基于OBE教育理念的工业机器人课程建设与实践

季 晔，冯 崇，李素芳，孙小捞

(洛阳理工学院 智能制造学院，河南 洛阳 471023)

自2012年以来，我国沿海地区出现了劳动力紧缺现象，这种趋势逐步扩展到内陆，依靠人口红利发展的行业将不得不做出改变[1]。为了改善现有生产组织模式，国内越来越多的制造业企业对工业机器人有了迫切需求，这一形势催生了工业机器人教育和培训行业的发展。国内本科院校开设机器人工程及相关专业始于2016年[2]，主要培养机器人机构分析与设计、系统集成、智能控制、视觉算法、轨迹追踪等方向的工程技术人员。各高职高专院校开设的机器人专业主要培养机器人操作、维修、安装与调试等一线岗位应用型技能劳动者[3]。工业机器人涉及数学、力学、机械等多个学科相互交叉、相互融合，最明显的特征是高技术、高人才、高资金。当前，企业对这方面的人才要求是能够熟练掌握相关专业知识，能对工业机器人的问题进行分析、解决，并结合相关流程进行二次开发和具备相关管理经验，同时还能将软硬件结合，尽可能降低运行成本，提高工作效率，但这种技术人才相当稀缺。当前，学校的重要任务是培养机器人方面的技术人才，使其能够结合不同工艺实现相关流程的二次开发，进而开拓市场[4]。OBE(Outcomes-based Education)是基于产出导向的先进教育理念，由Spady等人于1981年提出[5]，此后经过10年左右的发展形成了比较完整的理论体系，是用于衡量工科本科教育质量的工程专业教育认证三大理念之一，国内许多高校已运用该理念开展课程教学[6-8]。工业机器人课程是本校机械电子工程专业的特色选修课，课程开设为学生毕业后服务机械设计与制造行业和洛阳智能装备产业奠定基础。课程具有多学科交叉、实践性和理论性强等特点，内容包括机器人机构学、工业机器人机械结构设计、机器人控制理论、工业机器人传感器、工业机器人编程等。

1 传统课堂教学和考核方式存在的问题

第一，传统课堂教学以讲授为主，未突出学生的主体地位。教师习惯于单向灌输式讲授，课堂互动偏少。教学过程中忽视学生的反馈，学生思考空间不足，无法培养学生的自主学习能力和团队合作能力。认证标准中毕业要求第九条明确提出了个人和团队角色要求，在课程教学中没有充分考虑学生的主体地位，没有落实以“教”为中心向“学”为中心的转变。第二，课程对自然科学理论要求高，部分内容理解难度大，学生容易丧失学习兴趣。本课程综合性强，涵盖较多数学、力学理论，公式推导内容多，初学者理解难度大，若缺乏学习毅力，难以实现课程目标。与应用型为主的课程相比，枯燥的数学公式及其推导过程容易使学生丧失学习兴趣。第三，试卷考核主要考查基本概念，难以体现OBE理念。OBE理念强调学生在学的过程取得什么效果，试卷考试往往是以教师为中心，体现的是教师对课程认识的体现。试卷考核题型主要有填空题、选择题、判断题、简答题和计算题等，以考查基本概念和简单应用为主，难以体现成果导向。第四，课程思政元素融入不足。课程思政强调全员、全程、全方位育人，在传统教学中，尤其是专业课教学，关注的重点是本课程难点，很少考虑课程与社会、健康、职业规范等因素的关系。

2 毕业要求和培养目标分析

2.1 毕业要求

认证标准中的毕业要求共12条，本校机械电子工程专业将12条毕业要求分解为34个指标点。本课程支撑其中的3个指标点，A.工程知识：掌握机械工程基础知识和机械电子工程专业知识，具有对机械工业自动化装备领域复杂工程问题进行分析与解决的能力。B.问题分析：能够运用数学、自然科学基本原理研究、分析机械工业自动化装备领域复杂工程问题，并提出多种解决方案。C.使用现代工具：掌握机械工业自动化装备领域复杂工程问题的工程计算、仿真、分析、预测、控制方法，并能在实践中认识到相关工具的局限性。课程支撑指标点符合OBE教学理念，重点强调了对复杂工程问题进行分析与解决的能力。数学、力学等自然科学基本原理是解决复杂工程问题的基础，工程计算、仿真和分析能力是指运用现代化软件进行数学建模、编程计算的能力。

2.2 培养目标

本专业学生毕业后，通过5年左右的实践，期望达到以下目标：第一，能够将机械工业自动化专业知识与技能，结合人文社会科学知识，在社会可持续发展的理念下，解决机械工业自动化装备领域的复杂工程问题；第二，拥有主动的、终生的学习习惯和能力，能够主动跟踪专业领域的技术发展，具备工程实践和创新能力，运用前沿和创新技术从事机械工业自动化装备的设计、研发和技术管理工作；第三，具备团队合作能力、沟通能力和宽阔视野，进行项目管理和决策过程中，能够积极主动地适应社会发展和环境变化，与团队成员和社会有关各方有效沟通交流；第四，具备人文社会科学素养，能够在工程实践中遵守工程职业道德和规范，熟悉国家法律法规、行业标准，能够积极主动地适应社会发展，具有社会责任感，坚持公众利益优先。

3 学情分析

第一，工程实践经历少。现阶段的学生学习了高等数学等自然科学类课程和部分专业基础课程，对专业有一定认识，但对专业课程应用领域了解不充分。除金工实习外，学生实践经历和工程经验较少。第二，习惯被动学习，主动思考不足。学生习惯于以往的学习习惯，教师讲、学生听的教学模式仍占主导。学生主动发现问题、提出问题并思考问题的动力不足。第三，职业规划尚不明确。学生对继续深造、就业、创业等未来思考和认识有限，岗位能力要求不清晰。职业规划是一项长期复杂的系统工作，其本质在于培养大学生的职业意识和职业观念，提升大学生的职业素养。高校在开展大学生就业指导时，需要结合社会主客观因素和职业需求，在了解学生个体差异、性格、能力等各方面基础上，帮助学生制订行之有效的职业发展规划，并在此基础上提升大学生职业能力。大学生职业规划贯穿于整个大学阶段，需要利用大学课堂、专题讲座、调查实习等方式开展个性化指导。

4 课程建设与改革实践

4.1 提供参考书和论文期刊等资源供学生课下阅读

教学中提出典型问题，学生课下查阅和自学，课堂上讲述、讨论资料查阅过程和学习结果，如机器人自由度计算及计算公式由来、工业机器人控制系统特点、强耦合非线性方程组求解方法等。

4.2 以案促教，学以致用

通过机器人真实应用案例，如SCARA机器人在电子工业、汽车工业中的应用，DELTA并联机器人在食品行业中的应用，说明理论学习的必要性和重要性。公开展示运动控制程序代码，加强学生对理论的认识。

4.3 通过虚拟仿真实验增强学习效果

工业机器人运动学和动力学建模、计算理论难度大，为了保证学习效果，利用国家虚拟仿真实验教学平台让学生理解课程内容，深刻感受理论在实践中的应用，充分认识复杂工程问题。

4.4 融入思政元素

A.机器人技术发展史。引入机器人技术发展史，讲解鲁班制作的木鸟和诸葛亮的木牛流马等中国元素。结合“中国制造2025”和我国大国重器等内容，培养学生爱专业、服务行业和社会的情怀。B.科学精神和工匠精神。机构位姿分析时需建立笛卡尔固定坐标系和运动坐标系，讲解笛卡尔坐标系产生过程；机构速度分析时，需要建立雅克比矩阵，讲解雅克比的人物生平；机器人传感器介绍时引入霍尔效应，介绍物理学家霍尔；机器人控制理论讲解时，引入钱学森所著《工程控制论》及人物生平讲解，弘扬科学精神。机器人实验和编程操作实训环节，引入本市制造业企业中涌现的大工匠，激励学生在工作岗位潜心钻研科学和技术。C.我国典型的机器人及智能装备。在绪论举例时，让学生通过视频了解本市中信重工研发的消防机器人；介绍我国首个火星探测器“祝融”号；介绍深海探测机器人——“海洋一号”，激发学生学习动力，树立专业自豪感。D.人工智能技术的意义。引入芯片制造难题，提醒学生关注行业痛点。通过工业机器人生产现场行业应用，让学生认识工业机器人对环境、健康和可持续发展的影响；介绍工业机器人领域高新技术和工业机器人“四大家族”，扩展学生国际视野。

5 教学方法和考核评价

第一，采用多媒体与板书相结合的课堂教学，难度大的理论建模推导过程采用板书，利用MOOC和学习通等网络教学资源，精选部分内容用于课堂教学。第二，采用项目教学法、分组讨论法等多种教学方法，让学生成为学习的主体。学生课下完成布置的任务，让学生体验如何讲解和剖析问题，进一步唤起学生对课程的思考。第三，健全课程考核评价体系。增加实验、课堂表现、课下任务完成情况、课堂任务讲解等环节的考查，并计入课程考核成绩。第四，课程采用模块化教学。传统的教学模式主要是以教科书章节编排为序，从前至后进行教学。模块化教学在充分分析培养目标和学生能力要求的基础上，打破传统授课模式，整合教学内容，提高学习效果。课程分为机器人机械结构(机器人本体)、机器人机构学(运动学和动力学)、机器人控制系统、机器人传感器四大模块，各模块之间既有联系又相对独立。机械结构模块与机械设计课程结合、机构学模块与机械原理课程结合、控制系统模块与控制工程基础课程结合、传感器模块与机械工程测试技术课程结合，这些课程的教学内容是本课程的学习基础，机构学模块和控制系统模块是机械原理和控制工程基础课程内容的提升。第五，鉴于课程特点，课程考核亦分模块进行，其中机械结构模块、控制系统模块和传感器模块作为平时作业，加强教学过程考核，要求学生通过查阅资料独立完成各模块任务，适当增加课程学习难度。期末考核采用项目大作业形式，在规定时间内要求学生课下独立完成机器人机构建模、仿真和计算等主要内容，并以科技论文形式提交报告。考核不再遵循试卷考核对教学知识点的面面俱到，课程其余内容在课下任务阶段以查阅资料、作业和课堂讲解的形式进行过程考核，课程考核目的旨在进一步提升学生解决复杂工程问题的能力。

6 持续改进

第一，进一步加强以学生为中心的教学方法运用，提升学生学习效果，实现培养目标的达成。以OBE理念为指导，完善课程教学过程。第二，充实线上教学资源，实现线上线下的混合式教学。进一步补充工业机器人相关的工程问题，稳步提升学生解决复杂工程问题的能力。第三，通过QQ群、微信群、公众号等通讯手段关注毕业生各阶段发展轨迹，利用假期进行毕业生走访，与其所在单位领导及技术负责人沟通交流，了解其工作状态，对学校建筑学专业培养计划内容提出中肯意见。这种长期闭环的教学跟踪，能够及时发现教学中的不足，持续改进课程教学过程和考核内容。

7 结语

OBE理念在国内高校教学改革中广泛应用，其指导下的课程教学是保证人才培养质量的重要方法和手段，引领工程教育的改革方向。根据工业机器人课程教学中存在的问题，分析了学生学情和课程支撑指标点，以提高学生解决复杂工程问题为目标，对课程建设、教学方法、考核方式进行了全方位改革。通过课程内容设计、教学方案构建、教学方法介绍、教学案例和教学效果评价，开展基于工程教育理念的工业机器人课程教学改革与实践。实践表明，教学改革后学生的课程专业培养能力达成度比以往有所提高，学生的学习方式更趋多样化，更加注重学习过程与学习效果，提升了人才培养质量。