术革新更快，新工艺、新材料不断涌现，因此尖端加工技术领域的课程开设须充分整合资源，组建一支高学历高素质且在不断学习的教学团队。

机器人激光焊技术课程团队在构建过程中，做了以下工作。首先，在构建校内课程团队时，除选人具备基本的高职院校教师的职业素养、职业操守和专业理论知识外，还须具备较好的科研能力。由于机器人激光焊技术课程中的部分工艺参数对焊接质量的影响尚没有明显的规律性，部分文献中叙述的规律在实际应用中难以实现，这给日常教学带来了较大的挑战，因此，机器人激光焊技术组建了一支以博士为核心的校内教学团队，团队成员具有博士学历的超过75%，团队在课程领域有一定的科研基础，对工艺、材料、设备等方面的内容有了自己的理解，并能及时了解课程领域的新动向和新发展，从而可以准确判断学生日常实践和毕业设计中出现的问题，并加以总结、选取和优化，最终再运用于日常的教学中。其次，教师团队要以青年教师为主，组建一支以“80后”和“90后”为主的青年教师课程团队，可以给学生更专业的指导，且青年教师具有更强的学习能力和学习自主性，能够关注课程领域的前沿动态，实时更新教学内容。并且课程团队须有企业人员参与，与学校深度合作的南京先进激光技术研究院，在课程项目设置、校外实训基地建设方面给予课程较大帮助，新的学年中更新的课程标准都会得到相关领域企业人员的指导，保证课程教学内容紧扣企业生产实际。最后，学校与吉林大学材料学院合作，聘请了在焊接领域取得突出成就的学者和专家组成吉林大学焊接团队，定期到校与任课教师面对面交流、开展主题讲座，就激光焊领域的问题进行深入的研讨和分析，帮助把握课程前沿领域方向，指导课程教学内容，并通过课程及项目的建设辅助青年教师成长。

（五）更合理的教学手段

在尖端加工技术领域的课程中，教学方法的选用更应做到“因课制宜”，这样才能取得事半功倍的效果。尖端加工技术领域的课程普遍具有设备少、领域新的特点，鉴于此，机器人激光焊技术结合“互联网+”的时代背景，利用制作好的课程资源，搭建线上线下相结合的课堂教学平台，线上课堂的设立主要是为了应对教学资源稀缺的问题，通过线上平台，学生可以反复观看，掌握操作要点，同时也可以在平台上进行交流；线下课程主要以讲授工艺重点和实训为主，合理制定实训安排，保证每位学生都有机会进行操作并实践自己的工艺方案。

线下的课程教学主要使用的教学方法包括：小组法、情景教学法。采用小组法可以一定程度上解决实训设备不足的问题，还可以通过小组讨论制定工艺方案、商讨设备操作中的重难点，并且组内同学的相互配合、协作将会降低由于个人误操作导致设备损坏的概率。在本门课中小组法的运用不仅仅是在组内，每节课后会在组间进行评判，通过对焊接完成后的试样焊缝外观和内部检验结果进行对比，得到最优组和最优焊缝，并在平时成绩中给予体现，从而提高学生的学习和探索热情。使用情景教学法，则是因为现阶段激光焊领域的标准较为缺乏，尤其是实际应用方面，各个企业对焊缝要求各异，利用筆者及团队前期做过的企业项目，将课堂设置在实训室和车间，针对实际的企业零件，创设真实的工作环境和质量要求，让学生以员工身份制定焊接工艺规程、设计焊接方案，按照企业要求完成焊接。

（六）更强探索意识的培养

随着科学技术的发展和进步，具有创新和探索意识的技术技能型人才作为“中国制造2025”的重要组成部分，可以在未来的产业升级和技术革新中发挥重要作用，因此培养具有探索意识的人才是时代发展的需要，而尖端加工技术领域的课程肩负着更具科研和探索意识人才培养的任务和使命。

要提高学生的创新及科研意识，机器人激光焊技术课程可以：第一，给学生更多的时间与空间，课程采用项目化的教学方式，项目任务提前1～2个月下发给学生，并在课程开展过程中实时提醒，给学生充足的时间思考和查找资料，采用“一对一”以及“一对多”并举的模式，对于操作较为简单以及焊接性较好的材料，主要采用课程项目的“一对多”模式，对于操作较为困难焊接性不好的材料，采用“一对一”的毕业设计课题的形式。第二，加强交流与沟通并进一步强化学生在教学中的主体地位。课程采用项目式的教学方法，由学生每节课前制作PPT对项目进行汇报，汇报PPT通过小组的形式共同完成。课程开始的时候教师会要求每位学生在课程期间向汇报的小组至少提出两个以上的问题，以规章制度的形式要求学生发现问题，如此可以增加课程过程中的交流与沟通。学生通过发现问题的过程加强探索和科研意识的培养，此外，汇报小组的同学在回答问题的过程中也强化了对课程的思考与领悟，对于学生难以解答或者解答不到位的问题，教师再予以补充，充分发挥学生的主观能动性并充分尊重学生课程的主体地位。第三，创建探索和创新的良好的学习氛围。良好的探索的文化氛围可以在潜移默化中感染学生，教师在讲课的过程中结合企业的生产实际，要求学生记录自己焊接的成品率和焊接效率，从降本增效等角度给学生灌输探索和创新的必要性，并通过学生自主的工艺优化不断提高成品率以及焊接效率，让学生设身处地地感受探索和创新的必要性，使探索和创新的学习氛围深入人心。

三、成果分析

2023年，笔者通过数年的建设和不断的试验，课程由最初的32课时提高到了48课时，已拥有较为完备的课程标准、教学方法和教学资源。通过这几年的课程建设也取得了一定的成就：2019年，学校组织学生报名参加了“1+X”特殊焊接（中级）等级考试的考证工作，我校选考一个实操考核项目（总共三个实操项目，另两个选考的项目为手工焊的操作项目）为20#钢管水平转动自动化激光焊，考核涉及工艺卡的编写、机器人的示教编程、焊后的外观检查以及焊后探伤检测等方面的内容。该实操项目是学校第一次在正式考核中引入激光焊的项目。学校共组织14位学生参加激光焊的考核，通过前期课程的学习提升了学生对机器人的操作和激光焊工艺的掌握和理解，最终这14位学生自主完成了从工艺卡的制定、试验焊前处理、定位焊到示教编程及焊接的所有考核内容，并且根据各自编辑的工艺卡焊完的试样均通过了外观和探伤检测，项目通过率达到100%。从2019年开始至今，我校在“1+X”特殊焊接技术的考评中始终保持激光焊的相关项目，激光焊项目的通过率始终保持在90%以上。另外，授课的学生中有10多位提前进入毕业设计环节，跟随教研室多位老师进行激光焊的工艺优化及其机理的研究工作，先后获得院级优秀毕业设计一等奖、二等奖的好成绩。

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