機(jī)器人工程專(zhuān)業(yè)學(xué)生工程實(shí)踐能力培養(yǎng)研究

馮崇 宋黎明 丁梧秀

摘?要：機(jī)器人行業(yè)的快速發(fā)展導(dǎo)致相關(guān)行業(yè)急需具有較高工程實(shí)踐能力的機(jī)器人相關(guān)人才，現(xiàn)有普通本科培養(yǎng)模式對(duì)學(xué)生工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)不能滿(mǎn)足企業(yè)需求。本文以洛陽(yáng)理工學(xué)院機(jī)器人工程專(zhuān)業(yè)工程實(shí)踐能力培養(yǎng)為研究目標(biāo)，重構(gòu)課程體系，增加實(shí)踐教學(xué)比重，分別從興趣引導(dǎo)、項(xiàng)目式教學(xué)和創(chuàng)新促學(xué)等方面進(jìn)行了教學(xué)改革和實(shí)踐，實(shí)現(xiàn)了提升學(xué)生工程實(shí)踐能力的目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人工程;實(shí)踐教學(xué);工程實(shí)踐

隨著國(guó)內(nèi)外機(jī)器人行業(yè)的快速發(fā)展，用工業(yè)機(jī)器人代替人工勞動(dòng)已成為必然趨勢(shì)，因此培養(yǎng)掌握機(jī)器人技術(shù)技能的人才已迫在眉睫。在“中國(guó)制造2025”戰(zhàn)略的推進(jìn)下，越來(lái)越多的高校開(kāi)始開(kāi)設(shè)機(jī)器人工程專(zhuān)業(yè)[1，2]，2016年只有1所高校獲批機(jī)器人工程專(zhuān)業(yè)，2017年有25所，2018年達(dá)到60所，而2019年有101所高校獲批機(jī)器人工程專(zhuān)業(yè)，這也表明高校已經(jīng)開(kāi)始重視機(jī)器人相關(guān)人才的培養(yǎng)[3]。研究表明機(jī)器人工程專(zhuān)業(yè)大學(xué)生工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)應(yīng)該成為應(yīng)用型人才培養(yǎng)的主要目標(biāo)[4，5]。本文以洛陽(yáng)理工學(xué)院機(jī)器人工程專(zhuān)業(yè)為例，從加強(qiáng)機(jī)器人工程專(zhuān)業(yè)學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)方面著手進(jìn)行教學(xué)改革，改善應(yīng)用型本科下機(jī)器人工程專(zhuān)業(yè)的培養(yǎng)模式。

一、現(xiàn)狀分析

目前不少高校的實(shí)踐教學(xué)主要以驗(yàn)證為主，學(xué)生根據(jù)既定的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)按部就班地完成操作部分;對(duì)于使用大型設(shè)備的實(shí)驗(yàn)，主要以教師操作演示學(xué)生參觀(guān)為主，有興趣的學(xué)生也只能在老師的指導(dǎo)下完成簡(jiǎn)單的操作，幾乎不能有創(chuàng)新任務(wù)，實(shí)驗(yàn)完成后學(xué)生幾乎沒(méi)有機(jī)會(huì)再次操作這些設(shè)備，這樣的教學(xué)模式很難引起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，也不利于對(duì)學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)。上述方法對(duì)于以培養(yǎng)應(yīng)用型人才為目標(biāo)的機(jī)器人工程專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)來(lái)說(shuō)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。為此對(duì)機(jī)器人工程專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)方法進(jìn)行改革與探索：把專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)貫穿學(xué)生的整個(gè)學(xué)習(xí)周期，以實(shí)際應(yīng)用為目標(biāo)，滿(mǎn)足基礎(chǔ)應(yīng)用為標(biāo)準(zhǔn)壓縮基礎(chǔ)理論課程，增加實(shí)踐教學(xué)課程，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣;實(shí)驗(yàn)課和實(shí)踐課都貼近企業(yè)實(shí)際狀況或直接來(lái)源于企業(yè)，通過(guò)采用項(xiàng)目式教學(xué)和鼓勵(lì)學(xué)生參加創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)活動(dòng)的方法，提升學(xué)生的工程實(shí)踐能力，進(jìn)而培養(yǎng)滿(mǎn)足企業(yè)實(shí)際需要的應(yīng)用型人才。

二、實(shí)施方案

洛陽(yáng)理工學(xué)院是一所應(yīng)用型本科高校，洛陽(yáng)理工學(xué)院機(jī)器人工程專(zhuān)業(yè)是以培養(yǎng)機(jī)器人相關(guān)應(yīng)用型人才為目標(biāo)，以下結(jié)合洛陽(yáng)理工學(xué)院機(jī)器人工程專(zhuān)業(yè)學(xué)生的培養(yǎng)，探討提高學(xué)生工程實(shí)踐能力的教學(xué)方法。

（一）興趣引導(dǎo)

興趣是學(xué)生學(xué)習(xí)最好的老師，在原有先學(xué)習(xí)基礎(chǔ)課程、再學(xué)習(xí)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程、最后學(xué)習(xí)專(zhuān)業(yè)課的課程體系下，學(xué)生在入學(xué)初期接觸到的專(zhuān)業(yè)知識(shí)較少，很難對(duì)了解不夠深入的所修專(zhuān)業(yè)有濃厚的興趣。為引起學(xué)生的興趣，本專(zhuān)業(yè)打亂原有課程體系，從第一學(xué)期開(kāi)始就讓學(xué)生接觸專(zhuān)業(yè)知識(shí)，并動(dòng)手操作與專(zhuān)業(yè)相關(guān)的設(shè)備，以此引起學(xué)生對(duì)本專(zhuān)業(yè)的興趣，擴(kuò)大學(xué)生對(duì)專(zhuān)業(yè)知識(shí)的需求，進(jìn)一步提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

對(duì)于第一學(xué)期的課程安排，削減部分理論學(xué)時(shí)，增加機(jī)器人認(rèn)知性課程。這些認(rèn)知性課程主要以實(shí)踐課為主，以實(shí)際操作引導(dǎo)學(xué)生初步認(rèn)識(shí)專(zhuān)業(yè)課，并激發(fā)學(xué)生對(duì)相關(guān)課程的學(xué)習(xí)興趣。為保證學(xué)生有足夠的操作時(shí)間，實(shí)驗(yàn)室采用預(yù)約開(kāi)放制度，在實(shí)驗(yàn)室沒(méi)有課程安排的前提下所有學(xué)生都可以預(yù)約使用實(shí)驗(yàn)室，并指派專(zhuān)門(mén)的老師指導(dǎo)，學(xué)生可以利用課余時(shí)間練習(xí)操作機(jī)器人，或者根據(jù)學(xué)生興趣自行設(shè)定目標(biāo)并完成。這樣不僅增強(qiáng)了學(xué)生對(duì)本專(zhuān)業(yè)的興趣，并且讓學(xué)生在實(shí)踐過(guò)程中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并提出解決辦法，進(jìn)而引發(fā)學(xué)生對(duì)后續(xù)知識(shí)的需求和興趣。第二學(xué)期引入機(jī)器人系統(tǒng)集成應(yīng)用操作和軟件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程，全部采用項(xiàng)目式或任務(wù)式教學(xué)，讓學(xué)生了解機(jī)器人相關(guān)項(xiàng)目的實(shí)施流程，進(jìn)一步提升學(xué)生的工程實(shí)踐能力。

學(xué)生在對(duì)機(jī)器人等相關(guān)設(shè)備有了興趣和初步認(rèn)識(shí)之后，渴望進(jìn)一步了解機(jī)器人的相關(guān)理論知識(shí)。因此第三四學(xué)期增加機(jī)器人機(jī)械工程基礎(chǔ)、機(jī)器人控制工程基礎(chǔ)、機(jī)器人學(xué)基礎(chǔ)、感知與傳感技術(shù)、電氣控制與PLC、電機(jī)及驅(qū)動(dòng)技術(shù)等課程，同時(shí)整合課程內(nèi)容，重新修訂原有大綱，每一門(mén)課程都包含實(shí)踐課或?qū)嶒?yàn)課，確保理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)同步進(jìn)行。例如機(jī)器人機(jī)械工程基礎(chǔ)課程，傳統(tǒng)機(jī)械工程基礎(chǔ)主要講解各種機(jī)構(gòu)的原理與組成。現(xiàn)在整個(gè)課程的開(kāi)始就先讓同學(xué)們根據(jù)說(shuō)明書(shū)拆解六自由度工業(yè)機(jī)器人，了解工業(yè)機(jī)器人的基本組成，之后提出問(wèn)題：工業(yè)機(jī)器人為什么要這樣設(shè)計(jì)、減速機(jī)如何選型、為什么要用這么大的螺釘?shù)龋源艘鰴C(jī)器人機(jī)械工程基礎(chǔ)課程的課程目標(biāo)和課程內(nèi)容。再例如電機(jī)及驅(qū)動(dòng)技術(shù)課程，原有電機(jī)相關(guān)理論課程都是從基礎(chǔ)理論講起，整個(gè)課程大部分學(xué)時(shí)都在推導(dǎo)電機(jī)的各種數(shù)學(xué)模型。現(xiàn)在先把驅(qū)動(dòng)六自由度工業(yè)機(jī)器人作為實(shí)踐任務(wù)對(duì)象，在此基礎(chǔ)上分別講解使用直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、伺服電機(jī)以及特種電機(jī)驅(qū)動(dòng)六自由度工業(yè)機(jī)器人的方法和如何根據(jù)機(jī)器人需求選擇合適的電機(jī)，在此過(guò)程中講解電機(jī)的相關(guān)知識(shí)。

在了解工業(yè)機(jī)器人硬件結(jié)構(gòu)之后，學(xué)生開(kāi)始需要掌握機(jī)器人控制系統(tǒng)方面的知識(shí)才能更好地控制機(jī)器人。因此第五六學(xué)期開(kāi)設(shè)微控制器原理及接口技術(shù)、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與控制、ROS系統(tǒng)應(yīng)用、機(jī)器人末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)與實(shí)踐等課程，分模塊講述機(jī)器人控制系統(tǒng)的各個(gè)組成部分。例如機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與控制課程，學(xué)生在學(xué)習(xí)機(jī)器人學(xué)基礎(chǔ)課程之后已經(jīng)知道如何根據(jù)機(jī)器人的目標(biāo)位置求解機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)角度，但是如何保證機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性，以此引出此課程的學(xué)習(xí)目標(biāo)和學(xué)習(xí)內(nèi)容。

第七八學(xué)期為企業(yè)實(shí)習(xí)和畢業(yè)設(shè)計(jì)階段。課堂的教學(xué)環(huán)境有限，不能為學(xué)生完整展現(xiàn)實(shí)際工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，因此第七學(xué)期把學(xué)生安排到機(jī)器人相關(guān)企業(yè)頂崗實(shí)習(xí)。在第六學(xué)期結(jié)束前，安排機(jī)器人相關(guān)企業(yè)到學(xué)校做企業(yè)宣講，學(xué)生可以根據(jù)自己的特長(zhǎng)和興趣投遞簡(jiǎn)歷，企業(yè)根據(jù)自己的需要選擇合適的學(xué)生到企業(yè)實(shí)習(xí)，并指派企業(yè)導(dǎo)師在企業(yè)輔導(dǎo)學(xué)生。學(xué)校根據(jù)學(xué)生實(shí)習(xí)情況和教師特長(zhǎng)指派學(xué)校導(dǎo)師輔導(dǎo)學(xué)生，以雙導(dǎo)師指導(dǎo)模式引領(lǐng)學(xué)生完成企業(yè)實(shí)習(xí)。在企業(yè)實(shí)習(xí)過(guò)程中企業(yè)導(dǎo)師可以根據(jù)學(xué)生的實(shí)習(xí)情況和學(xué)生特點(diǎn)設(shè)計(jì)出相關(guān)課題作為學(xué)生的畢業(yè)設(shè)計(jì)，繼續(xù)由學(xué)校導(dǎo)師和企業(yè)導(dǎo)師共同指導(dǎo)完成學(xué)生的畢業(yè)設(shè)計(jì)。在這個(gè)過(guò)程中學(xué)生和企業(yè)還可以根據(jù)雙方意向簽訂就業(yè)協(xié)議，進(jìn)而達(dá)到服務(wù)企業(yè)和促進(jìn)學(xué)生就業(yè)的目標(biāo)。

（二）項(xiàng)目式教學(xué)

本專(zhuān)業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)是培養(yǎng)機(jī)器人系統(tǒng)集成方向的應(yīng)用型人才，故培養(yǎng)方案中的專(zhuān)業(yè)課程都是為這個(gè)目標(biāo)服務(wù)的。

為增強(qiáng)學(xué)生學(xué)以致用的能力和實(shí)踐動(dòng)手能力，在教學(xué)活動(dòng)中多采用項(xiàng)目式教學(xué)。例如在第二學(xué)期開(kāi)設(shè)的《機(jī)器人系統(tǒng)集成應(yīng)用操作》課程，此時(shí)學(xué)生專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課學(xué)習(xí)的較少，課程目標(biāo)就是讓學(xué)生掌握簡(jiǎn)單工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)集成方法，具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單機(jī)器人工作站的能力。因此，課程的所有內(nèi)容都是圍繞設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單工作站的項(xiàng)目展開(kāi)。首先帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行項(xiàng)目分解，把整個(gè)項(xiàng)目分為機(jī)器人部分和運(yùn)動(dòng)控制部分，再把這兩部分分成若干個(gè)子項(xiàng)目，同時(shí)把知識(shí)點(diǎn)融入子項(xiàng)目中，如右圖所示。《機(jī)器人系統(tǒng)集成應(yīng)用操作》課程全部在實(shí)驗(yàn)室中完成，在具體教學(xué)中，由于學(xué)生對(duì)專(zhuān)業(yè)元器件認(rèn)識(shí)較少，每個(gè)子項(xiàng)目完成之前先由教師以滿(mǎn)足本次課程使用為度講解基礎(chǔ)知識(shí)，之后學(xué)生馬上完成相應(yīng)的實(shí)踐環(huán)節(jié)，達(dá)到隨學(xué)隨用的效果。完成試驗(yàn)后由教師為學(xué)生現(xiàn)場(chǎng)答疑，解決學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中遇到的問(wèn)題，再由教師并提出若干問(wèn)題留作課下任務(wù)，引導(dǎo)學(xué)生課后復(fù)習(xí)和課前預(yù)習(xí)。如在利用機(jī)器人完成一個(gè)工件的搬運(yùn)后，提出“需要搬運(yùn)多個(gè)工件時(shí)怎么做？”留給學(xué)生思考，在下一次上課前提問(wèn)學(xué)生，之后的課程任務(wù)就是在搬運(yùn)一個(gè)工件的基礎(chǔ)上搬運(yùn)多個(gè)工件，實(shí)現(xiàn)促使學(xué)生課后復(fù)習(xí)和課前預(yù)習(xí)的效果，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)后續(xù)課程的思考和后續(xù)知識(shí)的需求，逐步推進(jìn)，進(jìn)而完成課程目標(biāo)。

（三）創(chuàng)新促學(xué)

競(jìng)賽可以增強(qiáng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力，進(jìn)一步提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識(shí)和創(chuàng)新意識(shí)。為督促學(xué)生積極參加創(chuàng)新比賽，在培養(yǎng)方案中設(shè)置2學(xué)分的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學(xué)分，激勵(lì)全員參與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)活動(dòng)。

在做好創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)服務(wù)方面，首先，指導(dǎo)學(xué)生成立創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)社團(tuán)，搭建學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)驗(yàn)室，積極組織學(xué)生參加各種創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)比賽，然后組織一些簡(jiǎn)單入門(mén)類(lèi)比賽，通過(guò)舉辦創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽，模擬實(shí)踐等方式，豐富學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)知識(shí)和體驗(yàn)，提升學(xué)生的創(chuàng)新精神和創(chuàng)業(yè)能力。例如把AGV小車(chē)簡(jiǎn)化為循跡小車(chē)組建賽事，讓學(xué)生利用傳感器相關(guān)課程所學(xué)知識(shí)自主選擇合適的傳感器檢測(cè)既定軌跡，利用物理知識(shí)根據(jù)既定場(chǎng)地材質(zhì)確定車(chē)輪材質(zhì)，利用電機(jī)相關(guān)課程所學(xué)知識(shí)選擇合適的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，利用微機(jī)原理相關(guān)課程搭建小車(chē)控制系統(tǒng)控制小車(chē)運(yùn)動(dòng)等，利用賽事讓學(xué)生所學(xué)知識(shí)得以應(yīng)用;最后根據(jù)比賽成績(jī)發(fā)放獲獎(jiǎng)證書(shū)，以此增強(qiáng)學(xué)生的成就感，促進(jìn)其參加其他比賽，形成良性循環(huán)。

其次，組建創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教學(xué)體系和第二課堂等，把創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)與課程教學(xué)內(nèi)容結(jié)合起來(lái)。例如機(jī)器人末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)課程，把設(shè)計(jì)機(jī)器人末端執(zhí)行器作為課程內(nèi)容考核任務(wù)，同時(shí)選取部分優(yōu)秀設(shè)計(jì)案例由學(xué)生進(jìn)行加工制作，之后把學(xué)生設(shè)計(jì)制作的末端執(zhí)行器裝載到實(shí)驗(yàn)室設(shè)備上使用，用實(shí)際應(yīng)用效果來(lái)驗(yàn)證學(xué)生設(shè)計(jì)的可行性，并發(fā)現(xiàn)學(xué)生設(shè)計(jì)的不足，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和工程實(shí)踐能力，為將來(lái)的工作積累經(jīng)驗(yàn)。同時(shí)學(xué)生制作的末端執(zhí)行器還可以作為下一屆學(xué)生的教具，后續(xù)學(xué)生可以借鑒往屆學(xué)生的經(jīng)驗(yàn)，在他們基礎(chǔ)不斷完善這些末端執(zhí)行器，形成良性循環(huán)。

最后，帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)入企業(yè)參觀(guān)學(xué)習(xí)，邀請(qǐng)一線(xiàn)工人針對(duì)自己的工位介紹自己的工作內(nèi)容和設(shè)備使用情況，同時(shí)讓一線(xiàn)工人指出部分設(shè)備的優(yōu)化需求，學(xué)生分組討論優(yōu)化方案，達(dá)到讓學(xué)生主動(dòng)了解相關(guān)知識(shí)，并發(fā)現(xiàn)自身不足的目的，進(jìn)而在以后根據(jù)自己興趣有目標(biāo)的學(xué)習(xí)。邀請(qǐng)企業(yè)優(yōu)秀項(xiàng)目經(jīng)理利用實(shí)際項(xiàng)目為學(xué)生開(kāi)展創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)講座，讓學(xué)生了解完整項(xiàng)目的實(shí)施過(guò)程和注意事項(xiàng)，增強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)意識(shí)，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力。

三、結(jié)語(yǔ)

洛陽(yáng)理工學(xué)院從2016年開(kāi)始在機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)和自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)設(shè)置機(jī)器人方向，2018年開(kāi)始正式招收機(jī)器人工程專(zhuān)業(yè)學(xué)生，通過(guò)持續(xù)不斷提升工程實(shí)踐能力培養(yǎng)的嘗試和改進(jìn)，學(xué)生整體的工程實(shí)踐能力得到大幅度提升，獲得企業(yè)高度評(píng)價(jià)。

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基金項(xiàng)目：本文系河南省新工科研究與實(shí)踐立項(xiàng)項(xiàng)目（2020JGLX078）、河南省高等教育教學(xué)改革研究與實(shí)踐立項(xiàng)重點(diǎn)項(xiàng)目（2019SJGLX150）和洛陽(yáng)理工學(xué)院教學(xué)研究項(xiàng)目（17JY33）的研究成果

作者簡(jiǎn)介：馮崇，男，河南駐馬店人，碩士，助教，研究方向：機(jī)器人工程;宋黎明，男，河南孟州人，助教，研究方向：人機(jī)工程;丁梧秀，女，山西運(yùn)城人，博士，教授，研究方向：教育教學(xué)管理。