新工科视域下机器人工程专业实践教学研究与实践

宋黎明

（洛阳理工学院，河南 洛阳 471000）

0 引言

为了应对新一轮科技革命和产业革命，支撑服务“创新驱动发展”“中国制造2025”等一系列国家战略，教育部积极推进新工科建设，先后形成了“复旦共识”“天大行动”和“北京指南”，并于2018 年3月、4 月分别发布了《教育部办公厅关于公布首批“新工科”研究与实践项目的通知》和《高等学校人工智能创新行动计划》的通知[1]，全力探索形成领跑工程教育的中国模式、中国经验，助力高等教育强国建设。

机器人工程专业作为“新工科”背景下提出的新兴专业，是一门涉及机械工程、自动化、电气工程、计算机科学等多学科的综合性专业[2]。目前，国内外高校对于机器人工程专业等新工科专业人才培养模式不断进行研究与探索，并取得了一定效果。麻省理工学院跨越传统学科、学院界限，建立了形式多样的研究机构；斯坦福大学更加注重以学生为中心，邀请校友作为返校实践专家，打造开放式培养模式；天津大学更加注重全球视野，与美国佐治亚理工学院在深圳共建深圳特色学院，培养具有国际工程能力的新工科人才。工程教育，归根结底是对学生实践能力、创新能力的培养，因此，在机器人工程专业实践教学环节中应该注重工程教育的实施，实践教学必将是专业建设较为重要的组成部分[3]。可以预见，实践教学将会成为机器人工程专业培养学生实践能力的重要舞台，也是创新创业教育的重要组成部分[4-6]。

1 把握产业发展趋势，明确应用型人才的规格特征

在“中国制造2025”背景下，针对机器人工程专业应用型人才的培养才刚刚开始，毕业生是否具备新工科要求的能力素质成为高校应用型人才培养面临的主要问题。为此，在研究之初，课题组与固高科技（深圳）有限公司及其附属企业、惠州三联自动化设备有限公司、洛阳德平科技股份有限公司、洛阳普拉斯自动化科技装备有限公司、安怀达智能科技有限公司等机器人生产、研发和应用的相关企业进行了深入交流，企业详细阐述了现阶段企业发展过程中所需人才的能力和素质标准。

与传统的人才能力和素质相比，机器人工程专业的应用型人才应该具备更好的实践能力、自主学习能力、创新能力和团队协作能力等。在此基础上，结合机器人工程专业的理论体系，总结出了机器人工程专业应用型人才规格特征，如图1 所示。

图1 机器人工程专业应用型人才规格特征

以上所有的特征都需要在实践教学中进行培养和锻炼。

2 明确基于项目驱动的实践教学模式

在展开实践教学之前，需要明确实践的内容和载体。通过对人才培养目标认真分析、讨论，分别从基础课、专业基础课、专业核心课和生产实习等多个方面明确了各层次实践教学需培养的素质和能力，如表1 所示。

表1 实践教学层级表

通过对企业生产经营、个人实践经历、走访行业专家以及现阶段实施的实践教学方法的调研，结果显示采用项目驱动式的教学方法更适合应用型人才培养。

项目驱动的教学模式应该要结合人才培养模式，并将基础项目实践、初级项目实践、中级项目实践和高级项目实践四个层级有机结合起来，建立一种递进式和立体化的实践教学体系。第一、二层级是基础性、初级性的项目实践，主要包括基础实践课程和专业基础课程的知识内容，构建起学生基本技能和实现学生专业感性认知的项目模块；第三层级是中级的项目实践，主要包括一门课程或者多门课程综合知识的实践，主要是以培养学生专业技能、解决问题能力为目标的完整项目实践；第四层级是高级的项目实践，注重做好创新创业方面的实践，主要包括学科竞赛、大学生创新创业实践和相关的教学科研课题，注重培养学生科学探索精神和创新意识以及创造性思维。以上四个层次的实践项目，相互补充，层层递进。为了保障这四层实践项目能够顺利进行，需要建立实践教学支撑保障体系，为实践项目提供物质支持，确保项目使用的实验器材、耗材能够满足实践需求；需要建立实践教学质量评价体系，考核教师是否确实履行实践教学中规定的各项义务，为实践教学提供质量保障。基于项目驱动的实践教学模式与传统的分散式的实践方法存在一定的差别，需要注重对实践教学内容的构建，做好实践项目的整体优化完善。要确保项目能够覆盖教学目标的所有主要知识点，并确保项目能够高效有序开展。项目主要来源有以下几个方面[7]。

（1）教学项目：是指依托实验设备，为了实现教学目标设置的相应的教学模拟项目，目的是促进学生对知识内容的理解。

（2）科研项目：是指教师承担的各级纵向项目和横向项目。

（3）生产项目：是指企业承担的生产项目。

（4）专业竞赛项目：是指相关专业类的各级竞赛项目。

（5）孵化项目：是指来源于创新创业类比赛的项目。

不同环节的实践教学可以选择相应属性的项目。例如：在“机器人传动系统设计”课程中选择了教学项目和生产项目相结合的方式，课程目标是掌握机器人传动系统，因此课程中需要学生拆装机器人，在此过程中不可避免地会遇到零部件的装配问题。实践环节时就以机器人实际装配的过程进行实践，在实践的过程中让学生学习传动系统。同时，根据机器人不同的种类，设置不同的项目，对机器人传动系统进行分类讲解，使得学生能够对机器人传动系统认识得更加清晰。在“机器人仿真”课程中，教师将生产项目进行处理，使其满足实践教学的需要。在科技竞赛的实践教学中选择竞赛项目，主要依托河南省机器人竞赛、中国机器人大赛、“挑战杯”“互联网+”等比赛。

3 依托项目，打造实践“金课”

项目驱动式实践教学模式，以教师为主导，以学生为中心，注重将实践项目贯穿在教学始终，用项目的过程吸引学生主动参与、团结协作、不断求新。在实践“金课”中，教师从教学的主体转变为组织者、指导者和监督者，帮助学生学习。项目能否驱动学生，主动学习成为影响实践教学成效的关键因素，因此，需要教师能够完美“转换”角色，扮演好实践课程的组织者、指导者和监督者。

项目驱动的实践教学需要注意以下几点：（1）目标明确。通过设置学习目标、知识分解等方法，让学生准确明了地抓住学习目标，通过连续不断完成子任务目标，引导学生逐渐从“要我学”转变为“我要学”，一步步激发学生的主观能动性，培养学生之间课堂参与度和目标完成度的“竞争”意识，提高学生发现、分析和解决问题的能力。（2）短期快效。每个子任务完成的时间不能太长，时间过长会出现学生兴趣下降，急躁不安等现象，使得实践过程不能顺利进行。由多个子任务组成一个项目，使用合适的时间完成一个子任务，这样层层递进、环环相扣，使得学生能够紧随教师的思路完成一个完整的实践项目，这样会取得较好的教学效果。（3）易于控制。项目中需要根据实际的情况设置参与人数，保证教师能够及时对实践活动进行监督指导，保证每个学生都能参与，这样可以使得学生对任务内容、目标和实施过程形成认同感和共鸣感，有利于学生集中精力参与实践。（4）理论和实践相结合。实践教学是以理论教学为基础的，对于抽象的理论知识，学生更渴望通过实践来验证理论或者更好地理解理论，这就需要教师和学生一同结合原理、分析项目、制定工艺，完成实践。

项目驱动的实践教学要取得好的教学效果，教师必须对实践环节进行合理充分的设计。具体可以从项目选择及设定、学生分组、课前准备、课中实践、课下拓展、考核评价等多个方面进行。

3.1 项目选择及设计

项目是整个实践教学的根基，直接决定实践环节的成败。首先，项目必须能够覆盖基础理论、技能要求、职业素养等教学目标，能够明确体现出“理论+ 实践”的教学思想，让学生能够切身参与进来。在确定了项目内容后，按照不同的知识内容，将其划分为多个任务。根据教学认知规律对项目进行合理划分，有利于取得更好的教学效果。合理有序的教学组织也是实践教学的关键环节，需要在项目设计中重点体现。项目设计中将内容模块化、项目任务化、组织规范化，为实现一节良好的实践课程做足准备。在“机器人仿真”课程中，选择项目时综合了学生知识储备、实验室设备现状和企业项目案例等多方面的情况。其中一个项目是包含传送带的搬运工作站，由于是进行基础知识的学习，不能选择过程太复杂的工作站，因此，选择了搬运工作站完成连续搬运作为项目目标。项目设计时从搭建搬运动作站模型入手，实现单次搬运工件的基础搬运任务。在基础搬运完成后，在项目中增加传送带装置，让机器人搬运能够连续进行，这样项目具有层次感，学生通过4 个学时的学习能够完成一个完整的包含传送带的搬运工作站仿真项目。

3.2 课前准备

课前准备以短视频、PPT 为主、教材为辅，主要用于激发学生对学习内容的兴趣。短视频内容来源于工程视频、案例（企业项目、竞赛资料）、网络评论等；PPT 展示归纳短视频知识内容；预习教材内容是让学生更清楚地明白所学习的理论知识内容。例如，“机器人仿真”课前准备分为三个方面，一是教师根据工作站实际情况，绘制、搜集用于工作站动作仿真的设备和装置的三维模型，为学生认识和建立工作站模型提供参考；二是将工作站工作过程以短视频的形式发给学生，同时布置课前任务，通过课前准备让学生能够初步认识实践内容；三是让学生结合短视频、PPT，预习教材中指定的理论知识内容。

3.3 课中实践

课中实践是实践教学的关键，教师需要明确教学目标，具体教学目标要由基础性、实用性到创新性，层层升级。教学目标是“金课”设计的指南针。实践教学过程中必须以项目设定的教学目标为导向。玛扎诺根据教学目标由易到难分为四个层次：知识提取、理解、分析和知识运用[8]。实践课程的主要挑战是既要保证学生围绕适当数量的目标进行认知加工，又要保证不会让学生产生认知负荷超载。从生物医学角度出发，营造一个与课程相适应的环境，能够刺激学生大脑不同区域的切换，让学生能够从视觉、听觉、躯体、智力及情感等多通道学习，从而使学生处于轻松、愉悦的状态，因此，在实践课堂并不是找一个教室，分组执行任务，最终完成任务即可，而应该是依托实验室营造一个与课程内容相适应的实践环境，教师通过学习内容聚焦使学生明确学习目标，精心设计如何向学生解释任务，使学生明白教师期待他们从完成学习任务的过程中学习到什么，以及完成学习任务后他们应该掌握知识到什么程度。“机器人仿真”课程中，依托工业机器人工作站实验室，结合工作站运行实际情况与案例视频展开讲解，并梳理出与其他课程交叉融合的知识点，分析实践项目实施的过程，初步对比课前预习与课中实践的不同点。分析完成后，公布项目目标和任务说明。任务公布后，组织学生进行讨论，制定各自的解决方案后，自行在计算机上仿真操作，整个过程教师必须做好监督、指导工作。

3.4 课后拓展

实践课程的课后拓展应该将教学的基础知识和综合实践能力结合。具体包含以下两个方面：（1）补充课堂内知识点更深层次的训练项目，引导学生对知识点的高层次思考；（2）锻炼学生的实践能力。针对第一点可以设置一些问题，引导学生去探究、深入挖掘。针对第二点则是需要教师从纵、横向科研以及竞赛中拆解出与课程相关的部分，让学生进行实践。“机器人仿真”课后设定了两个机器人组成的搬运工作站，通过课堂中单一机器人搬运动作仿真过程的学习，使学生独立完成课后拓展训练。

3.5 考核评价

实践“金课”要将以考试为中心转变为以学习为中心。丰富考核评价方式，例如：答辩、作品评价、多样性的过程考核等。无论哪种考评方式，都应该有一套学生认可的评价标准。教师根据教学目标制定相应的评价标准，并尽量将每次学生作业、实验结果等都纳入考评范围，让学生能够明确掌握学习目标。应用型人才培养的实践教学评价标准，需要将企业工作岗位对学生的职业素质要求纳入考核标准[9]，根据企业实际案例中的重点设置考核点，由企业工程师和教师共同制定评价方式和标准。例如，在“机器人系统集成应用操作”课程中，教师与企业工程师商讨项目内容和实施过程，并按照工程实际中能力和素质要求设置评分标准。评分标准中设置“奖惩”策略，用“分数”激发学生的学习热情和团队意识。

4 结束语

在新工科建设的背景下，实践教学成为各个专业应用型人才培养的关键一环，而项目驱动的实践教学成为一种趋势，是人才培养不可或缺的组成部分。想要取得好的效果，需要高校、企业、教师和学生的共同努力。