高職機(jī)器人專業(yè)“四位一體”教學(xué)模式的構(gòu)建與實(shí)施

郝建豹，林子其

(廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 工業(yè)機(jī)器人系，廣州 510800)

0 引言

高職工業(yè)機(jī)器人技術(shù)專業(yè)作為培養(yǎng)機(jī)器人系統(tǒng)操作與編程、調(diào)試與維護(hù)以及系統(tǒng)集成崗位工作的，具有創(chuàng)新精神的復(fù)合型技術(shù)技能人才的新興專業(yè)，對(duì)機(jī)器人實(shí)踐要求非常高。目前專業(yè)課程實(shí)踐教學(xué)過程中存在工業(yè)機(jī)器人及配套設(shè)備價(jià)格高，實(shí)訓(xùn)設(shè)備臺(tái)套數(shù)少，實(shí)訓(xùn)效率低；工業(yè)機(jī)器人速度快、誤操作多、實(shí)訓(xùn)安全隱患高[1]；高職學(xué)生愛動(dòng)手但實(shí)踐及科技創(chuàng)新能力低。高職學(xué)生不愛學(xué)，自主學(xué)習(xí)積極性低[2～4]等問題。

鑒于此，筆者所在工業(yè)機(jī)器人技術(shù)專業(yè)借鑒德國雙元制教學(xué)模式及泛在學(xué)習(xí)理念，推行了基于專業(yè)課程資源平臺(tái)、工業(yè)機(jī)器人技術(shù)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)中心(Virtual Simulation Practical Training Center-Industrial Robot Technology, VSPTC-IRT)和工業(yè)機(jī)器人技術(shù)公共實(shí)訓(xùn)中心的 “理、虛、實(shí)、創(chuàng)”四位一體的教學(xué)模式?！八奈灰惑w”教學(xué)模式的改革實(shí)踐提升了實(shí)踐安全問題，解決了機(jī)器人設(shè)備少，學(xué)生動(dòng)手機(jī)會(huì)少等問題，取得了良好的實(shí)踐教學(xué)效果。

1 “四位一體”教學(xué)模式理論基礎(chǔ)

1.1 德國“雙元制”教學(xué)模式

德國“雙元制”教學(xué)模式是一種以提高實(shí)踐能力為目的的職業(yè)教育培訓(xùn)模式，其主要優(yōu)點(diǎn)在于4個(gè)“雙元”，即學(xué)生具有學(xué)生身份和企業(yè)員工身份的“雙元”，學(xué)習(xí)場所具有學(xué)校與企業(yè)(學(xué)徒培訓(xùn)中心)交替進(jìn)行的“雙元”，授課教師具有理論授課教師及技能培訓(xùn)教師的“雙元”，學(xué)習(xí)教材具有理論教材與實(shí)訓(xùn)教材的“雙元”。其精髓在于學(xué)生學(xué)習(xí)過程與企業(yè)生產(chǎn)過程緊密相連。

德國 “雙元制”職業(yè)教育模式對(duì)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)專業(yè)教學(xué)模式的啟示主要有以下3個(gè)方面：

(1)高職學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力缺乏，不僅需要任課教師理論指導(dǎo)，需要企業(yè)工程師深度參與成立諸如技能大師工作室，實(shí)施“項(xiàng)目導(dǎo)師制”進(jìn)行全程化實(shí)踐指導(dǎo)。

(2)工業(yè)機(jī)器人的學(xué)習(xí)不僅限于課內(nèi)，更應(yīng)參加協(xié)會(huì)、科技創(chuàng)新工作坊、參與教師縱橫向科研項(xiàng)目提高項(xiàng)目實(shí)踐能力。

(3)教學(xué)資源的開發(fā)不應(yīng)局限于理論教材，結(jié)合企業(yè)工程項(xiàng)目的實(shí)訓(xùn)資源的開發(fā)也是必不可少的。

1.2 泛在學(xué)習(xí)理論

泛在學(xué)習(xí)是一種任何人可以在任何地方、任何時(shí)刻獲取所需的任何信息的方式，是提供學(xué)生一個(gè)可以在任何地方、隨時(shí)使用手邊可以取得的科技工具來進(jìn)行學(xué)習(xí)活動(dòng)的3A(Anywhere，Anytime，Anydevice )學(xué)習(xí)[5]。學(xué)習(xí)者依據(jù)自己的學(xué)習(xí)需求和學(xué)習(xí)目標(biāo)，主動(dòng)利用獲取到的學(xué)習(xí)資源來學(xué)習(xí)的過程，是數(shù)字化學(xué)習(xí)和移動(dòng)學(xué)習(xí)發(fā)展到一定階段的產(chǎn)物[6]?？傊涸趯W(xué)習(xí)理論就是學(xué)習(xí)者不受時(shí)間、地點(diǎn)限制，可以隨時(shí)、隨地、隨需的進(jìn)行學(xué)習(xí)。

泛在學(xué)習(xí)理論對(duì)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)專業(yè)教學(xué)模式的啟示主要有以下2個(gè)方面：

(1)開發(fā)數(shù)字化教材、課件、微課、視頻等在線開放資源，提供學(xué)生理論學(xué)習(xí)所必需的資源。

(2)機(jī)器人實(shí)體設(shè)備具有應(yīng)用局限性，可開發(fā)線上虛擬仿真實(shí)訓(xùn)工作站(線)等泛在學(xué)習(xí)環(huán)境，打破實(shí)體設(shè)備的限制。

2 “理、虛、實(shí)、創(chuàng)”四位一體教學(xué)模式

針對(duì)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)編程、操作等實(shí)踐難點(diǎn)，需要合理構(gòu)建教學(xué)模式，才能完成專業(yè)教學(xué)目標(biāo)。結(jié)合建設(shè)的精品在線開放課程，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)公共實(shí)訓(xùn)中心、工業(yè)機(jī)器人技術(shù)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)中心、工業(yè)機(jī)器人技術(shù)大學(xué)生科技創(chuàng)新工作坊實(shí)施“理、虛、實(shí)、創(chuàng)”四位一體的教學(xué)模式，“理、虛、實(shí)、創(chuàng)”為圍繞工業(yè)機(jī)器人技術(shù)專業(yè)核心課程展開的“理論學(xué)習(xí)+虛擬仿真+實(shí)訓(xùn)操作+科技創(chuàng)新”四項(xiàng)教學(xué)活動(dòng)，其相互關(guān)系如圖1所示。

圖1 “四位一體”教學(xué)模式模型

結(jié)合泛在學(xué)習(xí)理論，并借鑒 “雙元制”職業(yè)教育模式的優(yōu)點(diǎn)，通過“理、虛、實(shí)、創(chuàng)”四位一體教學(xué)方式，線上線下混合教學(xué)，即線上機(jī)器人仿真編程與操作，線下對(duì)機(jī)器人實(shí)際操作，學(xué)生快速、熟練掌握編程、操作技巧、并初步提高創(chuàng)新能力，保證實(shí)訓(xùn)操作人身及機(jī)器人設(shè)備的安全，大幅度提高實(shí)踐教學(xué)的效果，提高學(xué)生對(duì)編程能力及操作水平，實(shí)現(xiàn)理論教學(xué)和實(shí)踐的“深度融合”?！八奈灰惑w”教學(xué)模式的構(gòu)建，對(duì)于教師最大的優(yōu)點(diǎn)在于易教，對(duì)學(xué)生來說安全、易學(xué)，并解決了實(shí)踐教學(xué)中存在的效率低等問題。

3 “四位一體”教學(xué)模式保障體系

3.1 校企協(xié)同打造具有實(shí)踐和創(chuàng)新能力的專兼相結(jié)合的教學(xué)團(tuán)隊(duì)，為“四位一體”教學(xué)模式實(shí)施提供師資支撐

優(yōu)秀的教學(xué)團(tuán)隊(duì)是保證工業(yè)機(jī)器人技術(shù)專業(yè)順利實(shí)施“四位一體”教學(xué)模式的保障，為此在校級(jí)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)教學(xué)團(tuán)隊(duì)、工業(yè)機(jī)器人技能大師工作室、工業(yè)機(jī)器人技術(shù)產(chǎn)學(xué)研科技平臺(tái)基礎(chǔ)上，進(jìn)一步加強(qiáng)專兼協(xié)同的教學(xué)團(tuán)隊(duì)建設(shè)。具體措施為：

首先，培養(yǎng)高水平專業(yè)帶頭人，支持專業(yè)帶頭人參加高水平的培訓(xùn)學(xué)習(xí)、提升職教理念、跟蹤智能制造業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢，準(zhǔn)確把握專業(yè)建設(shè)、崗位技能、職業(yè)等級(jí)技能、實(shí)踐與創(chuàng)新改革方向等。

其次，與合作企業(yè)密切協(xié)同，加強(qiáng)骨干教師培養(yǎng)，安排骨干教師到企業(yè)學(xué)習(xí),同時(shí)展開校企合作，每年派出老師分別在寒暑假參加企業(yè)的培訓(xùn)，通過培訓(xùn)、促使師資隊(duì)伍的素質(zhì)能逐年提高。

最后，聘請(qǐng)行業(yè)企業(yè)的專業(yè)人才擔(dān)任技能大師工作室的核心人員，支持其指導(dǎo)大學(xué)生科技創(chuàng)新工作坊學(xué)生科技創(chuàng)新，綜合實(shí)訓(xùn)等。

總之，依托科技平臺(tái)和技能大師工作室，提高團(tuán)隊(duì)整體素質(zhì)，有助于“四位一體”教學(xué)模式的順利實(shí)施。

3.2 借助課程教學(xué)資源平臺(tái)，進(jìn)行理論學(xué)習(xí)

在學(xué)生進(jìn)行仿真實(shí)訓(xùn)及實(shí)際機(jī)器人操作前，學(xué)生通過課程平臺(tái)進(jìn)行課前預(yù)習(xí)。為便于學(xué)生線上自主學(xué)習(xí)不受時(shí)間、空間限制，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)專業(yè)8門專業(yè)核心課程在超星泛雅平臺(tái)建設(shè)了在線開放課程，其中1門被評(píng)為省級(jí)精品在線開放課程，4門被評(píng)為校級(jí)精品在線開放課程。借助超星泛雅平臺(tái)電腦 PC 端和移動(dòng)手機(jī)端的資源，方便學(xué)生隨時(shí)隨地查看視頻、微課、模擬考試、文檔和 PPT 等課程資源。在線開放課程的建設(shè)為“理、虛、實(shí)、創(chuàng)”四位一體的教學(xué)模式理論內(nèi)容的學(xué)習(xí)提供了平臺(tái)。

3.3 構(gòu)建“虛、實(shí)雙中心”，落實(shí)教學(xué)保障

泛在學(xué)習(xí)環(huán)境——VSPTC-IRT以工業(yè)機(jī)器人四大家族之一的ABB公司的 RobotStudio軟件為核心，構(gòu)建了20多個(gè)3D 虛擬環(huán)境模擬真實(shí)操作，該VSPTC-IRT于2019年被評(píng)為校級(jí)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)中心。

基于“先虛后實(shí)、虛實(shí)融合”原則，在虛擬仿真學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，學(xué)生去實(shí)訓(xùn)中心進(jìn)行針對(duì)性訓(xùn)練。工業(yè)機(jī)器人技術(shù)公共實(shí)訓(xùn)中心于2018年評(píng)為校級(jí)實(shí)訓(xùn)基地。 “虛、實(shí)雙中心”的構(gòu)建可滿足如下能力的培養(yǎng)：

(1)基礎(chǔ)操作技能培養(yǎng)：熟悉和掌握工業(yè)機(jī)器人的線性運(yùn)動(dòng)、手動(dòng)操作、示教器控制運(yùn)動(dòng)等基本操作；

(2)機(jī)器人典型應(yīng)用仿真操作與編程能力提高：了解和掌握機(jī)器人碼垛應(yīng)用、機(jī)床上下料應(yīng)用、搬運(yùn)應(yīng)用等操作與編程要點(diǎn)；

(3)綜合應(yīng)用能力培養(yǎng)：智能制造生產(chǎn)線提高學(xué)生綜合操作技能解決工程問題的能力；

(4)發(fā)展與創(chuàng)新技能提升：依托大學(xué)生科技創(chuàng)新工作坊，學(xué)生可改進(jìn)仿真及實(shí)體生產(chǎn)線，設(shè)計(jì)機(jī)器人集成工作站，提高創(chuàng)新能力。

3.4 打造大學(xué)生科技創(chuàng)新工作坊，提升學(xué)生科技創(chuàng)新能力以及職業(yè)能力

“理、虛、實(shí)、創(chuàng)”四位一體教學(xué)模式的核心目的就是提高學(xué)生的職業(yè)能力以及科技創(chuàng)新能力，成立工業(yè)機(jī)器人技術(shù)大學(xué)生科技創(chuàng)新工作坊是落實(shí)此目標(biāo)的途徑，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)大學(xué)生科技創(chuàng)新于2018年評(píng)為校級(jí)大學(xué)生科技創(chuàng)新工作坊。大學(xué)生科技創(chuàng)新工作坊的學(xué)生選拔于工業(yè)機(jī)器人協(xié)會(huì)，其指導(dǎo)教師需具有2年以上企業(yè)工作經(jīng)歷的工程師或高級(jí)技師。學(xué)生完成的項(xiàng)目來自于工業(yè)機(jī)器人工程應(yīng)用科技服務(wù)特色創(chuàng)新平臺(tái)、工業(yè)機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用產(chǎn)學(xué)研科技平臺(tái)的縱橫向科研項(xiàng)目，如“面向快速插件的雙臂機(jī)器人開發(fā)”等。

4 “四位一體”教學(xué)模式案例剖析

教學(xué)模式實(shí)施是達(dá)成專業(yè)教學(xué)目標(biāo)的具體執(zhí)行環(huán)節(jié)。工業(yè)機(jī)器人機(jī)床上下料是工業(yè)機(jī)器人典型應(yīng)用之一，機(jī)器人和機(jī)床都屬于比較昂貴的設(shè)備，也是最容易出現(xiàn)碰撞的教學(xué)案例。以機(jī)器人機(jī)床上下料速度優(yōu)化設(shè)計(jì)為例說明以學(xué)生為中心的“四位一體”混合、互動(dòng)式的教學(xué)新模式的教學(xué)過程，實(shí)施中基于“課堂+線上線下”，遵循“課前預(yù)習(xí)、課中學(xué)習(xí)、課后拓展及創(chuàng)新”的教學(xué)原則，具體設(shè)計(jì)如表1所示。

表1 “四位一體”實(shí)踐教學(xué)模式設(shè)計(jì)

4.1 課前自主學(xué)習(xí)

學(xué)生根據(jù)泛雅學(xué)習(xí)平臺(tái)的“自主學(xué)習(xí)工作頁”,了解教學(xué)目標(biāo)、需掌握的知識(shí)點(diǎn)與技能點(diǎn)、重難點(diǎn)和教學(xué)實(shí)施過程。學(xué)生自主學(xué)習(xí)在線平臺(tái)上的視頻、微課、動(dòng)畫等學(xué)習(xí)資源，根據(jù)自己學(xué)習(xí)情況利用虛擬仿真實(shí)訓(xùn)中心的機(jī)床上下料工作站進(jìn)行仿真驗(yàn)證與測試。學(xué)生對(duì)自學(xué)出現(xiàn)的問題可以在線展開討論。教師應(yīng)當(dāng)設(shè)置任務(wù)點(diǎn)，并根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)狀況及時(shí)指導(dǎo)，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力。

實(shí)施中任務(wù)點(diǎn)學(xué)生應(yīng)自主學(xué)習(xí)、自主體驗(yàn)，便于構(gòu)建屬于自己的學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)體系。虛擬仿真項(xiàng)目應(yīng)協(xié)作完成，可相互取長，可避免個(gè)別學(xué)生不能完成項(xiàng)目而影響積極性。教師應(yīng)關(guān)注討論區(qū)，關(guān)注后臺(tái)完成任務(wù)點(diǎn)的人數(shù)，觀看微課時(shí)長等統(tǒng)計(jì)信息，為課堂組織做準(zhǔn)備。

4.2 課堂學(xué)習(xí)

“四位一體”的教學(xué)模式課堂實(shí)施中以教師主導(dǎo)、學(xué)生主體，目標(biāo)是打造 “動(dòng)起來”的有效、高效實(shí)體課堂。課堂中分為創(chuàng)設(shè)情境導(dǎo)入、根據(jù)自主學(xué)習(xí)情況及時(shí)總結(jié)的知識(shí)點(diǎn)與技能點(diǎn)講解、 虛擬仿真、實(shí)際操作、總結(jié)總評(píng)五個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)。

(1)創(chuàng)設(shè)情境導(dǎo)入：以某同學(xué)實(shí)操編程視頻，視頻是描述“速度”，重點(diǎn)顯示機(jī)器人空載和搬運(yùn)工件時(shí)速度一致以及接近對(duì)象時(shí)速度仍然沒變化。結(jié)合預(yù)習(xí)內(nèi)容，學(xué)生尋找錯(cuò)誤為教學(xué)切入點(diǎn)。同時(shí)檢測預(yù)習(xí)情況以決定授課內(nèi)容。

(2)重難點(diǎn)講解：借助手機(jī)學(xué)習(xí)通APP等信息化教學(xué)手段，講解中應(yīng)注意與學(xué)生互動(dòng)。

(3)虛擬仿真：學(xué)生每人有個(gè)仿真軟件程序練習(xí)包示，練習(xí)界面如圖2所示。應(yīng)用指令在虛擬仿真實(shí)訓(xùn)工作站進(jìn)行速度優(yōu)化，仿真編程，利用RobotStudio展示速度優(yōu)化前后效果對(duì)比，小組討論評(píng)價(jià)任務(wù)指令掌握情況，推薦最優(yōu)，下載到實(shí)體站。保證全體學(xué)生動(dòng)起來，教師注意學(xué)生表現(xiàn)，進(jìn)行個(gè)性化指導(dǎo)，并記錄學(xué)習(xí)的難點(diǎn)。

圖2 機(jī)器人機(jī)床上下料虛擬仿真工作站

(4)實(shí)際操作：現(xiàn)場操作應(yīng)用、加深對(duì)指令的理解。機(jī)器人機(jī)床上下料實(shí)體工作站如圖3所示。機(jī)器人機(jī)床上下料實(shí)體工作站以可視化的虛擬仿真編程方式改進(jìn)并展示系統(tǒng)的速度性能，仿真成功后下載到實(shí)體平臺(tái)練習(xí)，在這個(gè)過程教師觀察學(xué)生職業(yè)素養(yǎng)包括安全意識(shí)，并根據(jù)學(xué)生的表現(xiàn)評(píng)定學(xué)生的平時(shí)成績。

圖3 機(jī)器人機(jī)床上下料實(shí)體工作站

(5)總結(jié)和結(jié)束課程：教師對(duì)學(xué)生表現(xiàn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，對(duì)重難點(diǎn)進(jìn)行講解和答疑解惑。

實(shí)施中情境導(dǎo)入要能激發(fā)學(xué)生觀看興趣和探究欲望；知識(shí)講解應(yīng)采用多樣化互動(dòng)形式；充分利用設(shè)備，鼓勵(lì)學(xué)生在仿真好的情況下，盡快實(shí)操；教師應(yīng)注重對(duì)學(xué)生的評(píng)價(jià)。

4.3 課外拓展及創(chuàng)新

課后教師布置任務(wù)，利用VSPTC-IRT編程實(shí)現(xiàn)多機(jī)器人多機(jī)床柔性制造生產(chǎn)線虛擬仿真系統(tǒng)，其生產(chǎn)線界面如圖4所示，并把編程、速度設(shè)計(jì)等完成情況上傳到虛擬仿真實(shí)訓(xùn)中心，以檢測學(xué)生知識(shí)面拓展情況。

圖4 多機(jī)器人多機(jī)床柔性制造生產(chǎn)線虛擬仿真系統(tǒng)

依托大學(xué)生科技創(chuàng)新工作坊，以挑戰(zhàn)杯、互聯(lián)網(wǎng)+大學(xué)生科技創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)比賽為契機(jī)，鼓勵(lì)學(xué)生課外科技創(chuàng)新，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。學(xué)生的課外創(chuàng)新——多工業(yè)機(jī)器人硯臺(tái)制作虛擬仿真生產(chǎn)線，如圖5所示。該創(chuàng)新作品也獲得全國工業(yè)機(jī)器人虛擬仿真大賽作品一等獎(jiǎng)。實(shí)踐證明，“理、虛、實(shí)、創(chuàng)”四位一體教學(xué)模式的實(shí)施提高了學(xué)生的創(chuàng)新能力。

圖5 多機(jī)器人硯臺(tái)制作虛擬仿真生產(chǎn)線

5 結(jié)語

“四位一體”教學(xué)模式實(shí)施在工業(yè)機(jī)器人技術(shù)課程教學(xué)中的應(yīng)用，明顯提升了教學(xué)質(zhì)量和人才培養(yǎng)質(zhì)量。該模式獲得2019年廣東省教學(xué)成果獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)，對(duì)推動(dòng)“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下高職教學(xué)模式改革具有借鑒意義。