基于工程教育認證的《工業機器人項目綜合訓練》課程改革與探索

沈紅芳 印松 王廷軍

摘? ?要：基于工程教育認證，學生能力的培養如何實現？文章以《工業機器人項目綜合訓練》課程為例，通過調研企業的需求和需要解決的問題，以工程認證畢業要求為標準，制定了課程培養目標，選取幾種典型的工業機器人應用場景，構建以真實“工業現場”情境再現為特色的機器人綜合實訓平臺，并從課程目標、教學實施、考核方式等方面對該課程進行了改革與探索。

關鍵詞：工程教育認證;工業現場;綜合訓練;實踐平臺

中圖分類號：TP242 文獻標志碼：B 文章編號：1673-8454（2021）12-0073-04

一、引言

工程教育為全面建成小康社會提供了基礎支撐平臺，為全面建成現代化強國提供了戰略引領力量，也為人類命運共同體的發展提供了中國經驗[1]。工程教育認證的目標體現在教育改革方面就是：產出導向、持續改進、學生中心，并由此形成畢業標準12條要求[2]，主要任務是培養學生解決復雜工程問題的能力。而解決復雜工程問題能力的培養，關鍵字是“能力培養”。那么，如何實現上述能力的培養？這就要求課程教學能實現對畢業要求的支撐，考核評價能證明對畢業要求的支撐。本文以《工業機器人項目綜合訓練》課程為例，對該課程現狀、課程目標、課程教學、考核評價等方面進行了一系列的改革和探索。

二、課程現狀及需要解決的問題

《工業機器人項目綜合訓練》課程是我校機械電子工程專業重點建設課程，目前已申報成功“2019年度上海市教委本科重點建設課程”，是一門多專業基礎和多知識領域融通型的將經典理論學習與項目實踐及產業技術深度結合的課程[3]。本課程是在完成《機械設計》《液壓與氣壓傳動》《機電傳動控制》《機械工程測試技術》《機電控制技術》《工業機器人技術與應用》等課程的學習，并完成了“生產實習”之后進行的以實踐為主的綜合性的教學環節。

通過對工業機器人應用行業相關企業和用人單位的調查和反饋，我們整理出高校畢業生在實際崗位中遇到的一些問題：①缺乏行業特點的專業背景知識;②技術知識不扎實;③所學專業知識與工作需要脫節;④不了解相關行業法規標準知識;⑤動手實踐能力薄弱;⑥自我管理能力較差;⑦上崗培訓周期長。

上述問題反映出在教育實踐中，學生的能力培養沒有滿足現代工業要求，學生的工程能力以及自主性、創造性沒有得到充分的發展。究其原因，一是相較于近年來國內機器人產業所表現出來的爆發性發展態勢，高校、職校等機構的課程教學相對滯后。二是忽視了工業機器人在工業現場的實際應用場景，以及對工業機器人應用能力和技術的培養。三是單一課程實驗由于時間的限制，演示性、驗證性較多，且過多依賴理論的教學方式，嚴重影響了學生學習積極性和主觀能動性的發揮。[4]

三、課程目標設定

根據上述企業調查結果，對照《工程教育認證標準（2017年11月修訂）》中畢業標準12條要求，圍繞培養目標和全體學生畢業要求的達成，設定本課程所要達成的目標，具體如表1所示。

四、課程教學改革

課程教學是實現畢業要求強有力的支撐，圍繞表1中6項課程目標的要求，在課程教學設計上，以項目為中心，選取了幾種典型的機器人應用場景，創建以“工業現場”為特色的實踐教學平臺開展項目設計，以學生為主體、成果為導向、教師為引導實施教學過程。

1.教學內容持續改進

作為一門工程性、綜合設計性強的實踐課程，《工業機器人項目綜合訓練》課程融合了前期所學的多門專業課程知識。比如，一套三工位物料分揀流水線的系統集成了以機器人為主體、流水線、傳感器、驅動及傳動裝置、氣動系統等為外圍設備的多門相關專業課程的知識。通過完成項目任務，可以將單一的知識點進行有機融合，形成一個有效的知識體系，培養學生專業知識能力和工程實踐能力。

通過搭建典型的工業機器人工業現場的實踐平臺，使學生了解真實的行業背景及相關行業標準，培養其工程素養，使其能盡快適應崗位要求。隨著學生規模的擴大，對設備臺套數的需求增加以及對真實場景再現的需求，需要指導教師不斷學習和跟蹤現代企業生產過程，改進和增設項目平臺。目前，除了原有的三工位物料分揀流水線系統：主體由兩臺Fanuc機器人和一臺ABB機器人組成（見圖1）和雙協作裝配機器人（見圖2）：主體由兩臺ABB機器人組成的實踐平臺外，又在原來一套單一的Fanuc并聯機器人搬運平臺的基礎上[5]，增加了另一臺UR機器人及視覺系統的應用，改建成雙協作鍵帽裝配機器人（見圖3）的實踐平臺。

以雙協作鍵帽裝配機器人實踐平臺為例，平臺硬件構件、項目要求和需要完成的任務如下：

（1）平臺硬件構成：如圖3所示，該平臺由一臺Fanuc并聯機器人與一臺UR機器人、西門子PLC1500控制器、流水線、待裝配的鍵盤、鍵帽、電源、機械架構等組成。

（2）項目描述：將傳送帶上送來的鍵帽安裝到鍵盤相應位置。

（3）具體任務要求：在連續工作模式下，人工將鍵帽上料于傳送帶;待傳送到位后，機器人A（Fanuc）啟動視覺系統，識別鍵帽字母;將傳送帶上的鍵帽拾取并放置于指定位置的槽中;待機器人A回歸原位后，機器人B（UR）取下鍵帽，并將其壓裝入鍵盤的相應位置;重復以上任務;采用機器人對以上任務進行操作，執行器為吸盤;采用PLC+機器人的控制結構，PLC通過IO并口與機器人A通信，通過Profinet總線與機器人U機器人B進行通訊;通過觸摸屏編程實現人機界面，要求包括啟動、停止、轉速顯示、當前狀態等信息;利用仿真軟件對機器人的工作過程進行仿真。

2.教學過程實施

以完成上述任務為例，學生首先要對項目進行分析、方案設計;其次需要以團隊的形式在3周內分工合作完成：①工業機器人的操作和運動軌跡示教編程及調試;②利用虛擬仿真軟件Robot Studio對上述運動過程進行運動仿真;③西門子PLC1200/1500控制器程序編寫及調試;④與HMI組態、編程調試;⑤末端執行器的選擇和安裝;⑥氣動系統的設計;⑦流水線機械結構設計等，最終要完成項目報告并參加答辯考核。

具體實施措施：

（1）以學生為主體：建立課程網站，通過課程網站的建設，實現將豐富的課程資源通過網絡信息平臺進行共享;向學生提供錄像與視頻觀看課程資源;進行相關知識準備。

（2）以教師為引導，實行過程跟蹤：本課程安排在大四上學期的后半段，為期3周。實訓開始前，各項目組要先進行項目方案的預答辯，以保證項目的順利開展。在實訓期間，每天都由具有工程背景的專業教師跟蹤學生在實驗室的實踐過程，以便實時處理各種應急狀況，進行實踐指導，保障操作安全。

（3）以成果為導向：在項目完成后，完成項目報告，進行項目匯報，答辯考核。

（4）評選驗收成績高的團隊為全體學生演示設計的成果，促進全體學生持續改進。

以上教學過程的實施，有助于培養學生基于項目和任務的主動學習方法以及進行問題分析、設計開發和使用工具的專業能力;培養其安全意識、責任等工程素養以及溝通、團隊合作、終身學習的發展能力。

3.課程考核改革

成果導向教育（Outcomes-Based Education，縮寫為OBE），強調以學生的預期學習成果為核心，關注教育的產出結果和產出[6]。基于面向產出的理念，課程考核由原來簡單的“平時考勤+答辯+實驗報告”的方式改為采用工程實踐方法，結合項目要求，采用全程跟蹤與進程式評估，注重過程考核及成果導向評價。主要考核全體學生獨立鉆研、團隊合作、分析問題和解決問題的工程實踐能力及全面的綜合素質能力[7]。

（1）建立考核預審機制，確保考核內容和方式與課程目標有效關聯。

（2）考核評分：以成果為導向，對學生最終實踐成績給予評價。考核評分由平時成績、實驗報告和項目匯報三部分組成。

①平時成績：通過平時跟蹤，考察學生在設計開發方案、操作技能、使用工具、獨立完成及團隊合作等方面的能力。

②實驗報告：考察學生獲取相關技術資料，撰寫實驗報告和系統操作說明書，利用工程項目管理的思想進行方案設計、任務分工與協作、進度控制及項目調試與驗收等的能力。

③項目匯報：在規定時間完成實訓任務后，每位學生需要提交一份設計方案及詳細的實施報告，以團隊為單位考核其完成一個完整項目任務的情況。同時對每位學生分工負責的部分進行現場答辯，考查其對專業知識的掌握程度、對指定任務的完成程度、對完整任務的貢獻度以及表達能力和創新能力的程度。

考核最終結果將根據學生講解設計思路、現場答辯及項目報告等，由多名指導教師給出驗收成績。

（3）考核評分構成見表2，以表2中個人與團隊評價為例，考核評分標準如表3所示。

五、結語

本課程自2014年起開設，隨著實踐平臺的不斷開發與建設，學生可以接觸到更多的應用場景。由于工業現場特色的場景更接近工程實際，學生的學習興趣和主動性得到充分發揮，尤其是需要綜合應用前面所學的各單科知識以及獲取新的知識，往往表現出較強的進取心、好奇心、求知欲以及獨立思維能力、邏輯判斷能力和舉一反三、觸類旁通的能力。

在學生們的項目總結報告中，往往都用了 “獲益匪淺”“雖然很累，但是很值得”“感謝這次實踐，感謝老師”“團隊成員給了我很大幫助”“堅持不懈、有勇氣和信心去解決遇到的問題”等詞語表達自己內心的感受，也證實了開展以學生為中心、以成果為導向、以項目為主線的教學方法，有助于課程目標的達成。后續將考慮企業的深度參與，創建更多的實用情境，使課程質量得到持續改進和提升。

參考文獻：

[1]吳巖.新工科：高等工程教育的未來——對高等教育未來的戰略思考[J].高等工程教育研究，2018（6）：1-3.

[2]顧佩華.新工科與新范式：概念、框架和實施路徑[J].高等工程教育研究，2017（6）：1-13.

[3]周萌，曹政才，吳啟迪.新工科背景下基于“五位一體”的機器人技術教學改革研究[J].高等工程教育研究，2020（4）：66-70.

[4]王曉華，王杰，李海燕，等.高校開放實驗室建設的探索[J].實驗室研究與探索，2013，32（9）：219-221+254.

[5]印松，唐矯燕.工業機器人綜合訓練平臺[J].實驗室研究與探索，2016，35（2）：55-58.

[6]邱竹，張根華，錢斌.OBE視角下地方應用型本科專業建設標準體系研究[J].大學教育， 2020（12）：17-19.

[7]王常順，潘為剛，張廣淵，等.新工科背景下應用型本科院校電類專業實踐教學體系改革[J].科技風，2020（20）：43-44.

（編輯：李曉萍）