郝建豹，林子其

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

0 引言

高職工業(yè)機器人技術(shù)專業(yè)作為培養(yǎng)機器人系統(tǒng)操作與編程、調(diào)試與維護以及系統(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)，對機器人實踐要求非常高。目前專業(yè)課程實踐教學(xué)過程中存在工業(yè)機器人及配套設(shè)備價格高，實訓(xùn)設(shè)備臺套數(shù)少，實訓(xùn)效率低；工業(yè)機器人速度快、誤操作多、實訓(xùn)安全隱患高[1]；高職學(xué)生愛動手但實踐及科技創(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、工業(yè)機器人技術(shù)虛擬仿真實訓(xùn)中心(Virtual Simulation Practical Training Center-Industrial Robot Technology, VSPTC-IRT)和工業(yè)機器人技術(shù)公共實訓(xùn)中心的 “理、虛、實、創(chuàng)”四位一體的教學(xué)模式?！八奈灰惑w”教學(xué)模式的改革實踐提升了實踐安全問題，解決了機器人設(shè)備少，學(xué)生動手機會少等問題，取得了良好的實踐教學(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踐能力為目的的職業(yè)教育培訓(xùn)模式，其主要優(yōu)點在于4個“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)教育模式對工業(yè)機器人技術(shù)專業(yè)教學(xué)模式的啟示主要有以下3個方面：

(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，實施“項目導(dǎo)師制”進行全程化實踐指導(dǎo)。

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

(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)工程項目的實訓(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、任何時刻獲取所需的任何信息的方式，是提供學(xué)生一個可以在任何地方、隨時使用手邊可以取得的科技工具來進行學(xué)習(xí)活動的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，主動利用獲取到的學(xué)習(xí)資源來學(xué)習(xí)的過程，是數(shù)字化學(xué)習(xí)和移動學(xué)習(xí)發(fā)展到一定階段的產(chǎn)物[6]。總之，泛在學(xué)習(xí)理論就是學(xué)習(xí)者不受時間、地點限制，可以隨時、隨地、隨需的進行學(xué)習(xí)。

泛在學(xué)習(xí)理論對工業(yè)機器人技術(shù)專業(yè)教學(xué)模式的啟示主要有以下2個方面：

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

2 “理、虛、實、創(chuàng)”四位一體教學(xué)模式

針對工業(yè)機器人技術(shù)編程、操作等實踐難點，需要合理構(gòu)建教學(xué)模式，才能完成專業(yè)教學(xué)目標。結(jié)合建設(shè)的精品在線開放課程，工業(yè)機器人技術(shù)公共實訓(xùn)中心、工業(yè)機器人技術(shù)虛擬仿真實訓(xùn)中心、工業(yè)機器人技術(shù)大學(xué)生科技創(chuàng)新工作坊實施“理、虛、實、創(chuàng)”四位一體的教學(xué)模式，“理、虛、實、創(chuàng)”為圍繞工業(yè)機器人技術(shù)專業(yè)核心課程展開的“理論學(xué)習(xí)+虛擬仿真+實訓(xùn)操作+科技創(chuàng)新”四項教學(xué)活動，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，通過“理、虛、實、創(chuàng)”四位一體教學(xué)方式，線上線下混合教學(xué)，即線上機器人仿真編程與操作，線下對機器人實際操作，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，保證實訓(xùn)操作人身及機器人設(shè)備的安全，大幅度提高實踐教學(xué)的效果，提高學(xué)生對編程能力及操作水平，實現(xiàn)理論教學(xué)和實踐的“深度融合”?！八奈灰惑w”教學(xué)模式的構(gòu)建，對于教師最大的優(yōu)點在于易教，對學(xué)生來說安全、易學(xué)，并解決了實踐教學(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)同打造具有實踐和創(chuàng)新能力的專兼相結(jié)合的教學(xué)團隊，為“四位一體”教學(xué)模式實施提供師資支撐

優(yōu)秀的教學(xué)團隊是保證工業(yè)機器人技術(shù)專業(yè)順利實施“四位一體”教學(xué)模式的保障，為此在校級工業(yè)機器人技術(shù)教學(xué)團隊、工業(yè)機器人技能大師工作室、工業(yè)機器人技術(shù)產(chǎn)學(xué)研科技平臺基礎(chǔ)上，進一步加強專兼協(xié)同的教學(xué)團隊建設(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，準確把握專業(yè)建設(shè)、崗位技能、職業(yè)等級技能、實踐與創(chuàng)新改革方向等。

其次，與合作企業(yè)密切協(xié)同，加強骨干教師培養(yǎng)，安排骨干教師到企業(yè)學(xué)習(xí),同時展開校企合作，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)、促使師資隊伍的素質(zhì)能逐年提高。

最后，聘請行業(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，綜合實訓(xùn)等。

總之，依托科技平臺和技能大師工作室，提高團隊整體素質(zhì)，有助于“四位一體”教學(xué)模式的順利實施。

3.2 借助課程教學(xué)資源平臺，進行理論學(xué)習(xí)

在學(xué)生進行仿真實訓(xùn)及實際機器人操作前，學(xué)生通過課程平臺進行課前預(yù)習(xí)。為便于學(xué)生線上自主學(xué)習(xí)不受時間、空間限制，工業(yè)機器人技術(shù)專業(yè)8門專業(yè)核心課程在超星泛雅平臺建設(shè)了在線開放課程，其中1門被評為省級精品在線開放課程，4門被評為校級精品在線開放課程。借助超星泛雅平臺電腦 PC 端和移動手機端的資源，方便學(xué)生隨時隨地查看視頻、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、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。

3.3 構(gòu)建“虛、實雙中心”，落實教學(xué)保障

泛在學(xué)習(xí)環(huán)境——VSPTC-IRT以工業(yè)機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3D 虛擬環(huán)境模擬真實操作，該VSPTC-IRT于2019年被評為校級虛擬仿真實訓(xùn)中心。

基于“先虛后實、虛實融合”原則，在虛擬仿真學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，學(xué)生去實訓(xùn)中心進行針對性訓(xùn)練。工業(yè)機器人技術(shù)公共實訓(xùn)中心于2018年評為校級實訓(xùn)基地。 “虛、實雙中心”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)機器人的線性運動、手動操作、示教器控制運動等基本操作；

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

(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)生可改進仿真及實體生產(chǎn)線，設(shè)計機器人集成工作站，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、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)機器人技術(shù)大學(xué)生科技創(chuàng)新工作坊是落實此目標的途徑，工業(yè)機器人技術(shù)大學(xué)生科技創(chuàng)新于2018年評為校級大學(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)機器人協(xié)會，其指導(dǎo)教師需具有2年以上企業(yè)工作經(jīng)歷的工程師或高級技師。學(xué)生完成的項目來自于工業(yè)機器人工程應(yīng)用科技服務(wù)特色創(chuàng)新平臺、工業(yè)機器人技術(shù)應(yīng)用產(chǎn)學(xué)研科技平臺的縱橫向科研項目，如“面向快速插件的雙臂機器人開發(fā)”等。

4 “四位一體”教學(xué)模式案例剖析

教學(xué)模式實施是達成專業(yè)教學(xué)目標的具體執(zhí)行環(huán)節(jié)。工業(yè)機器人機床上下料是工業(yè)機器人典型應(yīng)用之一，機器人和機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。以機器人機床上下料速度優(yōu)化設(shè)計為例說明以學(xué)生為中心的“四位一體”混合、互動式的教學(xué)新模式的教學(xué)過程，實施中基于“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)計如表1所示。

表1 “四位一體”實踐教學(xué)模式設(shè)計

4.1 課前自主學(xué)習(xí)

學(xué)生根據(jù)泛雅學(xué)習(xí)平臺的“自主學(xué)習(xí)工作頁”,了解教學(xué)目標、需掌握的知識點與技能點、重難點和教學(xué)實施過程。學(xué)生自主學(xué)習(xí)在線平臺上的視頻、微課、動畫等學(xué)習(xí)資源，根據(jù)自己學(xué)習(xí)情況利用虛擬仿真實訓(xùn)中心的機床上下料工作站進行仿真驗證與測試。學(xué)生對自學(xué)出現(xiàn)的問題可以在線展開討論。教師應(yīng)當設(shè)置任務(wù)點，并根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)狀況及時指導(dǎo)，充分調(diào)動學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力。

實施中任務(wù)點學(xué)生應(yīng)自主學(xué)習(xí)、自主體驗，便于構(gòu)建屬于自己的學(xué)習(xí)經(jīng)驗和知識體系。虛擬仿真項目應(yīng)協(xié)作完成，可相互取長，可避免個別學(xué)生不能完成項目而影響積極性。教師應(yīng)關(guān)注討論區(qū)，關(guān)注后臺完成任務(wù)點的人數(shù)，觀看微課時長等統(tǒng)計信息，為課堂組織做準備。

4.2 課堂學(xué)習(xí)

“四位一體”的教學(xué)模式課堂實施中以教師主導(dǎo)、學(xué)生主體，目標是打造 “動起來”的有效、高效實體課堂。課堂中分為創(chuàng)設(shè)情境導(dǎo)入、根據(jù)自主學(xué)習(xí)情況及時總結(jié)的知識點與技能點講解、 虛擬仿真、實際操作、總結(jié)總評五個教學(xué)環(huán)節(jié)。

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

(2)重難點講解：借助手機學(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。

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

圖2 機器人機床上下料虛擬仿真工作站

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

圖3 機器人機床上下料實體工作站

(5)總結(jié)和結(jié)束課程：教師對學(xué)生表現(xiàn)進行評價，對重難點進行講解和答疑解惑。

實施中情境導(dǎo)入要能激發(fā)學(xué)生觀看興趣和探究欲望；知識講解應(yīng)采用多樣化互動形式；充分利用設(shè)備，鼓勵學(xué)生在仿真好的情況下，盡快實操；教師應(yīng)注重對學(xué)生的評價。

4.3 課外拓展及創(chuàng)新

課后教師布置任務(wù)，利用VSPTC-IRT編程實現(xiàn)多機器人多機床柔性制造生產(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)計等完成情況上傳到虛擬仿真實訓(xùn)中心，以檢測學(xué)生知識面拓展情況。

圖4 多機器人多機床柔性制造生產(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，鼓勵學(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)機器人硯臺制作虛擬仿真生產(chǎn)線，如圖5所示。該創(chuàng)新作品也獲得全國工業(yè)機器人虛擬仿真大賽作品一等獎。實踐證明，“理、虛、實、創(chuàng)”四位一體教學(xué)模式的實施提高了學(xué)生的創(chuàng)新能力。

圖5 多機器人硯臺制作虛擬仿真生產(chǎn)線

5 結(jié)語

“四位一體”教學(xué)模式實施在工業(yè)機器人技術(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)成果獎二等獎，對推動“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下高職教學(xué)模式改革具有借鑒意義。