新工科背景下機器人本體設計課程建設與教學探索

楊明星　朱慶　時禮平

摘 要：機器人本體的結構和系統設計是機器人研究的重要內容，在機器人工程相關專業人才培養中起著基礎性和廣泛性的作用。本文以教育部新工科發展為背景，圍繞機器人工程專業建設和人才培養目標，以機器人本體設計課程為例，通過對高校課程體系現狀以及企業人才需求的研究，分析出課程體系在課程目標、課程內容、課程結構、課程實施和課程評價上存在的問題及相應的原因。并結合新工科的建設理念有針對性地提出高校課程體系優化的策略，探索機器人本體設計的課程建設與教學內容。

關鍵詞：機器人工程；新工科；機器人本體設計；課程建設

習近平在十九屆全國人大上首次提出“新時代”，標志著中國全面進入新時期?！督逃扛叩冉逃娟P于開展新工科研究與實踐的通知》中提出：“新工科研究和實踐圍繞工程教育改革的新理念、新結構、新模式、新質量、新體系開展?！边@些都是新工課建設的重要內容，也是新工科建設的重要內容?！皺C器人工程作為我國以培養機器人產業、智能制造等領域創新創業型人才為目標的新工科專業，具有很強的新穎性、綜合性和實踐性，其建設成效將直接影響未來國家經濟的發展和中國在全球經濟中的主導地位。[1]”本文通過分析新工科背景下機器人工程專業建設的特點，梳理現階段我校機器人工程專業的人才培養模式下機器人本體設計課程的性質與教學目標，提出機器人本體設計課程的教學內容設計和教學探索，以此期望學生熟練掌握機器人整機、核心零部件以及機器人系統設計等方面的知識，提高和促進學生在機器人工程領域內的樣機設計開發和創新能力。

一、新工科背景下機器人工程專業建設的特點

為了適應新經濟的發展，要在激烈的國際競爭中取得競爭優勢，我們必須嚴格落實立德樹人的要求。新的工程學科建設是教育系統深入學習和實踐習近平新時代中國特色社會主義思想、做好高等教育工作的“奮進之筆”。同時，也是促進工科的交叉復合、工科與其他學科的交叉融合人才培養質量，實現公平公正，完善人才培養制度的重要舉措?！皬偷┕沧R”中指出，各大工科高校都要加強自己的專業結構，不斷深化，推進工科與其他學科的交叉融合，努力打造新的工科，促進工科的發展，充實工科的內涵和重點[2]。由此可以很明顯地看到，在新的工程教育發展的大背景下，多個相同、不同學科的課程建設最為突出。但是，跨學科的主要目標并不在于建立一個新的學科，而在于拓展學生的知識范圍，培養出綜合能力強的人才。在課程體系的構建上，高校要抓住新工程的機遇，對傳統的工程專業進行改革與升級，綜合考慮各個專業的知識內容和比重，制定出一套實用性、多專業相結合的靈活人才培養方案。

安徽工業大學新開設的機器人工程專業，緊密圍繞國家和區域智能裝備制造業、戰略性新興產業，以“機器人技術與冶金智能裝備”為特色，培養服務于機械、交通、電力、冶金、化工、建材等行業的具有一定國際視野和創新精神的應用型專業技術骨干人才。學校應該基于建設新工科大環境，努力建設機器人工程專業課程體系。在課程設置方面，應該打破傳統的培養模式，采取分層教學模式，根據不同學生的學習水平以及綜合素養設計相對應的教學方法，實現差異化、分層教學，按照基礎、專業、提升等多個階段實現有效的教學[5]。

二、調查方法

針對課程體系的內容調研，從文獻材料的可操作性出發，選擇了我校工程類專業的教學大綱，從課程目標、課程設置、課程結構、課程實施、課程評價五個層面進行文本收集和分析。

（一）人才需求調查方式與實施

在此基礎上，筆者從兩個方面進行了研究：首先，通過對行業協會官網的調研，了解機器人產業的發展趨勢。第二，采用訪談的方式，采用電話采訪的方式，對5個高校的對口單位進行了調研。

（二）課程體系現狀調查方式與實施

本研究以教學過程、學生學習狀況、興趣需求、對課程的意見等為研究對象，對本專業的機器人專業畢業生進行了問卷調查。采用問卷調查法，通過分享鏈接、掃描二維碼等方法進行問卷調查，共計235份問卷被回收。對于機器人專業老師，就課程設置、課程實施情況、課程效果、效果如何等問題，作者采用電話采訪的形式，與專業老師進行一對一的訪談。

三、機器人本體設計課程的教學問題原因分析

機器人作為柔性生產不可或缺的設備，其本體結構及相關零部件的設計工作不僅需要多個學科理論基礎，還需要豐富的工程知識和實踐經驗，蘊藏著巨大優化和潛力[3]。教師需要根據機器人工程專業的系統性課程，本著“理論-設計-應用”的理念進行課程內容的設計和教學，明確機械設計、機械原理、工程材料等各交叉課程之間的銜接關系，合理地安排機器人本體設計課程開設的教學內容，同時增設輔助教學實踐課程，便于學生們做好知識遷移。通過調查我們發現主要存在以下問題。

（一）課程目標定位不準確，學習較為單一

通過對老師和學生的問卷調查，發現很多教師的發展對象依然局限在由教學專家和專業課程專家構成的教育行政部門。但因其視角的限制、對行業企業的認識、對工作流程的掌握、課程目標導向的傾向往往會偏向于專業知識而脫離實際工作，不能適應企業的需要[4]；同時，由于高校自身的特點和職業教育的特殊性，使得課程目標定位不夠精確，難以適應學生的發展需要。此外，由于企業和行業的參與程度不高，對課程目標的確定也有很大的影響。另外，由于學生覺得課程很難達到要求，說明課程開發并沒有把學生的主體性放在第一位，沒有把學生的發展作為一個整體，把學生當成一個被動的學習對象，從而把學生的主體性邊緣化，把學生的發展和課程的發展聯系起來。

（二）知識體系缺乏實用性，與工作內容有差異

目前的教學內容與企業的工作實踐有一定的距離，教學內容的組織是以知識邏輯為基礎，而非以工作邏輯為基礎，將原來屬于一系列工作流程的知識分成若干個知識點，并將其分為若干學科類別。這種做法使學生能力在實踐中難以提高，有些課程還分為理論與實務兩大類，這就使理論與實踐相分離，使學生無法更好地了解和靈活地使用知識[5]。同時，由于課程內容的分割，導致了學生對問題的思考單一，很難形成全面、整體的思考能力，很難在實踐中解決問題。如果缺乏相應的綜合能力，很容易造成教學內容的重復，造成教學內容的混亂，導致教學內容不能全面、系統地進行，從而影響教學效果。這些課程不但沒有實際意義，反而增加了學生的學習負擔。另外，脫離實踐的內容因其自身的特點而變得僵化、固化，難以與技術、知識的動態變化相適應，導致教學內容過時，學生所學的知識難以與產業發展同步，導致人才培養的成效下降。

（三）課程結構不合理

目前的課程結構不夠合理，而機器人本體設計是近年來興起的一門課程，其根本原因在于它的價值定位不夠全面，沒有考慮到學生的全面發展。目前我國大學主要側重于專業能力的培養，通識教育中忽略了培養學生的持續發展能力，將通識教育與職業教育人為地分割開來。專業教學的方向也比較單一，它只注重專業知識和技能，忽視了專業之間的關系。專業劃分過于細化，高層次人才的培養不能滿足企業的復雜需求，不能適應未來的發展。對理論與實踐同樣存在著片面的認識，僅僅按照教學的組織形式和表現形式人為地劃分了理論與實際的關系，忽略了理論與實踐的內在關系[6]：理論課程是對前人的實踐經驗的總結，包含了實踐的內容，同時也包括了理論上的部分，以指導實際的實施。此外，在教學過程中，我們只注重學生的全面發展，缺乏多元化的人才觀念，忽視了學生個性的培養。高等職業教育應實現可持續發展，特別是注重人的個性發展，這是由高校的特點決定的。在同一課程、同一教學模式下，不同的學生難以實現個體發展。職業教育的類型特征不能在高等職業教育中發揮應有的作用。

（四）校企合作模式單一，課程實施面臨困境

目前，由于學校內部和外部資源的質量問題，總體而言校外校企合作尚未深化，校企之間的思想觀念尚未轉變。在與企業的交流與聯絡上，缺乏對企業需求的調研，難以將企業的需求反映到課程中，針對企業提供資源和條件對實際教學工作進行開展，探索課程實施模式。目前，校企合作采取的合作模式較為單一，并不深入，企業僅僅是參與了部分課程的實施，而不是整個過程。所以，即使把教學場所設在公司，也不利于學生的實際操作。

（五）課程評價單一，無法綜合發展

課程評估要立足于學生的發展，對其進行全面、科學、系統的評估。目前的課程注重學生的書面測試結果，而忽略了實際操作能力的提高；忽視了對學生的學習態度、行為、學習的發展；由于評估缺乏從學生的全面發展出發，難以對其進行全面的評估，導致評估內容不完整，與課程目標相脫離，影響了學生的綜合素質；評估也不能從學生的工作實際出發，以企業的工作需要來衡量，導致評估標準與專業標準的脫節，造成了學校的教學與工作的不協調，從而影響了評估的科學性和有效性[7]。

四、課程教學實踐實施改革

（一）課程目標多元化，與實際結合教學

隨著產業的需要，新經濟、新技術的發展，對行業企業的要求越來越高，對技術、技能復合型人才的需求也在不斷地變化。只有準確地把握社會需要，才能在課程體系的各個層面上進行相應的改革和實施，使之符合在目前即將來的工作環境中，學生的發展需要具備的能力。目前，工業企業對職位的需求不再局限于專業知識的能力，而是跨學科、跨專業的知識能力的培養[8]。因此，課程目標也要延伸到與產業鏈有關的工作與工作群體，涵蓋了工作鏈條和專業群體的多個層面，以培養高素質的技術人員為使命，以適應產業發展的動態。

（二）以學生全面發展為要求，培養高素質人才

課程教學是一種具有職業性質的教育，大學的課程目標既要著眼于就業，又要兼顧學生的綜合素質和可持續發展的需要。教育課程既要注重培養學生的專業素質，又要注重培養學生的個性和綜合素質。隨著時代的發展，現有的工作崗位對人的綜合素質提出了更高的要求，光有專門的知識是很難在社會中站穩腳跟的，要有全面的素質和能力，才能適應時代的變化。為此，課程目標應進一步完善有關的綜合素質要求，由單一的專業能力轉向多元化的個性培養，并緊密結合學生的全面發展需求。綜合素質的提高要求各學科之間的相互協作，每個學科都肩負著完成素質教育的使命，并在各個學科中實現全面發展。

（三）以區域優勢為依托，人才培養為區域

為經濟發展做出自己的貢獻是高校的天職，許多大學之所以出現這種同質化現象，主要是因為其課程目標服務功能不強，缺乏服務導向。高校的課程目標應與區域經濟發展緊密結合，從而為區域經濟發展提供人才，為地區優勢特色產業提供技術和智力的支撐與保障。為此，高等職業教育課程目標應根據地區經濟發展的特征，立足于區域優勢資源，根據大學的專業發展方向，根據本地區的專業發展需要，通過不斷地調整和優化，使其具有針對性、有效性，為地區經濟發展做出貢獻。從另一個角度來說，只有把課程目標與區域發展相結合，才能真正體現出不同于一般學校和同類學校的特點，從而走出一條獨特的發展之路。高校的課程目標與地域的優勢相結合，不僅能夠滿足人才的需要，而且能夠促進地區的工業經濟發展，而且能夠提高學生的適應能力，進而促進高質量的就業。

五、基于實際工作要求更新重整課程內容

（一）根據行業發展動態更新課程內容

在教學內容上，應與行業發展趨勢保持一致，與新技術、新知識的發展保持一致，使學校的教學內容與行業的發展保持一致，而且隨著市場的發展，行業的多元化，所涵蓋的領域也應該越來越廣。盲目地擴大教學內容，不僅使教學時間延長，而且使學生的學習負擔加重。所以要把新的知識和技術內容納入新的教學內容中，從內容的添加、整合到融合。采用交叉結合的方法，可以在不增加課時的情況下，充分發揮其教學特點。在學科專業基礎課的教學中，主要是通過整合已有的理論知識，結合本專業的最新發展趨勢，更新技術知識，鞏固基礎，更新內容，使學生能夠更好地掌握已有的知識，為以后的學習打下堅實的基礎。例如為了能夠讓學生積極地參加到課堂互動當中，激發學生的自主學習能力，應該引入“翻轉課堂”等教學方式，發揮學生的學習主觀能動性，在課前學習相關知識，教師在課堂上引導、推動學生學到的知識實現內化[9]。此外，借助“學習通”等網絡平臺，教師可以輕松共享各種教學資源（如參考電子版教材、動畫演示案例、PPT課件、工程場景實錄等），以便學生可在網絡終端上及時進行課前預習和課后鞏固。

（二）對接職業標準重組課程內容

高校因其直接面向就業的特點，非常注重培養學生的專業技術能力。所以，在教學內容上，應以專業技能為核心，與實際工作相結合。為了使教育和工作的有效結合，應使教學內容與專業規范緊密結合，使專業標準所規定的內容與課程內容融合，而不能單純地按照專業的邏輯來列出。要依據專業標準的考試內容，把原來的教學內容按工作的邏輯和難度進行重組，形成相應的專業課程。不同的職業標準，代表著不同的知識和技巧，雖然課程的內容與專業標準相匹配，但實際上卻是將課程的難度提升到了一個更高的層次，讓課程之間的聯系更加緊密，更加合理。另外，課程內容與專業規范的銜接，使學生在完成學業后可以取得相應的專業資格證書。通過對不同級別的專業標準內容的學習，可以使人才培養的層次更高，同時也可以學習到多種職業規范的內容，從而達到人才培養的復合性[10]。例如主要針對冷沖壓用機器人、熱沖壓用機器人、數控機床用機器人、裝配用機器人以及模塊化工業機器人等典型工業機器人結構設計問題進行闡述，包括各類典型機器人的特征要求、方案制定與設計流程、機器人的運動原理及結構設計等內容。讓學生們深刻認識和體會到機器人本體設計在中國制造業的地位，機器人技術在智能制造中的作用。該部分是工業機器人操作整機設計的重要組成部分，是機器人由概念設計到零部件、詳細設計的重要依據。使得學生在對具體機器人本體實例中積累專業知識，具備專業的技能，提升解決具體問題的水平。

另外，課程內容與專業標準相銜接，實際上也是課程內容的“工程”。專業標準是建立在工作流程和工作項目基礎上的，因此，課程的內容自然而然地分成了不同的模塊，這些模塊來自企業的實際問題，每一個模塊都是一個獨立的學習單元，在這個單元中，理論、實踐、考試都可以被合并到一個模塊中，將邏輯上的知識與知識結合起來，形成一門綜合性的課程。這樣，才能更好地促進理論與實踐的結合，更有利于從學校向工作崗位的轉變。

（三）整合邏輯相關內容形成綜合課程

在教學內容雜亂無章的情況下，可以根據教學內容的具體情況，將相關的課程知識進行整合，從而形成一門綜合性的課程。課程整合包括兩個層面：一是針對內容密切、邏輯性強的學科，可以根據工作項目的具體情況，將其結合起來，形成較大的綜合性課程，使教學內容更加系統、更加實用，從而理順學生的學習邏輯與思維。從機器人本體設計課堂教學方面可以從保證機器人產品設計的規范性、協調性考慮，把學生帶入機器人總體設計方案制定與設計流程、工業機器人的基本參數以及工業機器人的配置等內容學習[11]。使得學生能夠從機器人設計的系統性出發，了解機器人設計的復雜性及位置的多面性，明確學習和科學研究過程中進行相互交流、學習的重要性，為工業機器人的設計與應用提供基礎。二是突破學科壁壘，跨學科的方法進行教學內容的整合。通過將學科基礎課和本專業的教學相結合，使枯燥的教學內容具有“生機”，使其成為一門更為實際的課程。這樣一門更加具有專業性的綜合性課程，既可以讓學生真正認識到學科基礎課的作用，又可以從根本上運用所學到的知識、觀點來輔助專業的學習，既可以增強基礎課程的實用性，又可以增強學生對工具的運用和問題的運用。這就要求突破學科的界限，各學科的老師都要主動參與，綜合性的課程可以采取多個學院的合作模式，分階段的授課，然后是綜合的實訓。針對不同課程間不可回避的部分，可以采取不同的方法，使各學科的側重點有所區別[12]。而對于難整合的學科，則可以將其置于同一單元，使其在學習過程中進行選擇，從而實現知識的集成和交叉。通過一體化教學，可以使教學內容由散亂到有序。

六、構建寬基礎、復合化、優化融合的課程結構

（一）構建模塊化課程從寬基礎、復合化出發

構建寬基礎、復合模塊化的課程體系，將課程劃分為一般課程模塊、專業基礎課程組模塊和專業課程模塊。通識課程和學科專業基礎課模塊的設計目標是為學生提供廣泛的基礎知識平臺，使其涵蓋的范圍更廣泛，涵蓋了在職業和教育的要求下，學生的各種思維、知識和能力的基本方法和原則。我們依托安徽工業大學的機器人工程新專業建設平臺，實驗室購置了多套六自由度工業機器人拆裝平臺、焊接機器人及其相關核心零部件，供學生參觀認知學習和實踐操作[13]。為了培養和提高學生的學習興趣，上述采購設備包括實物平臺和虛擬仿真系統兩部分，引導學生使用Solidworks、Adams等工具軟件對機器人本體結構進行三維造型設計、運動學及動力學仿真分析，積極參與機器人本體結構的設計與創新工作。堅持理論與實踐相結合，遵循認知、設計和實踐創新的原則，實物+虛擬仿真相互對應，便于教學和實驗實訓的同時增加了學習的目的性。

（二）課程的優化和融合應綜合不同類型

不同類型課程進行優化融合為了能夠讓學生積極地參加到課堂互動當中，激發學生的自主學習能力，我們引入“翻轉課堂”這種教學方式，發揮學生的學習主觀能動性，在課前學習相關知識，教師在課堂上引導、推動學生學到的知識實現內化。 此外，借助“學習通”等網絡平臺，教師可以輕松共享各種教學資源（如參考電子版教材、動畫演示案例、PPT課件、工程場景實錄等），以便學生可在網絡終端上及時進行課前預習和課后鞏固。在選修課上，我們不能一味地擴大選修課的數量，而要按照新時代的需要，結合學生的能力和素質的培養，充分考慮到學生的職業發展、終身發展和個體發展。

（三）結合企業需求優化課程實施方式與條件

在日常課程教學中我們要轉變“教師示范、學生重復”的教學模式，更多地采用基于工作的項目教學或案例教學，將實踐訓練與實際工作相結合，使學生能夠從實際工作中理解和掌握問題，從而取得更好的學習效果。此外，還可以組成學習團隊，團隊成員可以共同承擔教師的任務，這不僅可以讓學生體驗公司的工作，而且通過自己的學習形成良好的學習氛圍。當然，這一轉變也意味著教師應該改變教學觀念、角色和對學生主體的尊重，從傳授者到引導者，從傳授知識到逐步傳授，讓學生能夠以啟發和引導的形式積極探索和解決問題，激發學生的學習興趣和好奇心，在此過程中培養學生的自主性，顯著提高學生的學習能力。

（四）評價內容全面化、多樣化、多元化

新工科思想下的課程評估內容要與學生的綜合發展目標相適應。因此，在評估的內容上應兼顧專業性質、專業能力和教育性的綜合素質是衡量指標體系的重要組成部分。在評估專業技能時，應考慮到與企業的實際工作相結合的問題，即無論是在學校開設的實訓實務課程，還是在校外的實習，評估的內容必須與企業的實際工作相結合，避免學校的學習和企業的工作脫離。評估的內容應包括學生的整個學習過程，不僅要評估學生的技能培訓成果，還應包括在完成某一特定的項目時所體現的職業素養、工作流程的規范性、最終工作的完成和工作的績效[14]。具體來說，我們不僅注重過程-結果，還要從其他綜合能力、綜合素質等方面入手進行評價，也可以針對企業項目評估內容，將學生分組進行評估，評估的內容包括項目完成情況、成績和個人業績，涵蓋知識、能力和素質，評估內容涵蓋了專業知識和能力。同時，也應與實際工作緊密結合，既能體現團隊合作和相互競爭，又能凸顯個人特點，同時也體現評價內容全面化、多樣化、多元化。

七、結語

本文以教育部新工程開發為背景，探討了機器人本體設計的課程建設和教學內容。在本文的研究和討論中，筆者分析了新工程背景下機器人工程專業建設的特點，并根據現階段機器人工程專業的發展要求和教育目標，為促進我國機器人專業人才培養目標的實現提供了一些有效的建議。

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基金項目：教育部產學協同育人項目（202102449059）；安徽省高等學校省級質量工程項目（2020szsfkc0159）；安徽省教育廳教學研究項目（2020jyxm0241）；安徽工業大學教育教學質量工程項目（XJ2022202）

作者簡介：楊明星（1986- ），男，山東菏澤人，安徽工業大學講師，博士，碩士生導師，研究方向為智能裝備系統集成與控制。