构建融入OBE 理念的机器人工程专业实践教学课程体系*

唐振宇 苏发

广州航海学院船舶与海洋工程学院 广州 510725

0 引言

OBE（Outcome-Based Education）理念被认为是教学改革的正确方向，最早是由美国的Spady 于1981 年率先提出。在美国、英国、马来西亚、中国香港等高校得到广泛的应用，提出了相关的学习成果标准，产出导向教育成了各个国家的主流教育教学理念[1-2]。我国大学扩招后，大学教育质量跟不上扩招的速度，高等教育内卷化现象严重。教育部于2018 年发布了《普通高等学校本科专业类教学质量国家标准》[3]和《加快建设高水平本科教育全面提高人才培养能力的意见》[4]，2019 年启动了《一流本科专业建设“双万计划”》[5]。我国发布的这一系列的政策导向，均突出了“以学生为中心、以学习成果为导向、持续不断改进完善”的OBE 理念，强调了全面振兴本科教育，培养一流人才，实现高等教育内涵式发展[6-7]。

机器人工程是典型的多学科交叉的新工科专业，代表着人工智能等先进技术应用的发展方向[8]。在我国实施“中国制造2025”的制造强国战略时代背景下，机器人行业人才缺口巨大，同时存在人才结构性过剩与短缺并存等现象，究其原因，高校产教融合不深入、课程体系中实践环节薄弱等一系列突出问题亟待解决[9-10]。

1 机器人工程专业实践教学体系存在问题

机器人工程专业作为广州航海学院新增的新工科专业，学校传统教学模式一直都非常重视实践教学，要求理论指导实践，实际教学过程中，通常是以理论教学为主，动手实践为辅，教师通常占据主导地位，学生则多是在被动地学习，即使教学部门不断地修正人才培养方案和教学计划，修订课程内容，变换教学方法形式，增加教学实践时间，经过大量的教学改革，教学实际效果并没有多大变化。

经过多次研讨和长期观察得出教学环境单一、课堂教学手段陈旧缺少变化和课程设计传统缺少新意等因素造成了学生学习主动性缺失，尤其是教学内容单调和考核标准单一等因素忽视了学生个体差异性，很难做到因材施教。特别在实践教学环节中，学生按照定式的实验操作规程得出实验结论，学生缺乏独立思考的机会和发挥创新思维的空间，整个实践过程只是为了完成学分，那么我们培养的学生与社会所需的应用型人才将脱节。所以，学校实践教学是教学过程中的薄弱环节，经过长期对实践教学实施过程的观察和反复思考后得出，实践教学存在以下问题：

1）对实践教学的实用性、拓展性认识不够。科学知识、动手能力、创新思维来源于实践，学生素质的培养更加需要实践。

2）实践教学所需软硬件条件的建设不足。学校实验室建设资金通常满足不了先进实验室的建设需求，同样很少有企业愿意与学校共建实验室。

3）实验项目设计与企业脱节。由于建设实验室时设计的实验项目不科学，与实际生产脱节，学生即使完成了实践任务，对学生的就业帮助不大，反而浪费了大量时间。

4）实践教学管理制度不科学。实践教学的管理制度不够完善，实验员管理多个实验室，不熟悉所管实验室的实验设备以及实验，教师与实验员在实践课的职责模糊，使实践教学的质量难以保证。

5）实践教学的考核与评价不合理。由于考核要求单一，在整个实践过程中没有实施形成性评价，导致学生只是在应付考核，并没有发挥其应有的主观能动性。

综上所述，实践教学实施过程中，没有以学生为主体，造成学生实践动手能力差，甚至有些核心课程的实践项目仅停留在“认知阶段”，没有达到应有的“应用掌握”程度。机器人工程专业作为新设专业，应该从一开始就注重实践教学模式的构建问题，力争建立一个实践教学新模式，把学生被动学习的现状转换成学生主动学习的模式，提高教学效果，培养真正实用的应用型工程技术人员。

2 构建实践教学课程体系

在强调工程教育专业认证的背景下，更应该注重学生工程实践能力的培养，更应该突出“以学生为中心、以学习成果为导向、持续不断改进完善”的OBE 教学理念与实践教学模式有机融合，构建基于OBE 理念的高校机器人工程专业实践教学课程体系，落实应用型本科教育实践教学改革，提升人才培养质量，为国家制造强国战略的实施培养合格的高级应用型工程技术人才。

2.1 构建实践教学课程体系具体内容

1）了解OBE 理念在国内外工程教育中的发展脉络、发展现状和问题，了解“基于工作过程”的实践教学模式在高校的实施情况，为开展研究提供指导并制定有效的研究方案。课题组充分调研机器人工程专业领域对专业知识的需求，充分调研相关企业对机器人工程专业人才的需求，邀请校内外专家共同研讨，制定符合产业需求的机器人工程专业人才培养方案、教学计划、教学大纲等教学文件。

2）课题组充分利用新建的工程机器人实验室和现代制造技术实验室等实验平台，以培养学生的综合素质、提高学生实践动手能力和创新设计能力为目标，充分融入OBE 理念，对机器人工程专业实践教学进行课程体系的重构，使实践教学成为集机械、电子、信息为一体的OBE 实践教学新体系，突出“基于工作工程导向”实践教学新模式。设计融入OBE 理念的基于工作过程的实验项目和实验评价体系，在实践教学中以学生为中心，让学生成为实践教学的主人，让学生发挥其主动性、积极性和创新性，让实践和理论有机结合在一起，提高学生实际动手能力、分析和解决问题的能力，并通过工程认证评价反馈体系确保可持续地培养合格高级应用型工程技术人才。

3）在实践教学大纲中明确融入与落实“以学生为中心、以学习成果为导向、持续不断改进完善”的OBE 教学理念，确保在实践环节中实施产出引导，形成性评价在“工作过程系统化”的应用，确保高校机器人工程专业学生实践教学的执行效果。采取抽样方式确定调查样本，研究基于OBE 理念工作过程导向教学实施前后学生情况，调研学生对知识掌握程度和对操作技能应用程度是否达到了教学目的，调研学生实践环节中学习的感受，调研学生通过模拟实际工作过程后学习态度、情感、价值观的变化，最终对产出导向学习的效果进行评价，对评价方法的有效性进行评估，从而构建机器人工程专业实践教学课程保障体系。

2.2 机器人工程实践教学课程体系

课内实验、集中实践、毕业实习及毕业设计等实践环节构成了机器人工程专业的实践教学课程体系，是整个专业教学体系的基础。按照工程认证的要求，毕业学生需要具备十二个方面的知识和能力，即工程知识、问题分析、设计/开发解决方案、研究、使用现代工具、工程与社会、环境和可持续发展、职业规范、个人和团队、沟通、项目管理和终身学习。根据这十二个方面的要求，设计构建了机器人工程专业实践教学课程体系，如图1 所示。在专业基础课程、专业主干课程和专业拓展课程中穿插课内实验，加深学生对专业课程的理解，提高动手能力，对学生产出的实验报告根据考核标准进行评价并得出其实验成绩。在集中实践环节，学校机器人工程专业主要设置了机械设计基础课程设计、3D 建模创新实践、电工电子技术综合实践、机器人建模与仿真创新实践、专业生产实习、移动机器人创新实践、机器人工程创新专题设计、工业机器人离线编程、仿真与操作训练、工业机器人工作站系统集成综合训练和毕业实习及毕业设计11 个实践课程，穿插在相关专业理论课程之后，巩固专业知识，加深感性认知，提高解决问题的综合能力。

图1 机器人工程专业实践课程体系结构流程图

以第7 学期工业机器人工作站系统集成综合训练为例来阐述在实践环节中融入OBE 理念，突出“基于工作工程导向”实践教学模式。在集中实践环节（2周）中设计了“工作过程系统化”以及“角色扮演”的实践项目，学生通过参与机械组和电气组团队，分别担任机械建模工程师岗位、工艺设计工程师岗位、离线编程工程师岗位、硬件设计工程师岗位和软件设计工程师岗位，共同完成工程机器人实验室中的XY-802A 焊接工业机器人工作站，XY-802B 搬运码垛工业机器人工作站和XY-802C 抛光打磨工业机器人工作站总体方案设计、周边设备（包括控制柜、变位机、输送机、末端执行器、砂带机、抛光机、清枪装置等）测绘与建模设计、工作站工艺设计、机器人离线编程和在线调试、PLC 硬件控制平台选型及搭建、PLC 控制程序设计、Robotstudio 工作站创建及仿真分析等工作，完成一次工业机器人工作站系统集成开发的工作过程。最后针对各组的设计结果，进行学生答辩自述，互相评价，教师评价等一系列评价活动，各个过程的评分加权叠加得出学生的最终成绩。该实践过程融入了“以学生为中心、以成果为导向”的OBE 理念，采用在实践工作过程中融合“角色扮演”模式，对学生形成成果评价并不断完善教学组织形式，最终形成了基于工作过程系统化的机器人工程专业实践教学新模式。综合训练实践表明，学生积极性较高，效果较好，各个环节场景如图2 所示。

图2 工作站系统集成综合训练实践流程图

2.3 构建毕业设计实践课程体系

毕业设计是机器人工程专业教学计划中综合性最强的实践教学环节，而且实践周期长达1 学期，是对学生前7 个学期学习成果的检验，是对学生能否应用所学知识和技能解决问题的考核。实践过程中，应特别着重引导和培养学生查找资料、发现问题、解决问题和综合成果的能力，同时应培养学生守时、有担当、负责任的职业操守，提高毕业生综合素质，为其步入社会，进入职业生涯打下基础。

在学校开展工程教育认证的背景下，在毕业设计实践环节融入OBE 理念，构建其实践课程体系就非常必要也是可行的。由于不少学生考研考公，其用于毕设的时间没有保障，所以机器人工程专业毕业设计安排在第7 学期后期进行布置任务，学期结束前完成开题报告，同时考虑在中期考核之前，安排2 到3 次的汇报沟通并根据学生的进度给出相应的考核成绩，中期报告后安排沟通汇报2 次，评价其设计的成熟度，给出相应成绩，毕业答辩后给出答辩成绩，最后根据前期实践过程所有成绩加权得出学生的毕业设计综合评分成绩。毕业设计的顺利完成，大幅提高了学生文献资料检索能力、研究方法运用能力、实验动手能力、多个软件协调应用能力、文字表达能力、创新设计思维等能力。

2.4 校企共建校外实习基地

学校学科教育要与社会衔接，必须依靠行业内企业，才能让学生受到最接近实际生产实践的教育，拓宽学生眼界和知识面。机器人工程专业与企业共同建设大量的校外实习基地，认知实习和生产实习均安排到瑞松智能科技股份有限公司、深圳大族激光智能装备集团、佛山博文机器人自动化科技有限公司、广州数控设备有限公司等公司进行实践。实习时提前布置实习任务，邀请企业专家现场讲解，组织安排专题讲座和研讨会等方式让学生能与行业专家进行交流沟通，了解前沿关键技术，学习专业技能，学生做好现场笔记，写好实习日记和实习报告，对实习的经历进行总结。在实习全程中，指导教师对实习的各个环节按照考核标准对学生的出勤、遵纪、回答问题、表达与沟通、现场动手能力、独立思考与分析和报告质量等多方面进行考核，实施形成性评价。

3 结束语

广州航海学院机器人工程专业的实践课程体系经过前期教师积极调研和不断努力建设，构建了机器人工程专业实践教学课程体系，突出了“以学生为中心、以学习成果为导向、持续不断改进完善”的OBE 教育理念，为学校正在实施的专业工程认证打下了坚实基础，同时也推动了机器人工程和其他相关专业教学模式的改革。实践表明，该课程体系以学生为中心，大幅提高学生参与实践的积极性，增强学生解决问题的动手能力，并激发学生创新思维意识。然而要全面落实和推广还需在教学实践中根据专业特色和人才培养标准不断总结经验并进一步完善，逐渐形成一套有实效的能充分体现学校航海特色的机器人工程专业实践教学课程体系，为学校建设地方应用型本科作出贡献。