新工科背景下工业机器人系统集成课程教学改革

韦雅曼，莫名韶，黄宇婧，周文军

（南宁职业技术学院，广西 南宁 530008）

0 引言

近年来，教育部积极推进“新工科”建设，先后发布了《关于开展新工科研究与实践的通知》[1]《关于推荐新工科研究与实践项目的通知》[2]，助力中国“新工科”教育改革和新行业新技术的发展。“新工科”建设为《中国制造2025》[3]等重大战略提供了人才保障，培养具备创新、实践和综合素质的卓越工程科技人才[4]，服务于以新技术、新业态、新产业、新模式为特点的新经济发展[5]，推动工程教育的改革和创新。《中国制造2025》提出了加快推进工业机器人应用的目标，要加大对工业机器人研发和应用的支持力度，推动工业机器人在制造业中的广泛应用，提高制造业的智能化水平。

工业机器人技术作为“新工科”中的智能科学与技术类学科，渗透到制造业的各个领域，工业机器人在汽车、物流、仓储、医疗、农业、建筑等领域得到了广泛应用，同时也带来了更多的机遇和挑战。面对这些机遇和挑战，如何加强对工业机器人技术专业课程教学的研究和应用，培养更多的专业技能人才，以适应中国制造2025 的发展需求将成为工业机器人技术专业课程改革教育面临的一道难题。孙虹等[6]通过人才培养方案顶层设计构建了新工科多平台实践教学体系，并进行教学实践改革；谭文君等[7]针对工业机器人技术基础课程教学过程中存在的问题进行教学模式改革，提升了学生的实践能力与创新能力；王成琳等[8]给出了以焊接机器人集成与应用为例的一种教学实践方案。

工业机器人系统集成作为涉及机械、电子、自动化等多个学科的专业核心课程，主要面向工业机器人系统集成、方案设计、工艺规划、虚拟调试、技术服务和项目管理等岗位，需要学生具备扎实的理论基础和实践操作能力。然而，目前工业机器人系统集成课程往往存在课程内容设置不合理、教学模式较为单一、受教学设备和资源限制、产教融合深度不够和教学考核评价方式缺乏多样性等问题，无法真正培养学生具备实践能力、创新能力和提高学生的综合素质。本研究旨在探索新工科背景下工业机器人系统集成课程教学改革的有效途径和方法，为培养具备实践能力、创新能力和综合素质高的工程技术人才提供借鉴和参考，为工业机器人系统集成领域的发展做出贡献。

1 工业机器人系统集成课程现状和存在的问题

1.1 课程内容设置不合理

工业机器人系统集成课程是工业机器人技术专业人才培养方案中最重要的一门专业核心课程，涉及机械、电气、自动化等多个学科领域，需要学生具备跨学科的综合能力，但是目前课程内容设置与新兴技术结合得不够密切，有些内容过于陈旧和落后，没有与先进的智能制造技术相结合，缺少应用性与创新性，导致课程设置与行业需求不匹配。另外，有些任课老师在上课之前，没有结合学生实际和分析学习情况，来适当调整和设置课程内容，无法有效培养学生的工程能力、创新能力和跨学科能力，无法适应新工科建设与人才培养需求。

1.2 教学模式较为单一

现有的教学模式多为讲授式教学模式，讲授式是以教师为主导的教学模式，教师在课堂上通过PPT讲解、演示、展示等方式向学生传授知识，缺乏多样化的教学方法，学生在被动接受知识的过程中缺乏主动参与和实践操作的机会，学生容易觉得枯燥乏味，上课精力不够集中，不能激发学生的学习兴趣，从而使知识目标、能力目标和素养目标难以达成，导致学习效果不佳。工业机器人系统集成是一门实践性很强的课程，传统的课堂讲授模式难以提供足够的实践机会，导致学生在实际应用中的能力有所欠缺。

1.3 教学设备和资源受限

工业机器人是高精度、高性能的设备，其价格往往较高，对于学校而言，购买和维护这样的设备需要巨大的经济投入，并且受场地面积限制，无法容纳较多的设备套数，所以购买的设备数量往往较少，需要多位同学共享一套实训设备，学习效率较低。并且随着新兴技术的不断发展，工业机器人的技术和型号更新换代也非常迅速，导致学校购买的设备很快就会过时，无法满足教学的需要。在课程实践教学过程中，因操作危险大，有时难以完成对复杂环境下机器人操作，不能满足机器人教学需求和达到良好的教学质量效果，因而急需寻求新的教学方法来解决设备和资源受限问题。

1.4 产教融合深度不够

因产教融合不够深入，工业机器人系统集成课程没有做到将专业群与产业链、课程内容与职业标准、教学过程与生产过程进行全要素对接起来。课程教学大部分是基于购买的教学设备和配套的教材为主，缺少实际企业的生产项目融入到的课程体系。虽然部分高职院校与当地相关企业签订了工学交替实习合同，学校可以安排学生到企业去进行短期的实习实践，但是由于课程的时间限制，加上企业的实际生产需求等多方面因素限制，学生在实际实习的过程中，在没有充分掌握理论知识的情况下，很难将学校学到的知识和企业学到的知识进行有效的联动，所以学生在实习期间通常处于疲于应付的状态，从而培养出来的学生在工业机器人技术专业综合技能和综合素质方面较弱，无法适应“一人多岗，一岗多能”的社会需求。

1.5 教学考核评价方式缺乏多样性

现有的考核评价方式缺多样性，教学考核评价一般由平时成绩、理论成绩和实操成绩组成，平时成绩包括出勤和作业，但是占比较低，导致学生不重视平时成绩。学生多数为了取得好的理论成绩而刻板地去死记硬背，没有很好掌握知识并进行知识迁移和应用；实操成绩看重的是结果，而忽略了实际操作过程性的考核，没有体现出学生实际掌握知识的情况和突出个人的特长，从而任课老师也没办法比较科学全面地掌握学生实际的学习情况。单一的考核方式，忽略了学习过程的评价，与新工科背景下国家教育要求不符。

2 工业机器人系统集成课程教学改革的策略

2.1 优化课程内容

根据工业机器人系统操作员、系统运维员等的岗位要求，深入自动化水平较高的企业进行调研，了解对应所需的技能和知识；同时，依据国家工业机器人技术专业教学标准，对接“1+X”工业机器人集成应用职业技能等级证书、工业机器人系统操作员等级证书标准，融合全国职业院校技能比赛“机器人系统集成”等的大赛要求，联合先进制造业的企业导师，聚焦工业机器人在生产行业核心技术，修订人才培养方案和课程标准，明确工业机器人系统集成课程的基本框架和要求，确保课程内容、岗位需求和教学标准相匹配。结合企业实际案例和项目实践，对工业机器人系统集成课程模块进行重构，根据工业机器人生产车间不同的工作场景，将课程内容划分为不同的模块，并确定每个模块的核心内容和学习目标，包括知识目标、技能目标和素养目标。结合实际工作场景和技术要求，选取相关的理论知识和实践操作，确保学生能够全面掌握工业机器人系统集成的核心技术。同时，将工匠精神、劳模精神、劳动精神和科技强国等内容融入到相应的模块中，新增实践操作内容的比例，弱化理论讲解，通过项目驱动培养学生的工程能力、创新思维、思想政治素养和跨学科能力等，适应新工科建设与人才培养需求。

2.2 创新教学模式

采用“项目引领、任务驱动、工学结合”的教学模式，通过角色扮演、直观演示、分组竞技等多种教学方法，将规范的操作技能落实到岗位角色中，突出学生主体地位，激发学生探究意识和行动，鼓励学生通过自主探究来学习解决实际问题，实行第一课堂教学主线、第二课堂技能竞赛线、第三课堂企业实践线“三线并行”的教学方式。图1 以工业机器人系统集成课程的项目6“轮毂分拣工作站系统集成”为例来说明该方式。

图1 “三线并行”的教学方式

基于翻转课堂理念，设计教学流程，注重全方位育人，采用线上+线下混合式教学模式，第一课堂教学主线将整个教学过程分为课前探学、课中导学、课后拓学三个教学流程。具体有：（1）课前探学：课前学生利用线上资源进行自学，开展讨论交流，完成调研报告，带着疑问进入课堂，教师在线答疑并根据学情及时调整教学策略。（2）课中导学：以生产过程为主线理实融合式教学，阶梯闯关螺旋上升式学习。在教学重、难点攻克方面采用了动画演示、分组讨论、小组技能比武、互动游戏、虚拟仿真、直观演示、实际操作等手段，学生通过讨论、研究、游戏“活起来”，通过虚拟仿真、机器人实操“动起来”，通过技能比拼，校内教师、企业导师和双创导师“三导师”点评“比起来”，打造教学过程与生产过程对接，教学过程可模拟、可练习、实践经验可交流提升的“有用”“有效”“有趣”的“三有”课堂。（3）课后拓学：课后学生完成课后作业，自愿参加竞赛兴趣小组，在创新创业工作室、3D 打印工作室等自主学习。最后，完成课堂调查问卷，帮助教师发现问题、再次优化教学策略。

2.3 解决教学设备和资源受限问题

借助信息技术手段，首先建立教学资源共享平台，让教师和学生能够共享教学资源和经验，实现“线上+线下”学习，不受场地限制，促进教学质量的提高。其次，与企业合作，利用企业的实际工作场景和设备，让学生接触到先进的制造业设备和工业机器人技术，提供实地实习和实训机会。最后，引入虚拟仿真技术应用到课程中，可以弥补传统教学方法的不足，提供更加灵活和个性化的学习环境。通过使用虚拟仿真软件，学生可以在计算机上模拟和操作真实的机器人系统，通过虚拟环境进行实验和调试，观察机器人的运行情况，调整机器人参数和控制策略。课后，学生可以根据自己的学习进度和兴趣，选择不同的实验和项目，无需担心设备和资源的限制。

以南宁职业技术学院工业机器人技术专业的工业机器人系统集成课程教学改革为例，专业团队建立的课程资源作为国家职业教育专业教学资源库工业机器人技术专业建设项目的主要成果之一，以“纸质+数字”课程的方式，配有数字化课程网站与教、学、做一体化设计的专业教学资源库，内容丰富，功能完善。在教学实施过程中，通过采用机器人虚拟仿真软件Robotstudio 及PQart、团队教师自主研发的工业机器人程序自动评分软件V1.0、自主研发的工业机器人示教辅助装置、学习通等信息化手段，克服传统教学设备和资源的限制问题，全程协助教学及监测学生学习效果，助力突破学习重难点。根据学情及不同教学环节，采取合适的教学手段，解决教学中机器人编程抽象、综合调试复杂等问题。

2.4 加强产教融合

加强产教融合，与相关企业建立紧密的合作关系。首先，学校提供场地，企业投入设备，校企共建生产性实训基地，形成真实企业生产环境，发挥校企双方的优势；职业院校与生产企业育人主体深度融合，邀请企业专家、双创导师和学校教师共同研究制定人才培养方案，参与课程设计和课程教学，确保职业教育始终贯穿在工业机器人应用型人才培养全过程。其次，学校可以从企业获取真实的工业机器人系统数据和案例，为学生提供更加贴近实际的学习内容；企业为学校提供实际案例和项目支持，增加课程的实用性和行业认可度。最后，大二学生进入企业进行“工学交替”岗位实践，学生通过生产劳动学习使用先进的工业机器人设备并完成实践培训。将职业资格证书、职业技能等级证书培训内容融入课程教学，统筹组织实施，实现证书培训过程与课堂教学过程一体、证书考核与课程考试同步，课证育人一体化，做到将专业群与产业链、课程内容与职业标准、教学过程与生产过程进行全要素对接起来。

2.5 多维度综合评价

采取多样化的教学考核评价方式，围绕岗位综合能力，构建三维五方六度综合评价体系。为对接企业岗位人才需求，将工业机器人系统集成课程标准作为评价标准贯穿整个教学评价。如图2 所示，通过“学生评、教师评、平台评、专家评、机评”五方一体的评价，对课程学习进行过程性、结果性、增值性等3 个维度的综合评价，这3 个维度分别从活跃度、规范度、合作度、完成度、准确度、创新度等6 个角度进行全面评价，实现了学习全过程的可评可测。具体评价设置为：过程性、结果性评价各占40%，增值性评价占20%。根据评价结果，反馈修正，不断改进和优化教学过程，形成闭环课程评价体系。

图2 三维五方六度综合评价体系

3 结语

工业机器人系统集成课程从优化教学内容、创新教学模式、解决教学设备和资源受限、加强产教融合、多维度综合评价等角度出发，提出课程教学改革思路，再结合本校的课程教学实施，探索新工科背景下工业机器人系统集成课程改革的有效途径和方法，促进学生的综合素质提升，为培养具备实践能力、创新能力和综合素质高的工程技术人才提供借鉴和参考，为培养适应新工科背景下的工业机器人系统集成专业人才做出贡献。