“1+X”证书制度下机器人工程专业实践教学探索

刘 超, 温宏愿, 杨 蕾, 孙松丽, 瞿志俊

(南京理工大学 泰州科技学院，江苏 泰州 225300)

0 引言

2019 年初，国务院印发《国家职业教育改革实施方案》[1]，明确提出在职业教育中启动和实施 “1+X”证书制度，“1” 指学历证书，“X” 指若干职业技能证书，要求各高校在职业教育和人才培养过程中将学历证书和若干职业技能证书有效地融合起来，提倡和激励学生积极获取职业技能证书，从而提高职业素养和职业技能，同时面向社会提供职业技能培训，增强和提高职业教育服务社会和地方经济的能力。文件中明确指出：从2019年开始，在职业院校、应用型本科高校启动“学历证书+若干职业技能等级证书”制度试点工作。

对于应用型本科院校，提升应用型本科高校的竞争力，一方面要继续深化教育改革工作，对接产业(行业)持续推进专业改造与师资队伍建设，深化产教融合的合作育人机制；另一方面要全面提高人才的培养质量与就业质量，积极参与 “1+X”证书制度试点工作，结合学生的职业发展规划，建立科学的以能力为导向的人才评价体系，完善 “1+X” 证书制度育训结合的配套建设[2-4]。

应用型本科院校作为现代职业教育体系的一个重要环节，不同于高职院校侧重于实际操作。南京理工大学泰州科技学院经过多年的发展，将人才培养定位为“现场工程师”，培养既具备扎实的理论基础，又具备较强的实际操作能力复合型人才。“1+X”证书制度与我校人才培养目标有较强的契合度。对于应用型本科院校，根据职业标准强化实践教学是学生获取职业技能等级证书的重要途径。建立合理的实践教学体系和实践教学基地，既可以提升学生的工程实践能力和就业能力，也可以为职业技能等级证书提供考评的场地支持，完善学校服务社会的基本职能[5-7]。我校入选了第二批“1+X”证书制度工业机器人操作与运维证书试点院校。在机器人工程专业，围绕“1+X”证书制度开展了全新的实践教学体系和实验室建设。

1 工业机器人操作与运维证书背景

2019年9月，工业和信息化部教育与考试中心公布了机器人操作与运维职业技能等级标准。规定了工业机器人操作与运维职业技能等级对应的工作领域、工作任务和职业技能要求。对应高级证书的要求，使学生在工业机器人系统安装、工业机器人校对与调试、运用示教器完成工业机器人复杂动作的编程、工业机器人系统故障诊断等工作领域内完成工业机器人操作和运维。

针对职业标准，机器人工程专业需要设置相应的理论课程与实践课程支撑职业标准要求，对应每一个工作领域，教学计划支撑如表1所示。本科教学对理论要求较高，对于职业等级标准中理论的要求，绝大多数高校教学计划都可以满足。对于实践课程和综合实训课程，本科高校普遍重视程度不够，实践课程内容与实际工程相差较大，不能满足“1+X”证书制度对学生实践能力的要求。我校提出一种“项目引领、岗位实境”、能操作、可执行、易推广的实践教学模式[8]。在学校的智能制造技术中心内，利用教学实训基地软硬件系统，针对应用型本科的教学特点，开展服务型专业教学。利用项目教学法把企业实际的研发应用项目搬入课堂。

表1 机器人工程专业教学计划支撑工作领域表

本文着重论述了机器人工程专业建立的满足“1+X”证书制度机器人操作与运维职业技能等级标准的实践教学体系和实验室建设方案。

2 机器人工程专业实践教学体系

对于机器人工程专业，实践教学体系是整个教学实施的关键环节。按照“1+X”证书制度的要求，建立满足职业等级标准，与工程实践紧密联系的实践教学体系，既可以提升学生的工程实践能力，又可以满足企业人员培训要求，是实施“项目引领、岗位实境”的重要手段。

2.1 培养“四种能力”，完善实践教学体系

机器人工程专业围绕学生工程认知能力、工程验证能力、工程设计能力、工程应用能力培养；建立分层递进的实践教学体系。

工程认知能力培养：包括基本的认识实习、金工实习、基础课程实验等。帮助学生理解和巩固相应的基础知识，培养工程意识，初步锻炼工程认知能力。

工程验证能力培养：包括专业核心课程课内实验。将理论课程放在实验室，实现“教室-实验室”一体化教学。学生在理论教学结束后直接在实验室通过项目验证理论知识。既可以深入理解理论知识，又可以提高学生理论与实践相结合的能力，激发学生的学习兴趣，使学生得到充足的训练时间和机会，提高工程验证能力。

工程设计能力培养：包括专业技能综合实训、课程设计等，例如工业机器人典型应用实训(基础、码垛、打磨、焊接)、工业机器人系统集成课程设计等。通过课程设计或综合实训课程，对学生进行更深入的专业技能培养和训练。帮助学生由浅入深，层层递进，逐步掌握工业机器人应用的基本知识及开发部分功能模块的能力。邀请企业工程师参与授课，通过工程实际项目培养学生设计能力。

工程应用能力培养：组织学生参加科研训练、企业项目、科技创新、实验室建设、大学生创新创业训练项目、学科竞赛等[9-11]，培养学生研究与创新的综合能力。学科竞赛和大学生创新项目是提高学生实践能力、创新能力和综合素质的有效手段，也是高校培养“创新型、实用型、复合型”人才的重要途径图学生通过毕业设计，参与企业、教师的实际应用课题，对工程项目有更加直接的认识，对学生的就业能力和未来发展具有重要意义。

2.2 融合“三种途径”，实现实践能力提升

将课内教学与课外教学相融合、校内教学与校外实践相融合、教学工作与科学研究相融合。通过途径的融合，实现课外补充课内，校外补充校内，科研补充教学的全方位实践能力培养体系。

课内教学与课外教学相融合：将实践教学计划(包括实验、课程设计、实习实训、毕业设计等)与课程外的省校级大学生创新创业项目、学科竞赛、科研训练等有机融合，建立开放型实验室、创新型实验室，对实验室开展学生参与管理制度，全方位训练学生的基础实验能力、实验设计能力、问题分析与解决能力、创新创业能力。

校内教学与校外实践相融合：将校内的实践教学与校外的企业工程现场实践教学融合，聘请企业导师参与指导学生校内外实习实训、毕业设计；联合企业开展技术开发、社会实践。通过校内外导师、实践场所和设备的互补式培养，培养学生岗位适应能力、现代工具应用能力、沟通与交流能力等。

教学工作与科学研究相融合：通过学生加入教师主持的科研项目、将教师科研成果摘编为教学案例或学生实践训练项目，培养学生实践能力、设计/开发解决方案能力、终身学习能力、调研能力、创新意识和科研素质。

2.3 建立特色鲜明的实践教学体系

在实践教学体系中，通过“基础实验室-专业实验室-综合实践实验室-创新实验室”四个层次，完成学生的工程实践能力培养。实验室开设实验以项目为载体，并不断更新实验内容，围绕工程上应用最广，最具代表性的成果开展实践教学。最终是形成以“项目引领、岗位实境；分层培养、逐级递进；多方联动、前后贯通”为特色，以“四种能力培养，三种途径融合”为手段的的实践教学体系。

综上所述，机器人工程专业实践教学培养体系如图1所示。

图1 机器人工程专业实践能力培养体系图

3 机器人工程专业实验室建设

实验室是提升学生工程实践能力的重要场所，配合实践教学体系，建立既符合“1+X”证书制度职业等级标准，又能满足机器人工程专业人才培养需求的实验室建设是专业实践教学的重要条件[12]。

3.1 实施四维度体系化的实验室建设方案

机器人工程专业面向智能制造行业，为智能制造行业培养应用型、复合型人才。

专业实验室建设围绕智能制造行业的需求展开，形成“点、线、面、体”四维度体系化实验室建设模式。即：“点(机器人基础教学实验室、机器人虚拟仿真实验室)-线(机器人典型工艺应用实验室)-面(工厂数据采集实验室、制造执行系统实验室)-体(智能制造数控加工生产线)”四维度体系化建设方案。其中，点是基础，线是关键，面是特色，体则是目标。

点是基础：在智能制造系统中，工业机器人是一个控制点，是组成智能制造系统的执行工具，对工业机器人基本编程操作和仿真是整个智能制造系统的基础。学生在机器人基础教学实验室、机器人虚拟仿真实验室可以对工业机器人有一个基本的认识，进行简单的操作编程和仿真。该实验室可以开设：工业机器人系统首次运行与手动操作，程序创建管理，坐标系设置，编辑轨迹与手动运行，指令编辑，I/O控制与控制指令添加，工具更换编程，未成品物料搬运，视觉系统设置，工作站主程序编程及调试运行等实验。学生通过上述实验能够对工业机器人本体完成基本编程和操作。通过实际操作和虚拟仿真，学生可以完成简单的工艺过程控制。

线是关键：在智能制造系统中，工业机器人根据典型的工艺需求，将工业机器人本体和典型的工装夹具结合，在特定的工艺需求下完成简单的集成实现工艺加工是整个智能制造系统的关键。学生在机器人典型工艺应用实验室能够学习打磨，搬运码垛，弧焊三种典型的工业机器人应用领域的工艺原理，设计思想，指令编辑。该实验室可以开设：三种工艺的坐标系设置，编辑轨迹及程序管理，工艺指令添加与适应，工艺程序编程，工艺程序自动运行等实验以及工业机器人打磨，搬运码垛，弧焊工艺综合实训和相关的课程设计。学生通过上述实验能够完成简单工作站的编程调试。通过实际操作，学生可以完成工业机器人在典型应用领域的集成应用。

面是特色：在智能制造系统中，对设备的管理和监控是提高工作效率的有效手段，也是智能制造系统的最大特色，集成的设备能够实现智能化管理，主要依托工厂数据采集系统和制造执行系统。学生在工厂数据采集和制造执行系统实验室中能够学习数据采集的基本原理，GE PLC 编程，采集工厂实时数据，实现工厂数据监控，存储工厂历史数据，构建工厂系统保护以及工厂生产基础数据管理以及MES的数据信息，生产管理之生产排产，设备管理之OEE效率分析，可视化之生产过程监控，MES项目实施流程，MES需求文档的设计等内容。该实验室可以开设：SCADA系统数据采集实验，SCADA系统报表应用实验，SCADA系统报警管理实验，MES系统订单管理，MES系统订单装配工序管理，MES系统物料管理，MES系统生产质检等实验以及相关课程设计。学生通过上述实验能够完成基于工业机器人的智能制造工厂的数据采集和制造执行系统的搭建，维护和应用。

体是目标：在智能制造系统中，目标是建设一个可以根据客户需求自动调整生产的高性能系统集成产品，将工业机器人、传感器、数据采集装置、执行机构、上位机连接起来形成一个智能化系统解决方案是机器人工程专业学生实践能力提升的重要手段。智能制造数控加工生产线将机械技术、微电子技术、电工电子技术、传感测试技术、接口技术、信息变换技术、网络通信技术等多种技术有机地结合，并综合应用到生产设备中。生产线的传感检测、传输与处理、控制、执行与驱动等机构在微处理单元的控制下协调有序地工作，有机地融合在一起。学生在智能制造数控加工生产线上能够学习数控加工生产线中的通信、识别、跟踪、资源管理、工艺规划；车床加工单元的架构，并掌握车床加工单元的数据采集、处理、分析以及系统的识别与工艺规划方法，实现车床加工系统的运行；加工中心单元的架构，并掌握加工中心单元的数据采集、处理、分析以及系统的识别与工艺规划方法，实现加工中心系统的运行等内容。本实验室可以开设智能制造数控加工生产线课程设计以及相关认知实习和毕业设计。学生通过上述实验能够实现对整个智能制造系统的把握。

3.2 实施“理-虚-实”一体化实践教学模式

建立“理(理论)-虚(仿真)-实(实操)”一体化的实践教学模式，即：基于机器人虚拟仿真实验室，进行初级仿真能力培养，基于机器人基础教学实验室，进行机器人示教编程及操作能力培养；基于典机器人典型工艺应用实验室，进行工业机器人与典型工艺相结合的应用能力和机器人集成设计中级能力培养；基于工厂数据采集实验室、制造执行系统实验室、智能数控加工产线实训系统，进行智能制造和工业机器人系统集成设计高级能力培养；实现学生工程实践能力的渐进式培养，保障和提升了人才培养质量。

4 结语

随着“1+X”证书制度的不断推进和职业等级标准不断完善，机器人工程专业实验室建设需要不断更新实验内容。

通过“理论教学-虚拟仿真-实际操作”的教学模式，按照“点、线、面、体”四个维度，以培养学生工程认知能力、工程验证能力、工程设计能力、工程应用能力为目标，建立一个“项目引领、岗位实境；分层培养、逐级递进；多方联动、前后贯通”为特色，以“四种能力培养，三种途径融合”为手段的的实践教学体系。该体系既满足“1+X”证书制度职业等级标准要求，又满足人才培养目标和毕业要求。能够培养企业认可，实践能力突出的工程应用型人才。