面向工程教育專業認證的機器人學課程教學改革與實踐

張彥斌 宋 磊 邱 明 張占立 田軍營

河南科技大學機電工程學院 河南洛陽 471003

面向工程教育專業認證的機器人學課程教學改革與實踐

張彥斌 宋 磊 邱 明 張占立 田軍營

河南科技大學機電工程學院 河南洛陽 471003

工程教育專業認證對于保障高校工程教育質量、促進我國工程教育教學改革、培養國際工程師具有非常重要的作用。結合學校機械設計制造及自動化專業的工程教育專業認證要求和機器人學課程教學中存在的問題，從教學內容、教學手段、實驗教學、科研與教學結合、教學評價體系等方面對該課程進行教學改革，通過近兩年的課堂教學實踐顯示出改革方法的有效性。

機器人學；工程教育專業認證；教學改革

機器人技術是目前國際上得到廣泛研究和重點發展的學科領域之一。無論是2015年頒布的《中國制造2025》國家戰略規劃或者2016年制定的國家“十三五”發展規劃中，我國都將機器人列為重點突破發展領域或高端裝備創新發展行業。在全球工業由“制造”向“智造”轉變的今天，機器人技術更是彰顯了其獨特的魅力和不可或缺的地位。機器人學是一門多學科高度交叉融合的前沿學科，代表了機電一體化的最高成就[1]，涉及機械學、生物學、人類學、社會學、人工智能、計算機技術、控制工程學、電子工程學等。機器人學課程作為機械類本科專業的重要專業課，在各個高校都吸引了不少學生[2-4]，以河南科技大學為例，年均有超過百名的機械設計制造及自動化專業學生選修該課程。為進一步適應新形勢下的教學需要，轉變教學理念、改進教學方法，筆者對機器人學課程進行教學改革，并在最近兩年的課程教學中實踐，取得了良好的教學效果。

1 課程教學改革背景

工程教育專業認證是目前國際上通行的工程教育質量保證制度，也是實現工程教育的國際互認和工程師資格國際互認的重要基礎[5]。據統計，我國工科專業在校生占在校學生總數的比例超過三分之一，畢業生占總體畢業生總量的比例接近三分之一，百分之九十以上的本科高校設置了工科專業。雖然我國已成為高等工程教育大國，但距離美歐高等工程教育強國還有不小差距。因此，如何提高我國工科學生的工程素養和國際競爭力成為當下中國高等教育事業的迫切任務和亟待解決的問題之一。2016年6月，在馬來西亞吉隆坡舉行的國際工程聯盟大會上，中國正式被接納為《華盛頓協議》[6]的第18個成員，標志著我國工程教育專業認證體系得到了國際認可，也意味著中國高等工程教育邁上了國際舞臺。工程教育專業認證的核心理念為：以學生為中心(Student-Centered，簡稱SC)，以產出為導向(Outcome-Based Education，簡稱OBE)和持續改進(Continuous Quality Improvement，簡稱CQI)。尤其是OBE模式完全顛覆了傳統的教學理念，將高等教育從以教師的“教”為中心轉變為以學生的“學”為中心，將教學從教師的“理論知識體系”傳授轉變為學生的“能力達成目標”實現。2016年11月，專家組對河南科技大學機電工程學院機械設計制造及自動化專業(包括機械設計、機械制造、軸承3個專業方向)的工程教育專業認證申請進行入?？疾?，全方位的對專業認證自評報告內容進行核實和查驗。從專家組的反饋情況看，肯定了本專業在工程教育方面所做的工作和努力以及所取得的成績，進一步促進了本專業按照新的教學理念和模式進行各門課程的教學改革與實踐。

2 課程設置與教學環節存在問題

2014年，為提高學生工程實踐能力和創新創業能力，增強學生課外素質教育，以及向國際化工程教育理念轉變，學校對本科生的培養方案進行修訂，降低了本科期間必修學分的總數量，直接導致部分專業課程的學時減少。其中《機器人學》課程由原來的48學時(含42理論學時和6實驗學時)降為40學時(含36理論學時和4實驗學時)，這就使得教學內容變化不大與學時數目的減少產生沖突。目前，大多數教材是以機械臂式的工業機器人為依托，對其結構設計、運動學、動力學、控制方法等方面進行講述，教學內容較為陳舊，知識體系數十年變化不大，新理論、新方法在教材中很少(甚至完全沒有)得到體現，不能緊跟科技發展而更新。再加上該課程安排在大四第一學期，半數以上學生因忙于考研復習，對于課程學習興趣不大，甚至經常缺席上課。因此，如果教師在教學內容和教學方法上缺乏足夠的吸引力，教學效果將更難以保證。同時，傳統的卷面考試不適宜于這種多學科交叉融合的專業課程，一套試卷無法體現出學生在分析和解決復雜機械工程問題方面的能力和創造力，不符合工程教育專業認證的教學理念。

3 教學改革措施

根據學校2014版《機械設計制造及其自動化專業本科生培養方案》和機械設計制造及其自動化專業的工程教育專業認證要求，筆者分別于2014年和2016年兩次對機器人學課程教學大綱進行修訂，明確了課程教學目標，規范了教學內容，指明了對學生的重點能力培養方向。例如，2016版《工程教育專業認證自評報告》的“畢業要求”部分共包含12項畢業生應具備的能力(即指標點)，我校機械設計制造及其自動化專業根據本專業自身實際情況又將這12個指標點分解為30個子指標點，每一個子指標點能否達成需要有相應課程(包括理論課和實踐課)所支撐。而本課程對應了其中3個子指標點，分別為：(1)運動機械設計制造及其自動化專業知識對復雜機械工程問題進行建模、求解和分析，尋求最優方案；(2)了解基本的創新方法，并能將其應用在復雜機械工程問題的解決過程中；(3)了解本專業的新理論、新技術、新方法，自主學習，適應發展。所以在教學大綱制訂、教學內容設計、教學手段實施、教學效果評價時應側重于這3項能力的培養。本課程具體采取的教學改革措施如下。

3.1 教學內容改革

機器人學課程包含的內容多、學科廣、知識點豐富，且部分內容學習難度較大，為了引起學生的學習興趣和重視，在總學時有限的情況下將緒論部分從2學時增加到4學時，并于2015-2016學年第一學期開始執行。緒論從身邊的機器人入手，較為詳細介紹生活中接觸到的各類機器人，如服務機器人、醫療機器人、娛樂機器人、清潔機器人、排險機器人、康復機器人、仿生機器人、農業機器人和工業機器人等，采用視頻、圖、文等展示方式，直觀、生動地展現各式機器人，寓教于樂中增強學生課程學習的吸引力。對于課程的整體教學內容則采取“深度”與“廣度”的結合，改變了以往過于偏重講解工業機器人的機械系統、運動學、動力學和控制方法，而忽視了機器人技術中的其他重要知識，如傳感器技術和路徑規劃等，因此在新修訂的大綱中增加了相關內容。教學內容改革的目的是力求學生能通過課程學習，不僅掌握機器人技術重點基礎知識，還能了解與之相關的其他專業知識，為下一學期的畢業設計與未來的工作或深造學習做“深”且“廣”的知識儲備。

3.2 改進教學手段

本課程采用多媒體為主、板書為輔的形式進行課堂教學，一方面有效利用PPT等多媒體現代教學工具，以豐富教學內容、增加課堂知識容量，提高講課效率；另一方面也充分發揮傳統教學方式的優勢，將課堂重點內容適當板書，以引起學生的重視和增強知識接受過程。將微課引入課堂教學，起到改變課堂教學節奏、活躍課堂氣氛和簡化對抽象問題的理解的作用。例如，在引入并聯機器人概念時，基于筆者研發的一臺三自由度移動并聯機器人事先錄制了小段視頻，借助于具體實物講解并聯機器人的結構形式、工作原理、控制方式等內容。學生可輕松地對結構復雜的并聯機器人有了感性認識，并能迅速理解其與機械臂式的工業機器人的不同之處。為預防學生在長時間的PPT授課過程中的聽覺和視覺疲勞，除增加師生互動提問交流外，還增加適量英文教學，既能有效提高學生的課堂專注度，又能增加學生專業英語的學習機會，尤其考研學生非常樂于這個環節。

3.3 增強實驗教學環節

課堂理論學習是學生對于系統知識接受和掌握的第一現場和首要環節，而實驗教學則是將理論學習從“課堂”轉移到“現場”，同時通過學生的操作實踐加深對理論知識的理解和靈活應用，并增強學生的動手操作能力和工程能力。因此，實驗教學是課堂教學的有益補充，也是不可取代的一環。為配合機器人學等課程建設，河南科技大學機電工程學院專門成立了工業機器人實驗室，配備專職實驗教師1名，現有六自由度工業機器人5臺。實驗時3人一組操作一臺機器人，通過編程進行機器人空間運動軌跡控制，完成預定的末端操作手的抓取物體動作，綜合應用所學機器人運動學、控制設計和軌跡規劃、編程等知識點。實驗教師現場指導，根據學生的操作能力和實驗結果進行評價，激勵了學生對課堂理論知識學習的積極性和主動性。由于該實驗室為完全開放式的實驗室，除大綱規定的教學實驗外，學生還可以在課外時間預約實驗室進行個人開發的相關實驗，促進提高學生的動手操作能力和創新創業能力。

3.4 科研與教學相結合

一般而言，教材知識具有基礎性和通用性，教材內容的更新速度遠滯后于科學理論和技術水平的發展。因此，在課堂理論教學過程中，尤其是專業課，任課教師應將個人的科研與課程內容相融合，在講授教材基本理論知識的同時，適量加入相關的最新科技知識和學科前沿動態，以開闊學生的知識結構和學術視野。目前，常見的工業機器人都是機械臂式的串聯結構，而近些年來并聯機器人已在國內外得到廣泛關注與研究，并得到越來越多的應用，但絕大多數機器人學課程教材卻極少關注此類機器人。筆者的研究方向恰好為機構學與并聯機器人理論，特別是在并聯機器人的創新設計方面取得了較為顯著的成績，發表相關學術論文50余篇，申請國家發明專利15項。在課堂教學過程中，結合相關教學內容中添加并聯機器人的創新設計理論與方法，分析筆者對HUST-I完全各向同性移動并聯機器人設計過程中遇到的問題和解決辦法，激發學生的創新思維意識和科研興趣。同時，在授課過程中適時引入機器人技術的國內外最新發展方向，如最近兩年才提出的“共融機器人”(Tri-Co Robots)，分析機器人“剛-柔-軟”結合的必要性和優越性等，對于拓展學生的知識視野和點燃其未來潛在的研究方向起到拋磚引玉作用。

3.5 教學質量評價體系改革

課程教學質量評價是對教師的教學效果、教學水平和學生的對知識的理解、掌握和應用的客觀評價。傳統的做法只是通過學生考試成績的高與低來衡量，而不關注學生的工程能力和工程素養。國際工程教育專業認證對于“培養目標”和“畢業要求”達成度評價的重點是落在學生身上而非教師，強調的是課程對所有學生工程能力和工程素質的培養。上節中提到，機器人學課程主要培養學生三方面的能力，分別對應了“畢業要求”中的3個子指標點，因此教學質量評價體系也緊緊圍繞這三方面進行，且每一個子指標點都要進行達成度計算和評價。本課程的總成績由三部分組成：平時成績(20%)、實驗成績(10%)和期末成績(70%)。期末成績采取課程論文的形式，改變了原來的試卷考試。課程論文的內容由學生自己選擇，既可以對某一具體機器人進行理論建模、分析和仿真，也可以進行三維虛擬樣機建模和控制設計，或者是對某一類機器人技術進行文獻綜述。為完成論文，學生需要查閱一定量的文獻資料，將本門課程知識與其他相關課程知識進行綜合應用，有助于訓練和提高學生的自主學習能力和知識綜合運用能力。平時成績是根據作業成績給定，實驗成績則是根據兩次實驗過程和效果給定。需要特別強調的是，無論是作業成績、實驗成績或者是課程論文成績，都要體現出對3個子指標的培養，并分別給出具體的評價分值，然后再根據所設置課程達成度計算公式進行綜合評價。2016-2017學年第一學期，機設131班學生機器人學課程的3個子指標點課程達成度計算結果分別為79.2%，77.0%，78.5%，均超過了本專業規定的65%為合格的評價標準線，故認為本課程達到了對學生能力培養的目標。

4 教學改革效果

伴隨本專業的工程教育專業認證的申請過程，所提出的教改思想和理念在最近兩年機器人學課程的教學中得到實施和執行，并取得明顯的教學效果。首先，學生課堂出勤率明顯提升，很少再有學生無故缺課，這對于大四學生的課堂教學非常難得。其次，激發了學生的科研興趣，不少學生都積極參加教師的科研項目，或者主持申報校級科研項目和發表學術論文，如作者指導的學生分別于2015年獲得河南省機械創新設計大賽二等獎1項和2016年獲得河南科技大學大學生研究訓練計劃(SRTP)項目資助1項(編號：201610464001)。第三，通過課程論文訓練，為下一學期的畢業設計打下了堅實基礎，提高了學生的整體寫作水平和分析、解決問題的能力，如筆者指導的學生2016年獲得河南科技大學畢業設計(論文)二等獎。最后，學生對作者的教學評教結果也從側面反映出本課程的教學改革效果，筆者最近幾年的教學評教均為優秀，在一定程度上說明學生對本課程的教學手段和方法的認可。

5 結束語

工程教育專業認證的教育理念改變了傳統的高校教育思路，以學生為中心，以所培養的所有學生的能力為評價指標，各門課程必須服務于專業制訂的“培養目標”和“畢業要求”的能力指標，并根據培養過程中存在的問題進行“持續改進”。機器人學課程作為機械設計制造及其自動化專業的一門重要專業課程，責無旁貸地承擔著對本專業學生綜合能力培養的重任，所提出和實施的課程教學改革措施也需要在不斷的實踐中進行完善和持續改進。最終目標是為“中國夢”的早日實現培養出更多高級工程技術人才，并具備一定的國際化視野和良好的終身學習能力。

[1] 韓建海.工業機器人[M].武漢:華中科技大學出版社,2013.

[2] 張奇志,周亞麗.機器人學教學內容改革與實踐[J].計算機教育,2012(18):67-70.

[3] 畢津滔, 張婉鸝. 高校機器人教學改革新思路之探索[J].信息通信,2013(3):266-267.

[4] 戰強,閆彩霞,蔡堯.機器人學改革的探索與實踐[J].現代教育技術,2010,20(3):144-146,139.

[5] 唐宏斌,吳康雄,杜榮華.基于工程教育專業認證標準的機械類專業建設改革[J].教育教學論壇,2015(30):72-73.

[6] 姚韜,王紅,佘元冠.我國高等工程教育專業認證問題的探究:基于《華盛頓協議》的視角[J].大學教育科學, 2014(4): 28-32.

Teaching Revolution and Practice of Robotics Based on Higher Engineering Education Accreditation

Zhang Yanbin, Song Lei, Qiu Ming, Zhang Zhanli, Tian Junying

Henan University of Science and Technology, Luoyang, 471003, China

Higher engineering education accreditation plays an important role on supporting higher engineering education quality, improving teaching reform of engineering education and cultivating international engineers. According to the requirement of engineering education accreditation for specialty in machinery design manufacturing and automation, and the existing problems in the Robotics education, some teaching reform are performed by means of teaching contents, teaching methods, experiment education, research project, teaching evaluation, and so on. The class teaching practice shows that these reform measures proposed are effectiveness.

robotics; higher engineering education accreditation; teaching reform

張彥斌，教授，博士。

河南科技大學教育教學改革重點項目(編號：2015YBZD-021)；河南科技大學重大教育教學改革研究項目(編號：2015ZD-004)。