智能制造背景下的課程教學(xué)改革與探索

魯欣 師樹謙 盧文濤

摘 要：在智能制造背景下，各個制造領(lǐng)域?qū)C器人工程專業(yè)人才的能力有了更多的要求，企業(yè)更加需要應(yīng)用型、復(fù)合型的機器人人才。針對這些新的要求，本文首先分析了目前機器人工程專業(yè)的教學(xué)現(xiàn)狀，然后在機器人相關(guān)課程、實踐教學(xué)、課程改革、課程考核等方面進行了一定的探索，提出了一定的教學(xué)改革方法，并通過教學(xué)實踐、取得了一定的效果，有效地提升了學(xué)生的知識水平與應(yīng)用能力。

關(guān)鍵詞：智能制造;機器人工程專業(yè);課程改革

2015年，國務(wù)院發(fā)布了《中國制造2025》戰(zhàn)略，標志著我國的制造行業(yè)要向著更加智能化的方向發(fā)展。機器人作為《中國制造2025》十大領(lǐng)域中的重要一環(huán)，必將成為工業(yè)制造、未來智能制造必不可少的一部分[1]，越來越多的企業(yè)都希望能有更多掌握機器人技術(shù)的復(fù)合型人才來實現(xiàn)機器人智能化的操作。然而，與機器人技術(shù)的快速發(fā)展和機器人工業(yè)應(yīng)用的與日俱增相對比，機器人技術(shù)人才的缺口卻越來越大，部分原因在于機器人專業(yè)人才培養(yǎng)還處于起步階段，人才培養(yǎng)方式還不能完全契合市場的發(fā)展需求[2]。而在機器人人才培養(yǎng)過程中，專業(yè)課程學(xué)習(xí)是一個十分重要的環(huán)節(jié)。因此，本文將以智能制造為背景，探討如何將機器人工程專業(yè)的課程進行改革，以培養(yǎng)出符合市場與企業(yè)需求的人才。

一、機器人專業(yè)課程教學(xué)現(xiàn)狀

機器人行業(yè)所需的人才能力技術(shù)主要包括：機械設(shè)計技術(shù)、驅(qū)動技術(shù)、傳感技術(shù)、控制技術(shù)、視覺技術(shù)，系統(tǒng)編程仿真技術(shù)等[3-4]。但是，對于以上技術(shù)內(nèi)容，傳統(tǒng)的機器人專業(yè)教學(xué)卻存在著教材少、教材適應(yīng)市場程度不高、教材偏重理論性等劣勢。教材少，指的是針對機器人工程專業(yè)課程來說，大部門課程沒有與其相對應(yīng)的教材。在教學(xué)過程中如果采用傳統(tǒng)的教材對機器人工程專業(yè)學(xué)生進行授課，就會造成課程培養(yǎng)的最終能力目標與機器人行業(yè)要求目標相脫離。教材適應(yīng)市場程度不高指的是教材的內(nèi)容比較陳舊，跟不上時代的發(fā)展，這些陳舊的書本內(nèi)容達不到智能制造背景下的復(fù)合型人才培養(yǎng)目標。教材偏重理論性指的是部分教材只偏重理論知識的講解，卻不重視實踐能力的引導(dǎo)，在此情況下，學(xué)生很難達到企業(yè)所要求的應(yīng)用型人才的能力。

機器人專業(yè)涉及的知識面較廣，學(xué)生學(xué)習(xí)的專業(yè)知識較多。在一般的教學(xué)過程中，會出現(xiàn)課程與課程之間關(guān)聯(lián)性不足的問題，這會導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)完成不同課程之后，梳理不清楚每門課程之間的關(guān)系，更談不上對知識的應(yīng)用能力，甚至有的學(xué)生會感到“迷茫”，認為學(xué)的某門課程與專業(yè)關(guān)聯(lián)性不大，造成學(xué)生不能主動地進行學(xué)習(xí)的問題。

二、課程教學(xué)改革探索

（一）校企合作，將相關(guān)課程進行有機融合

機器人專業(yè)的主要特征是多學(xué)科交叉融合[5]。在針對機器人專業(yè)課程建設(shè)時，應(yīng)該始終貫徹這一特征。多學(xué)科交叉融合特征不是簡單的將原有眾多學(xué)科的培養(yǎng)目標相疊加，而是在滿足學(xué)校辦學(xué)定位的基礎(chǔ)上，將相關(guān)課程的內(nèi)容進行相互交叉與滲透，必要時也要開設(shè)新的專業(yè)課程。在這個融合的過程中需要有產(chǎn)業(yè)及行業(yè)專家的深度參與，以準確地把握產(chǎn)業(yè)行業(yè)對人才的新需求。所以在課程建設(shè)的過程中，需要充分把握科技前沿，并結(jié)合市場的需求。本文以《微控制器原理及接口技術(shù)》為例來對校企合作進行說明。

對于《微控制器原理及接口技術(shù)》課程，其課程的主要特點是理論性知識交織復(fù)雜，對學(xué)生實踐能力要求較高。在理論課程的教學(xué)過程中，部分學(xué)生對很難聽懂，在實踐課程中，學(xué)生只會按照老師教的方法來“復(fù)制”實驗步驟，造成學(xué)生在學(xué)習(xí)該門課程之后，難以有更多的創(chuàng)新觀點，達不到“學(xué)以致用”的目的。大部分高校以單片機為載體來進行教學(xué)，有效地將理論與實踐相結(jié)合。但是，對于新興的機器人專業(yè)不能過分依賴教材，不能再以原有的知識體系架構(gòu)來進行課程的講解，如何有效地將課程內(nèi)容與機器人專業(yè)相結(jié)合是一個重要的問題[6]。這就需要有效地利用企業(yè)的資源和知識，來實現(xiàn)專業(yè)課程與企業(yè)需求的有機結(jié)合，實現(xiàn)理論知識與實踐能力的有效轉(zhuǎn)換，從而提高課程的產(chǎn)業(yè)價值，提高學(xué)生的綜合職業(yè)能力。所以，此門課程在授課時，在原有的課程技術(shù)知識上，將課程內(nèi)容上升至機器人運動控制的高度，加入了運動控制基本原理與基本應(yīng)用的知識。通過項目案例式的校企合作教學(xué)方式，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)該門課程之后，除了掌握使用單片機控制小型機器人運動的知識外，也使學(xué)生掌握了如何使用運動控制器來控制工業(yè)機器人的運動。為了更好地達到滿足企業(yè)“定制化”人才的目標，授課教師會在課程實踐中加入了企業(yè)項目實訓(xùn)，通過“項目式”的訓(xùn)練，強化了學(xué)生的知識。

（二）強化實踐環(huán)節(jié)，將各學(xué)科進行交叉

授課教師可以通過不同的項目設(shè)計，將機器人相關(guān)的各項課程進行有效的融合，一方面使學(xué)生更好地掌握課程之間的關(guān)聯(lián)，另一方面教師可以以項目任務(wù)的完成情況作為知識的掌握情況反饋。同時在整個實踐過程中，鍛煉學(xué)生的實際開發(fā)、項目管理及團隊合作能力，以實現(xiàn)應(yīng)用型、復(fù)合型人才的培養(yǎng)目標。以《機器人運動控制系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用》課程為例，部分項目設(shè)計如下表所示。

六自由度機器人流水線搬運作業(yè)項目，使用兩臺六自由度機器人、傳送帶、PLC控制器傳感器等完成機器人流水線搬運作業(yè)。該項目結(jié)合機器人編程，控制器程序設(shè)計，傳感器應(yīng)用等課程相關(guān)知識，把機器人專業(yè)的基礎(chǔ)與核心課程知識融入到實訓(xùn)項目中去，從而提升學(xué)生的應(yīng)用實踐能力。

氣動直角坐標機器人與氣動分度盤協(xié)作完成小球分揀項目，是利用氣缸、氣動分度盤、機器視覺（相機）、機器人通信技術(shù)、光電傳感器等完成不同顏色小球的分揀動作。該項目將氣動知識融入到機器人系統(tǒng)設(shè)計中去，從而構(gòu)建從實物動作到理論知識傳授的教學(xué)模式。

直角坐標寫字機器人的設(shè)計項目，通過機械原理與設(shè)計、電機及驅(qū)動技術(shù)、傳感器等原理性知識讓學(xué)生完成直角坐標機器人硬件的設(shè)計與模型搭建。在此基礎(chǔ)上，利用運動控制器完成直角坐標機器人的控制系統(tǒng)設(shè)計，實現(xiàn)機器人軟硬件的設(shè)計，進一步加深學(xué)生對運動控制系統(tǒng)設(shè)計的步驟。

（三）完善教學(xué)方法，優(yōu)化考核方式

隨著科技及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的教學(xué)方式已經(jīng)不再適用新興專業(yè)的課堂，單單采用“多媒體+視頻”等教學(xué)方式，已經(jīng)不能較好的提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，這就需要根據(jù)機器人專業(yè)不同的課程特點，完善現(xiàn)有的教學(xué)方法，引導(dǎo)學(xué)生主動的去學(xué)習(xí)。對于機器人專業(yè)課程特點，可以采用項目、任務(wù)驅(qū)動式、“關(guān)聯(lián)”教學(xué)方法，將課程中的知識點劃分為不用的模塊項目，以引導(dǎo)學(xué)生進行有效的學(xué)習(xí)。在設(shè)計時，要注意設(shè)計的項目與任務(wù)和機器人專業(yè)內(nèi)的其他課程知識的關(guān)聯(lián)性。如，軟件技術(shù)課程在設(shè)計[7]時可以將機器人學(xué)、微控制器原理、電機驅(qū)動中的插補、PID算法等知識點以項目的形式進行驅(qū)動教學(xué)。同時，也可以根據(jù)以企業(yè)生產(chǎn)制造實際案例來對任務(wù)或項目進行設(shè)計，使學(xué)生在學(xué)習(xí)專業(yè)知識的同時，也掌握市場最新案例。

課程考核改革是課程改革的重要部分[8]。機器人專業(yè)不僅僅要求學(xué)生掌握過硬的理論知識，還要求學(xué)生有較強的動手能力，因此僅僅采用傳統(tǒng)的筆試考核方式已不再合適。機器人專業(yè)的考核應(yīng)該采用多樣化方法，如將課程答辯、項目、階段測驗、企業(yè)考核、創(chuàng)新設(shè)計、課堂表現(xiàn)等納入課程考核，作為課程考核的一部分，同時在考核過程中也應(yīng)該注重過程化考核，通過過程化考核的方法，可以提高學(xué)生在整個課程學(xué)習(xí)的主動性與積極性。

（四）賽—教—學(xué)融合，建立第二學(xué)習(xí)課堂

人才培養(yǎng)不僅僅是讓學(xué)生學(xué)會課本上的知識，還應(yīng)該注重學(xué)生在社會中、生活中解決各種實際問題的能力。為了更好地讓學(xué)生將學(xué)到的知識運用到實踐中去，除了課堂學(xué)習(xí)之外，可以利用諸多網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺建立學(xué)生的第二課堂。在第二課堂中，通過開展各種科技制作、創(chuàng)新項目等比賽活動，讓學(xué)生將理論、實踐、創(chuàng)新相結(jié)合，以此來培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力、創(chuàng)新設(shè)計能力。學(xué)生可以依據(jù)自己的興趣，結(jié)合當(dāng)前社會及生活的需求去發(fā)明創(chuàng)作，去參加機器人大賽等相關(guān)比賽，在比賽中更好地提升自己的綜合能力。教師可以利用第二課堂，發(fā)現(xiàn)學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的知識及能力的不足，以便在后續(xù)的課程中采用一定的改進措施。也可以通過這種方式，發(fā)現(xiàn)學(xué)生的興趣，掌握學(xué)生愛聽、想聽的知識點，并結(jié)合課程的重點，不斷地對課程進行優(yōu)化。

三、結(jié)論

在智能制造背景下，傳統(tǒng)的授課方式以及授課內(nèi)容已經(jīng)不能滿足制造智能化市場的發(fā)展，需要不斷地對課程內(nèi)容以及授課方式進行革新。本文以機器人工程專業(yè)為例，討論了該專業(yè)目前的課程授課現(xiàn)狀，在此基礎(chǔ)上提出了一些課程改革的建議。通過上述課程改革方式，筆者對所教授的課程進行了改革，采用校企合作的方式進行授課，取得了良好的效果，如學(xué)生上課的積極性明顯提升，尤其是在與校企合作的實踐環(huán)節(jié)，學(xué)生的自信心明顯加強。雖然課程改革取得了一定的成績，但是在教學(xué)的過程中，還需要不斷地進行探索，以尋找更好的授課方法。

參考文獻：

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[8]張浩軍，盧娜.以課程考核方法改革提升課程教學(xué)質(zhì)量[J].當(dāng)代教育實踐與教學(xué)研究，2018（04）：74-75.

基金項目：本文系“洛陽理工學(xué)院教育教學(xué)研究項目”（項目編號：19JYYB-20、18JYZX-05、18JYZD-01）的研究成果

作者簡介：魯欣（1991— ），女，漢族，河南濮陽人，碩士，助教，洛陽理工學(xué)院機器人學(xué)院，主要研究方向：機器人技術(shù)與系統(tǒng)。