面向机器人工程专业的机械类课程体系建设

邵子宴 席万强 商钰琪

摘 要：机器人工程专业是新时代背景下的新兴专业，机械类课程是机器人工程专业建设中重要的一环。本文以无锡学院机器人工程专业为例，首先介绍了机器人工程专业的整体课程体系建设，然后对机械类课程体系包括理论类、软件类和实验实践类课程建设进行了阐述，并通过课程思政、工程认证、产教融合和工程认证等教学改革建设对课程体系建设进行了深化和探索。通过机械类课程体系建设，有效地提高了机器人工程专业学生的能力素养。

关键词：机器人工程；机械；课程建设；教学改革

从2015年开始，为了解决制约我国制造业发展问题，国家发布了一系列的规划及措施，如“中国制造2025”规划、工业4.0、《关于积极推进“互联网+”行动的指导意见》等，其中机器人领域是重要的发展核心。随后，机器人工程专业开始陆续在各高校设立。虽然机器人工程专业设置较晚，但是机器人作为研究主体已经有了数十年的发展历程，从第一台机器人问世，到如今机器人已在各行各业发挥着重要的作用［12］。

机器人工程专业是一个多学科多领域交叉的综合性学科专业，围绕机器人的相关技术展开研究，如机器人的机械结构、智能感知、优化控制和人机交互等科学问题，具有极强的应用性，且知识融合度高。就机器人本身而言，机器人的机械结构是机器人系统应用的物理基础，机器人的感知、控制、交互等功能都是建立在机器人的机械结构基础上的，只有熟悉了机器人的机械结构，才能够更好地实现对机器人系统的应用，因此对机器人机械结构的学习和研究是机器人工程专业的重要任务，而对机器人的机械结构的认知则是通过对机械类相关课程的学习获得的。

1 机器人工程专业课程体系

鉴于机器人工程专业是新开设专业，各高校结合自身定位及专业特色，对机器人工程的专业发展有不同的侧重点，面向涉及机器人工程专业的机械、传感和控制等不同方向，其课程设置各不相同［3］。本文仅以无锡学院机器人工程专业为例。

机器人工程专业的课程体系主要包括通识通修类课程、学科核心类课程、专业选修类课程、综合实践类课程和创新创业教育课程。通识通修类课程主要包括思政、数学、物理、英语、计算机、职业生涯规划和心理健康等通修课程，以及人文社科和科技艺术等任选模块类通识课程，通过通修课程培养学生的基本能力及学科素养，通过通识课程的学习开拓学生的视野，培养学生批判和思辨的精神。学科核心类课程由专业基础类课程和专业主干类课程组成，专业基础类课程主要教授学生机器人工程专业相关的基础知识，包括“机器人机械基础”“数字电子技术基础”“模拟电子技术基础”“自动控制原理”等课程，主要培养学生掌握机器人工程领域内的基础理论、知识和技能，专业主干类课程包括“机器人技术基础”“现代控制理论”“传感器与检测技术”和“电机驱动与运动控制”等课程，旨在培养学生的专业能力，能够满足开发、使用及维护机器人系统的需求。专业选修课包括“PLC及应用实践”“Python程序设计”“数据通信与网络”等课程，旨在扩大学生知识面，拓宽专业口径，进一步提升学生的专业能力。综合实践类课程培养学生的专业实践能力，主要包括“工业机器人专题实验”“机器人虚拟仿真实验”“控制系统综合课程设计”“单片机原理及应用综合实验”“智能机器人专题实验”等课程，加深对所学专业知识的认知，通过实验、课程报告、答辩等手段切实提高学生动手与思考的能力。创新创业教育类课程主要包括“现代工程项目管理”“科技论文写作与专利申请”“创新创业训练”等课程，主要通过学科竞赛、专利申请和论文写作等培养学生的创新能力，进一步提升学生的能力素养。

2 机械类课程建设

机器人工程专业的机械类课程着力于培养学生的硬件方面的素养能力，通过机械类课程的学习，使学生初步具有独立设计机器人结构的能力，并且能对现有机器人机械结构进行分析和计算，并能使用计算机工具完成机器人的模拟仿真。以无锡学院机器人工程专业为例，机械类课程主要可以分为三类：理论类课程、软件类课程和实验实践类课程。理论类课程主要学习相关理论知识，软件类课程着力于计算机建模及仿真，实验实践类课程融合了理论类课程和软件类课程，培养学生的动手实践能力。

2.1 理论类课程

理论类课程主要包括“工程制图”“机器人机械基础”和“机器人技术基础”。“工程制图”课程主要培养学生识图和制图的能力，通过课程的学习，学生能够熟练使用各种绘图工具，掌握绘图技巧，独立完成工件的测量和绘制工作。“机器人机械基础”是融合了“理论力学”“材料力学”“机械原理”和“机械设计”等多门课程于一体的一门基础理论课程，以满足非机械专业对机械相关基础知识的学习需求。通过课程的学习，使学生能够具有设计一般机械结构并分析其工作性能的能力。通过“机器人技术基础”的机械相关内容课程的学习，学生熟悉了机器人的基本结构组成，能够掌握机器人运动学、动力学的建模和分析方法。

2.2 软件类课程

软件类课程主要包括“工程软件训练”“机器人虚拟仿真”和“工业机器人专题实验”。“工程软件训练”课程主要学习计算机三维建模方法，通过对Solidworks软件的学习，掌握绘制零件和装配体的方法。“机器人虚拟仿真”课程主要学习ADAMS软件的使用，使学生能够使用ADAMS软件实现复杂系统的建模和仿真分析，以视频或者数据曲线的方式获得更为直观的机械系统的性能分析结果。“工业机器人专题实验”分为两部分，软件学习部分和实践操作部分，主要学习FANUC机器人的仿真软件Robotguide，通过软件部分课程的学习，学生能够在软件环境中加深对机器人本体机构的认知，并实现FANUC機器人的运动仿真。

2.3 实验实践类课程

实验实践类课程主要包括“金工实习”“工业机器人专题实验”“创新创业训练”等。通过“金工实习”课程的实践操作，培养学生熟悉各种机械设备及工作的操作使用方法，通过“磨锤子”的实践增强学生对整个零件成型的过程的认知。“工业机器人专题实验”的实践部分主要学习机器人的基本操作，通过对机器人的拆解进一步熟悉工业机器人的内部机械结构组成及配合关系，并能够熟练使用机器人完成相应的运动控制操作。“创新创业训练”课程贯穿于本科生整个学习阶段，主要通过参加学科竞赛等形式培养学生的独立思考和动手的能力。

3 机械类课程教学改革建设

为了充分挖掘机器人工程专业的就业潜力，提升学生的竞争实力，机器人工程专业在基础的课内理论实践教学的基础上对课程内容进行探索改革［47］，结合课程思政、工程认证、产教融合和学科竞赛，对机械类课程的内容做了进一步的拓展。

3.1 课程思政

立德树人是现代高等教育的根本任务，因此在课程体系建设中要牢牢抓住“培养什么样的人、怎么培养人”等问题，尤其是进入新时代，党和国家对高等教育提出了更高的要求。在专业建设过程中，除了需要定期开展爱国主义教育活动之外，还需要将立德树人的宗旨融入每一门课里，深入教学的每一个环节。在机械类课程的建设的过程中，充分挖掘相关育人素材，首先通过历史上的经典案例，如古代殷商时期的司母戊鼎、东汉时期的地动仪、三国时期的木牛流马、古建筑中常用的榫卯结构等，充分激发学生们的民族自豪感和文化自信；然后通过现代的工业发展，如观看大国重器等视频，增加学生们对现代工业发展的了解，进一步培养他们的爱国之情；再结合现代高端制造业的发展，如C919大飞机、载人空间站“天宫”等，激发学生报效祖国的决心和动力；最后结合古今发展中遇到的挫折，引导学生树立自立自强的精神，为追逐梦想而努力奋斗。将思政元素巧妙地融入课程教学中，潜移默化地调动学生学习的积极性，激发学习热情，培养学生养成独立思考、开拓探索的能力，树立积极向上的人生观和价值观。

3.2 工程认证

工程认证强调的是基于产出的教育理念，结合我校机器人工程的专业特点和自动化学院的平台背景，对机器人工程专业的培养目标进行拆解分析，机械类课程的培养目标定位为能够利用数学、自然课程、工程基础和专业知识用于解决机器人工程领域的机械系统设计等方向的复杂工程问题，能够根据特定需求，兼顾外部社会、文化及环境等因素的影响，创新性地完成机械系统设计，并能够开发、选择和使用恰当的技术、资源与工具，实现对复杂工程问题的预测与模拟，设计实验、分析和解释数据，并评价专业工程实践和复杂工程问题解决方案对社会等外界元素的影响。

在机械类课程建设中，结合工程认证的要求，将课程培养目标和毕业要求指标点结合，细分到每门课程的每个知识点上，构建课程的支撑矩阵，然后设置相应的课堂或实验教学环节围绕知识点展开教学活动，并针对不同的培养目标设置不同的考核评价方法，最后结合过程及终末考评结果经过量化计算获得课程的整体质量评价结果，汇总后提出相应的改进意见。通过工程认证的量化指标体系教师能够更好地掌握学生的学习进度及效果，能及时地发现问题并做出相应的调整，也能在不断的改进中达到提升教学质量的效果。

3.3 产教融合

机器人工程专业依托自学院的产教融合平台，通过校企合作，融合校企间优势，实现专业与产业、行业的合作。同时，以市场为导向，以专业共建为基础，实现实用技术共研，使得学校、行业与企业构成相互支撑的共同体。积极引导企业深度参与本科教育规划，共同制定符合人才需求的课程体系，积极支持教师与企业共建课程、开发教材。现与新松机器人等多家行业领域内领军企业签订了长期合作协议，并引进企业高级人才作为产业导师，指导学生的实习实践。

校内建有工业机器人实验室，通过机器人本体机械结构的认知及装拆培训，提高学生的动手实践能力，开放的底层系统软件也能支持学生展开创新和研究活动。通过FANUC机器人工作站，学生能够完成轨迹模拟、码垛、搬运、装配等实验项目，进一步提升学生的专业实践能力。此外，机器人工程专业还不定期组织学生去企业参观学习，鼓励学生利用寒暑假时间参与社会实践活动，或者进入企业开展实习。通过产教融合课程建设，将企业项目案例融入教学过程中，使得学生在掌握专业知识的同时锻炼动手实践能力，并及时了解行业发展现状，进而提高学生的职业竞争能力。

3.4 学科竞赛

在培养方案的制订过程中突出创新精神和能力的培养要求，建立以课程实验为基础，以创新创业竞赛为导向的人才培养模式，以项目为驱动，以学科竞赛为依托，把创新意识融入整个培养过程中。通过学科竞赛，学生不仅能够将课堂内所学知识融会贯通，還能够进一步拓展知识面，同时还锻炼了学生的项目管理能力。学院积极组织学生参加国家和省级组织举办的各种机器人相关的学科竞赛，通过学分置换和评优评奖评先等多种手段充分调动学生的参与积极性。通过比赛，学生的动手实践能力得到了有力的提升。学院还组织专门的教师参与并指导学科竞赛，为学生参加竞赛答疑解惑和保驾护航，此外，还通过指导学生撰写专利和发表学术论文以提高学生在就业和升学市场的竞争力。以江苏省机器人大赛创新创意分赛为例，学生需要自行设计机器人结构，首先需要利用Solidworks软件完成建模，并综合考虑装配及负载等问题；然后将部分自行设计的零部件进行加工，加工完成后需要动手完成机器人的组装，过程中需要进一步对零部件进行打磨修配；同时要搭建机器人控制系统，并将机械系统和控制系统集成，并对机器人进行调试；最后再根据调试过程中出现的问题对机器人进一步调整优化。通过整个过程，学生能够将所学的机械类知识系统整合，充分应用到机器人的设计、加工、装配和优化的每一步中，极大地提升了学生的学习兴趣且展现出良好的应用效果。

结语

机器人工程专业是新时代新工科背景下的新兴专业，是社会工业化发展的产物，随着社会需求的拓展和专业的成长发展，机器人工程专业必将迎来高速的发展。针对机器人工程专业的特点，对机器人工程专业的机械类课程建设进行了探索。将机械类课程分为理论类课程、软件类课程和实验实践类课程，分别阐述了三部分课程的主要内容，然后对包括课程思政、工程认证、产教融合和学科竞赛的课程改革建设进行了介绍。通过机械类课程的建设，机器人工程专业学生在机械领域内的能力素养得到了极大的提升，为成长为满足国家和社会需要的高素质复合型人才打下了坚实的基础。

参考文献：

［1］丁力，叶霞，黄明，等.应用型本科院校机器人工程专业人才培养模式探索［J］.科技风，2021（31）：1618.

［2］刘喜梅，邢关生，于飞，等.新工科背景下机器人工程专业人才培养模式研究与探讨［J］.中国现代教育装备，2022（13）：8890.

［3］殷悦，杨斌，王临茹，等.面向机器人工程专业的机器视觉课程建设［J］.科技视界，2021（22）：7677.

［4］彭明仔.专业群背景下“工业机器人应用技术”课程的教学改革探析［J］.科技与创新，2022（14）：130132.

［5］孙倩，王建平，姚广芹，等.基于产教融合的机器人工程专业人才培养模式研究及应用［J］.工业和信息化教育，2022（06）：2832.

［6］孙明晓，栾添添，尤波，等.新工科背景下机器人工程专业创新实践体系分析与思考［J］.高教学刊，2022，8（18）：3336+40.

［7］张俊逸，王硕.新工科背景下机器人工程专业产教融合模式探索与实践［J］.高教学刊，2021，7（33）：1518.

基金项目：2021年江苏省高等教育教改研究立项课题（编号：2021JSJG064）；江苏省教育科学“十四五”规划2021年度课题（编号：D/2021/03/149）；2021年度第二批教育部产学合同协同育人项目（编号：202102474008）

作者简介：邵子宴（1990— ），男，山东枣庄人，博士，无锡学院自动化学院讲师，主要从事机器人技术和外骨骼机器人系统研究；席万强（1989— ），男，江苏兴化人，博士，无锡学院自动化学院讲师，主要从事机器人技术和多机器人协调控制研究；商钰琪（1996— ），女，山东临沂人，硕士，无锡学院自动化学院助理研究员，主要从事教学管理。