面向“新工科”的机器人方向专业实践课程体系的构建

郭岩宝 王德国 海凤 刘书海

[摘 要] 机器人技术是多学科交叉发展的前沿性、综合性的高新技术，其应用十分广泛。“新工科”建设对机器人教育提出了更高的要求，构建机器人方向的课程体系具有重要意义。以理论知识与实践经验相结合为原则，以中国石油大学（北京）机械与储运工程学院的机械设计制造及其自动化专业为例，以科研创新能力提升为核心，从基本课程和实践课程、综合实践创新以及科研训练三个方面研究机器人方向课程体系的构建。

[关键词] 机器人方向;课程体系构建;实践创新;科研训练

[中图分类号] G642.0        [文献标识码] A    [文章编号] 1674-9324（2020）41-0350-03    [收稿日期] 2019-11-19

一、引言

为应对新一轮的科技革命和产业变革，支持服务创新的发展，贯彻《中国制造2025》行动纲领，自2017年2月起，教育部积极推进新工科建设，并发布了《关于推新工研究与实践项目的通知》[1]。

新工程专业与传统工程专业的区别在于对传统工程专业的升级，如智能制造、云计算、人工智能、机器人等[2]。与传统的工科人才相比，未来新兴产业和新经济需要的是高素质的复合型工程人才，具有较强的动手能力、创新能力和国际竞争力。

工程科学中的“新”是工程教育的新概念和学科的新结构。新工程科学的建设和发展要求建立创新、系统和全周期工程教育的新概念。此外，有必要构建一个将新工程与传统工程相结合的学科“新结构”。新工程学科的推广和实施旨在适应以新技术、新形式、新模式和新产业为代表的新经济发展。深化中国工程教育改革，建设工程教育强国，对服务和支持中国经济转型升级具有重要意义。

机械工程是基于相关的自然科学和技术科学，结合生产实践经验，研究和设计、制造各类机械产品，在设计、制造、操作和維护的整个生命周期中应用学科的理论和技术[3]。该学科注重理论与工程实践的结合，对其他科学领域的多学科和技术提供支持，是改造世界的有力工具。

机械工程学科不断吸收自然科学和其他领域的新发现和新发明，开辟新的发展方向[4]。同时，机械工程领域还必须满足新工程领域的发展需求，相互促进、共同发展。因此，结合“新工科”背景，探索机电专业人才培养模式的改革具有重要的现实意义[5]。

机器人技术已成为一个国家制造和技术水平的重要标志。机器人越来越多地应用于工业、农业、国防、医疗保健、办公自动化和生活服务等领域[6]，是近年来飞速发展的领域之一。智能机器人走进学生的课堂是必然的，这不仅可以让学生加深对理论知识的了解与应用，还可以培养学生的创新思维与动手能力。

二、创新课程体系，侧重工程创新方法论培养

我校机械专业对学生的培养目标是培养具有良好人文、学术和工程素养，并掌握开发机械和机电系统的人才;在设计、制造、控制和测试以及应用能力方面具有基础理论知识和系统专业知识的人才;获得机械工程领域工程师所需的基础工程培训，具有创新能力、实践能力和国际视野的工程技术人才。为机械工程特别是石油工程设备的自主设计、制造、应用研究和生产管理奠定坚实的基础。

基于上述培养目标，我校现有的机械设计制造及其自动化专业核心课程包括画法几何和机械制图、理论力学、材料力学、工程流体力学、工程热力学与传热、电气与电子、机械原理、机械设计、机械制造技术基础、工程材料与成形技术、控制工程基础、机械工程检测技术、机电传动控制、石油钻井技术与设备、液压传动与控制。实践课程包括大学物理实验、电气和电子实践、机械和其他相关专业课程设计以及夏季的机械制图工程实践。大二暑期的金工实习，大三暑期的生产实习以及机械设计课程设计、机电系统及其他相关课程综合课程设计。

我校机械专业从通识教育、专业教育、实践教学和第二课堂四个方面设置课程体系，最低总学分为185学分。其中要求通识教育课程最低为70学分，约占37.8%;专业核心课程（必修课）最低为47.5学分，约占25.7%;专业选修课的最低为25.5学分，约占13.8%。实践教学环节（必修）至少有36个学分，约占19.5%。

（一）基本课程和实践课程

课程设置要基于“新工科”的要求，以能力提升为目标，实现理论与实践相结合，不断创新开发机器人方向的课程体系。

1.适当增加机器人方向选修课。我校机械专业的通识课和专业课等基础必修课程比较丰富，并且也符合机器人方向的应用，但是关于机器人方向的选修课较少，应适当增加，并且要增加实践类选修课，以此来调动学生积极性，拓展学生们在机器人方面的视野，以及提高学生们的动手能力。

2.开设在线课程。学生上课时偶尔会出现跟不上老师的授课进度等问题，如果能够开设慕课、资源共享课等在线课程，学生课下能够随时观看老师的教学视频，复习老师讲过的知识，这个问题便可迎刃而解，同时可以丰富学生的学习资源。

3.注重理论知识与实践经验的融合。目前课堂教学属于一种填鸭式灌输，应该在学生上理论课的同时配以相应的实验课或实践课，融合理论知识和实践经验，促进教师从主体转变为主导，让学生从只会说转变为会说会做，促进学生从重得分到重能力的转变。

4.引入案例教学，提高解决实际问题的能力。结合现有的实验装置和教师的科研经验，在教学中引入典型案例教学，提高学生设计绘图、加工制作、撰写报告等能力。同时，教师结合科研课题为学生设置开放型实验项目，丰富学生的实践学习课堂，进一步提高学生解决实际问题的能力和动手能力。

5.适当增加实验器材。实验课一般是以小组为单位做实验，导致有些学生没机会亲自操作实验，所以应该适当增加实验器材，合理安排学生实验时间，使每一位学生都能亲手完成实验的每个步骤，对实验原理有清晰明确的认识。

（二）综合实践创新

机器人技术的发展日新月异，因此在工科院校建立机器人方向的实践过程，或者在已有相关此类课程的基础上进行课程改革与创新是十分有意义的[7]。

我校有一支机器人队伍，每年面向全校招收大量热爱机器人技术的学生并参与管理，每年参加RoboMaster全国大学生机器人大赛等机器人相关赛事并取得很多奖项。应该大力支持该队伍的发展，在现有基础上，完善教师团队指导创新的能力，领导学生一起做出更新更好的机器人。

实验教学是机器人教学不可或缺的一个重要环节，所以应该设计机器人方向的实验教学，包括程序编写、机械加工等，让学生更好地理解课堂上学到的理论知识，了解机器人在实际工程中的应用。

我校学生的金工实习是在其他学校的实习基地进行的，应该在校内建设自己的实习基地。在实践中，实践与课堂理论教学的互补可以更好地结合起来，促进学生对知识的理解。创造一个企业化工程环境对学生的工程能力和工程素养的培养也是有好处的。

（三）科研训练

目前，高校科研情况普遍存在两个问题，一是学生缺乏科研创新能力;二是相关课程体系不完善。究其原因，首先是因为教师对本科生科研训练不重视，其次是学生科研意识不够。

1.提升教师的科研水平。发挥教师在学生心目中的榜样作用。首先，教师对科学研究的态度应该是非常正确的。其次，教师的科研能力一定要强，学生们才会信服老师，愿意跟老师做科研，取得优秀成果。再次，学校应为教师带领学生做科学研究提供良好的环境和条件，建立良好的研究平台。

2.引导学生树立科研意识。学生大一入学，教师在课堂上就要向学生渗透科研训练的重要性，辅导员在与学生交流时也要注重对学生科研方面的引导，鼓励学生参加科技创新竞赛，让学生在竞赛中體会科研的意义，感受科研的魅力。

3.将科研融入课程中。教师结合科研项目设置相关的实训课程，学生根据兴趣选课，参照毕业设计的要求来设计这类课程，让学生分组完成一项小课题。在这个过程中，可以巩固学生所学专业知识，也能提高学生的科研知识及能力。

三、总结

本文基于理论知识与实践经验相结合的原则，以科研创新能力提升为核心，从基本课程和实践课程、综合实践创新和科研训练三个方面研究了机器人方向课程体系的构建。强调了实验与实践教学在学生学习中的地位，发挥案例教学在解决实际问题中的作用，提升学生科研意识，培养学生科研创新能力。在新工程建设的背景下，不断优化和完善机器人方向专业课程体系。

参考文献

[1]张莹婷.《中国制造2025》解读之：中国制造2025，我国制造强国建设的宏伟蓝图[J].工业炉，2019，41（02）：55.

[2]陆国栋，李拓宇.新工科建设与发展的路径思考[J].高等工程教育研究，2017（03）：20-26.

[3]崔军.回归工程实践：我国高等工程教育课程改革研究[D].南京：南京大学，2011.

[4]朱立达，宁晋生，巩亚东，史家顺.基于机械工程学科的新式工程教育模式改革探析[J].中国大学教学，2018（08）：19-25.

[5]赵青，李立君.“双一流”背景下的行业特色院校机械工程学科建设探讨[J].高教学刊，2017（08）：142-143.

[6]李芳芳，孙乾.我国工业机器人发展现状的调查分析[J].机械传动，2019，43（06）：172-176.

[7]关鹏.工业机器人在智能制造中的运用[J].冶金与材料，2019，39（03）：163-164.