新工科視域下機器人工程專業實踐教學研究與實踐

宋黎明

（洛陽理工學院，河南 洛陽 471000）

0 引言

為了應對新一輪科技革命和產業革命，支撐服務“創新驅動發展”“中國制造2025”等一系列國家戰略，教育部積極推進新工科建設，先后形成了“復旦共識”“天大行動”和“北京指南”，并于2018 年3月、4 月分別發布了《教育部辦公廳關于公布首批“新工科”研究與實踐項目的通知》和《高等學校人工智能創新行動計劃》的通知[1]，全力探索形成領跑工程教育的中國模式、中國經驗，助力高等教育強國建設。

機器人工程專業作為“新工科”背景下提出的新興專業，是一門涉及機械工程、自動化、電氣工程、計算機科學等多學科的綜合性專業[2]。目前，國內外高校對于機器人工程專業等新工科專業人才培養模式不斷進行研究與探索，并取得了一定效果。麻省理工學院跨越傳統學科、學院界限，建立了形式多樣的研究機構；斯坦福大學更加注重以學生為中心，邀請校友作為返校實踐專家，打造開放式培養模式；天津大學更加注重全球視野，與美國佐治亞理工學院在深圳共建深圳特色學院，培養具有國際工程能力的新工科人才。工程教育，歸根結底是對學生實踐能力、創新能力的培養，因此，在機器人工程專業實踐教學環節中應該注重工程教育的實施，實踐教學必將是專業建設較為重要的組成部分[3]?？梢灶A見，實踐教學將會成為機器人工程專業培養學生實踐能力的重要舞臺，也是創新創業教育的重要組成部分[4-6]。

1 把握產業發展趨勢，明確應用型人才的規格特征

在“中國制造2025”背景下，針對機器人工程專業應用型人才的培養才剛剛開始，畢業生是否具備新工科要求的能力素質成為高校應用型人才培養面臨的主要問題。為此，在研究之初，課題組與固高科技（深圳）有限公司及其附屬企業、惠州三聯自動化設備有限公司、洛陽德平科技股份有限公司、洛陽普拉斯自動化科技裝備有限公司、安懷達智能科技有限公司等機器人生產、研發和應用的相關企業進行了深入交流，企業詳細闡述了現階段企業發展過程中所需人才的能力和素質標準。

與傳統的人才能力和素質相比，機器人工程專業的應用型人才應該具備更好的實踐能力、自主學習能力、創新能力和團隊協作能力等。在此基礎上，結合機器人工程專業的理論體系，總結出了機器人工程專業應用型人才規格特征，如圖1 所示。

圖1 機器人工程專業應用型人才規格特征

以上所有的特征都需要在實踐教學中進行培養和鍛煉。

2 明確基于項目驅動的實踐教學模式

在展開實踐教學之前，需要明確實踐的內容和載體。通過對人才培養目標認真分析、討論，分別從基礎課、專業基礎課、專業核心課和生產實習等多個方面明確了各層次實踐教學需培養的素質和能力，如表1 所示。

表1 實踐教學層級表

通過對企業生產經營、個人實踐經歷、走訪行業專家以及現階段實施的實踐教學方法的調研，結果顯示采用項目驅動式的教學方法更適合應用型人才培養。

項目驅動的教學模式應該要結合人才培養模式，并將基礎項目實踐、初級項目實踐、中級項目實踐和高級項目實踐四個層級有機結合起來，建立一種遞進式和立體化的實踐教學體系。第一、二層級是基礎性、初級性的項目實踐，主要包括基礎實踐課程和專業基礎課程的知識內容，構建起學生基本技能和實現學生專業感性認知的項目模塊；第三層級是中級的項目實踐，主要包括一門課程或者多門課程綜合知識的實踐，主要是以培養學生專業技能、解決問題能力為目標的完整項目實踐；第四層級是高級的項目實踐，注重做好創新創業方面的實踐，主要包括學科競賽、大學生創新創業實踐和相關的教學科研課題，注重培養學生科學探索精神和創新意識以及創造性思維。以上四個層次的實踐項目，相互補充，層層遞進。為了保障這四層實踐項目能夠順利進行，需要建立實踐教學支撐保障體系，為實踐項目提供物質支持，確保項目使用的實驗器材、耗材能夠滿足實踐需求；需要建立實踐教學質量評價體系，考核教師是否確實履行實踐教學中規定的各項義務，為實踐教學提供質量保障?；陧椖框寗拥膶嵺`教學模式與傳統的分散式的實踐方法存在一定的差別，需要注重對實踐教學內容的構建，做好實踐項目的整體優化完善。要確保項目能夠覆蓋教學目標的所有主要知識點，并確保項目能夠高效有序開展。項目主要來源有以下幾個方面[7]。

（1）教學項目：是指依托實驗設備，為了實現教學目標設置的相應的教學模擬項目，目的是促進學生對知識內容的理解。

（2）科研項目：是指教師承擔的各級縱向項目和橫向項目。

（3）生產項目：是指企業承擔的生產項目。

（4）專業競賽項目：是指相關專業類的各級競賽項目。

（5）孵化項目：是指來源于創新創業類比賽的項目。

不同環節的實踐教學可以選擇相應屬性的項目。例如：在“機器人傳動系統設計”課程中選擇了教學項目和生產項目相結合的方式，課程目標是掌握機器人傳動系統，因此課程中需要學生拆裝機器人，在此過程中不可避免地會遇到零部件的裝配問題。實踐環節時就以機器人實際裝配的過程進行實踐，在實踐的過程中讓學生學習傳動系統。同時，根據機器人不同的種類，設置不同的項目，對機器人傳動系統進行分類講解，使得學生能夠對機器人傳動系統認識得更加清晰。在“機器人仿真”課程中，教師將生產項目進行處理，使其滿足實踐教學的需要。在科技競賽的實踐教學中選擇競賽項目，主要依托河南省機器人競賽、中國機器人大賽、“挑戰杯”“互聯網+”等比賽。

3 依托項目，打造實踐“金課”

項目驅動式實踐教學模式，以教師為主導，以學生為中心，注重將實踐項目貫穿在教學始終，用項目的過程吸引學生主動參與、團結協作、不斷求新。在實踐“金課”中，教師從教學的主體轉變為組織者、指導者和監督者，幫助學生學習。項目能否驅動學生，主動學習成為影響實踐教學成效的關鍵因素，因此，需要教師能夠完美“轉換”角色，扮演好實踐課程的組織者、指導者和監督者。

項目驅動的實踐教學需要注意以下幾點：（1）目標明確。通過設置學習目標、知識分解等方法，讓學生準確明了地抓住學習目標，通過連續不斷完成子任務目標，引導學生逐漸從“要我學”轉變為“我要學”，一步步激發學生的主觀能動性，培養學生之間課堂參與度和目標完成度的“競爭”意識，提高學生發現、分析和解決問題的能力。（2）短期快效。每個子任務完成的時間不能太長，時間過長會出現學生興趣下降，急躁不安等現象，使得實踐過程不能順利進行。由多個子任務組成一個項目，使用合適的時間完成一個子任務，這樣層層遞進、環環相扣，使得學生能夠緊隨教師的思路完成一個完整的實踐項目，這樣會取得較好的教學效果。（3）易于控制。項目中需要根據實際的情況設置參與人數，保證教師能夠及時對實踐活動進行監督指導，保證每個學生都能參與，這樣可以使得學生對任務內容、目標和實施過程形成認同感和共鳴感，有利于學生集中精力參與實踐。（4）理論和實踐相結合。實踐教學是以理論教學為基礎的，對于抽象的理論知識，學生更渴望通過實踐來驗證理論或者更好地理解理論，這就需要教師和學生一同結合原理、分析項目、制定工藝，完成實踐。

項目驅動的實踐教學要取得好的教學效果，教師必須對實踐環節進行合理充分的設計。具體可以從項目選擇及設定、學生分組、課前準備、課中實踐、課下拓展、考核評價等多個方面進行。

3.1 項目選擇及設計

項目是整個實踐教學的根基，直接決定實踐環節的成敗。首先，項目必須能夠覆蓋基礎理論、技能要求、職業素養等教學目標，能夠明確體現出“理論+ 實踐”的教學思想，讓學生能夠切身參與進來。在確定了項目內容后，按照不同的知識內容，將其劃分為多個任務。根據教學認知規律對項目進行合理劃分，有利于取得更好的教學效果。合理有序的教學組織也是實踐教學的關鍵環節，需要在項目設計中重點體現。項目設計中將內容模塊化、項目任務化、組織規范化，為實現一節良好的實踐課程做足準備。在“機器人仿真”課程中，選擇項目時綜合了學生知識儲備、實驗室設備現狀和企業項目案例等多方面的情況。其中一個項目是包含傳送帶的搬運工作站，由于是進行基礎知識的學習，不能選擇過程太復雜的工作站，因此，選擇了搬運工作站完成連續搬運作為項目目標。項目設計時從搭建搬運動作站模型入手，實現單次搬運工件的基礎搬運任務。在基礎搬運完成后，在項目中增加傳送帶裝置，讓機器人搬運能夠連續進行，這樣項目具有層次感，學生通過4 個學時的學習能夠完成一個完整的包含傳送帶的搬運工作站仿真項目。

3.2 課前準備

課前準備以短視頻、PPT 為主、教材為輔，主要用于激發學生對學習內容的興趣。短視頻內容來源于工程視頻、案例（企業項目、競賽資料）、網絡評論等；PPT 展示歸納短視頻知識內容；預習教材內容是讓學生更清楚地明白所學習的理論知識內容。例如，“機器人仿真”課前準備分為三個方面，一是教師根據工作站實際情況，繪制、搜集用于工作站動作仿真的設備和裝置的三維模型，為學生認識和建立工作站模型提供參考；二是將工作站工作過程以短視頻的形式發給學生，同時布置課前任務，通過課前準備讓學生能夠初步認識實踐內容；三是讓學生結合短視頻、PPT，預習教材中指定的理論知識內容。

3.3 課中實踐

課中實踐是實踐教學的關鍵，教師需要明確教學目標，具體教學目標要由基礎性、實用性到創新性，層層升級。教學目標是“金課”設計的指南針。實踐教學過程中必須以項目設定的教學目標為導向?，斣Z根據教學目標由易到難分為四個層次：知識提取、理解、分析和知識運用[8]。實踐課程的主要挑戰是既要保證學生圍繞適當數量的目標進行認知加工，又要保證不會讓學生產生認知負荷超載。從生物醫學角度出發，營造一個與課程相適應的環境，能夠刺激學生大腦不同區域的切換，讓學生能夠從視覺、聽覺、軀體、智力及情感等多通道學習，從而使學生處于輕松、愉悅的狀態，因此，在實踐課堂并不是找一個教室，分組執行任務，最終完成任務即可，而應該是依托實驗室營造一個與課程內容相適應的實踐環境，教師通過學習內容聚焦使學生明確學習目標，精心設計如何向學生解釋任務，使學生明白教師期待他們從完成學習任務的過程中學習到什么，以及完成學習任務后他們應該掌握知識到什么程度?！皺C器人仿真”課程中，依托工業機器人工作站實驗室，結合工作站運行實際情況與案例視頻展開講解，并梳理出與其他課程交叉融合的知識點，分析實踐項目實施的過程，初步對比課前預習與課中實踐的不同點。分析完成后，公布項目目標和任務說明。任務公布后，組織學生進行討論，制定各自的解決方案后，自行在計算機上仿真操作，整個過程教師必須做好監督、指導工作。

3.4 課后拓展

實踐課程的課后拓展應該將教學的基礎知識和綜合實踐能力結合。具體包含以下兩個方面：（1）補充課堂內知識點更深層次的訓練項目，引導學生對知識點的高層次思考；（2）鍛煉學生的實踐能力。針對第一點可以設置一些問題，引導學生去探究、深入挖掘。針對第二點則是需要教師從縱、橫向科研以及競賽中拆解出與課程相關的部分，讓學生進行實踐?！皺C器人仿真”課后設定了兩個機器人組成的搬運工作站，通過課堂中單一機器人搬運動作仿真過程的學習，使學生獨立完成課后拓展訓練。

3.5 考核評價

實踐“金課”要將以考試為中心轉變為以學習為中心。豐富考核評價方式，例如：答辯、作品評價、多樣性的過程考核等。無論哪種考評方式，都應該有一套學生認可的評價標準。教師根據教學目標制定相應的評價標準，并盡量將每次學生作業、實驗結果等都納入考評范圍，讓學生能夠明確掌握學習目標。應用型人才培養的實踐教學評價標準，需要將企業工作崗位對學生的職業素質要求納入考核標準[9]，根據企業實際案例中的重點設置考核點，由企業工程師和教師共同制定評價方式和標準。例如，在“機器人系統集成應用操作”課程中，教師與企業工程師商討項目內容和實施過程，并按照工程實際中能力和素質要求設置評分標準。評分標準中設置“獎懲”策略，用“分數”激發學生的學習熱情和團隊意識。

4 結束語

在新工科建設的背景下，實踐教學成為各個專業應用型人才培養的關鍵一環，而項目驅動的實踐教學成為一種趨勢，是人才培養不可或缺的組成部分。想要取得好的效果，需要高校、企業、教師和學生的共同努力。