基于OBE教育理念的工業機器人課程建設與實踐

季 曄，馮 崇，李素芳，孫小撈

(洛陽理工學院 智能制造學院，河南 洛陽 471023)

自2012年以來，我國沿海地區出現了勞動力緊缺現象，這種趨勢逐步擴展到內陸，依靠人口紅利發展的行業將不得不做出改變[1]。為了改善現有生產組織模式，國內越來越多的制造業企業對工業機器人有了迫切需求，這一形勢催生了工業機器人教育和培訓行業的發展。國內本科院校開設機器人工程及相關專業始于2016年[2]，主要培養機器人機構分析與設計、系統集成、智能控制、視覺算法、軌跡追蹤等方向的工程技術人員。各高職高專院校開設的機器人專業主要培養機器人操作、維修、安裝與調試等一線崗位應用型技能勞動者[3]。工業機器人涉及數學、力學、機械等多個學科相互交叉、相互融合，最明顯的特征是高技術、高人才、高資金。當前，企業對這方面的人才要求是能夠熟練掌握相關專業知識，能對工業機器人的問題進行分析、解決，并結合相關流程進行二次開發和具備相關管理經驗，同時還能將軟硬件結合，盡可能降低運行成本，提高工作效率，但這種技術人才相當稀缺。當前，學校的重要任務是培養機器人方面的技術人才，使其能夠結合不同工藝實現相關流程的二次開發，進而開拓市場[4]。OBE(Outcomes-based Education)是基于產出導向的先進教育理念，由Spady等人于1981年提出[5]，此后經過10年左右的發展形成了比較完整的理論體系，是用于衡量工科本科教育質量的工程專業教育認證三大理念之一，國內許多高校已運用該理念開展課程教學[6-8]。工業機器人課程是本校機械電子工程專業的特色選修課，課程開設為學生畢業后服務機械設計與制造行業和洛陽智能裝備產業奠定基礎。課程具有多學科交叉、實踐性和理論性強等特點，內容包括機器人機構學、工業機器人機械結構設計、機器人控制理論、工業機器人傳感器、工業機器人編程等。

1 傳統課堂教學和考核方式存在的問題

第一，傳統課堂教學以講授為主，未突出學生的主體地位。教師習慣于單向灌輸式講授，課堂互動偏少。教學過程中忽視學生的反饋，學生思考空間不足，無法培養學生的自主學習能力和團隊合作能力。認證標準中畢業要求第九條明確提出了個人和團隊角色要求，在課程教學中沒有充分考慮學生的主體地位，沒有落實以“教”為中心向“學”為中心的轉變。第二，課程對自然科學理論要求高，部分內容理解難度大，學生容易喪失學習興趣。本課程綜合性強，涵蓋較多數學、力學理論，公式推導內容多，初學者理解難度大，若缺乏學習毅力，難以實現課程目標。與應用型為主的課程相比，枯燥的數學公式及其推導過程容易使學生喪失學習興趣。第三，試卷考核主要考查基本概念，難以體現OBE理念。OBE理念強調學生在學的過程取得什么效果，試卷考試往往是以教師為中心，體現的是教師對課程認識的體現。試卷考核題型主要有填空題、選擇題、判斷題、簡答題和計算題等，以考查基本概念和簡單應用為主，難以體現成果導向。第四，課程思政元素融入不足。課程思政強調全員、全程、全方位育人，在傳統教學中，尤其是專業課教學，關注的重點是本課程難點，很少考慮課程與社會、健康、職業規范等因素的關系。

2 畢業要求和培養目標分析

2.1 畢業要求

認證標準中的畢業要求共12條，本校機械電子工程專業將12條畢業要求分解為34個指標點。本課程支撐其中的3個指標點，A.工程知識：掌握機械工程基礎知識和機械電子工程專業知識，具有對機械工業自動化裝備領域復雜工程問題進行分析與解決的能力。B.問題分析：能夠運用數學、自然科學基本原理研究、分析機械工業自動化裝備領域復雜工程問題，并提出多種解決方案。C.使用現代工具：掌握機械工業自動化裝備領域復雜工程問題的工程計算、仿真、分析、預測、控制方法，并能在實踐中認識到相關工具的局限性。課程支撐指標點符合OBE教學理念，重點強調了對復雜工程問題進行分析與解決的能力。數學、力學等自然科學基本原理是解決復雜工程問題的基礎，工程計算、仿真和分析能力是指運用現代化軟件進行數學建模、編程計算的能力。

2.2 培養目標

本專業學生畢業后，通過5年左右的實踐，期望達到以下目標：第一，能夠將機械工業自動化專業知識與技能，結合人文社會科學知識，在社會可持續發展的理念下，解決機械工業自動化裝備領域的復雜工程問題；第二，擁有主動的、終生的學習習慣和能力，能夠主動跟蹤專業領域的技術發展，具備工程實踐和創新能力，運用前沿和創新技術從事機械工業自動化裝備的設計、研發和技術管理工作；第三，具備團隊合作能力、溝通能力和寬闊視野，進行項目管理和決策過程中，能夠積極主動地適應社會發展和環境變化，與團隊成員和社會有關各方有效溝通交流；第四，具備人文社會科學素養，能夠在工程實踐中遵守工程職業道德和規范，熟悉國家法律法規、行業標準，能夠積極主動地適應社會發展，具有社會責任感，堅持公眾利益優先。

3 學情分析

第一，工程實踐經歷少。現階段的學生學習了高等數學等自然科學類課程和部分專業基礎課程，對專業有一定認識，但對專業課程應用領域了解不充分。除金工實習外，學生實踐經歷和工程經驗較少。第二，習慣被動學習，主動思考不足。學生習慣于以往的學習習慣，教師講、學生聽的教學模式仍占主導。學生主動發現問題、提出問題并思考問題的動力不足。第三，職業規劃尚不明確。學生對繼續深造、就業、創業等未來思考和認識有限，崗位能力要求不清晰。職業規劃是一項長期復雜的系統工作，其本質在于培養大學生的職業意識和職業觀念，提升大學生的職業素養。高校在開展大學生就業指導時，需要結合社會主客觀因素和職業需求，在了解學生個體差異、性格、能力等各方面基礎上，幫助學生制訂行之有效的職業發展規劃，并在此基礎上提升大學生職業能力。大學生職業規劃貫穿于整個大學階段，需要利用大學課堂、專題講座、調查實習等方式開展個性化指導。

4 課程建設與改革實踐

4.1 提供參考書和論文期刊等資源供學生課下閱讀

教學中提出典型問題，學生課下查閱和自學，課堂上講述、討論資料查閱過程和學習結果，如機器人自由度計算及計算公式由來、工業機器人控制系統特點、強耦合非線性方程組求解方法等。

4.2 以案促教，學以致用

通過機器人真實應用案例，如SCARA機器人在電子工業、汽車工業中的應用，DELTA并聯機器人在食品行業中的應用，說明理論學習的必要性和重要性。公開展示運動控制程序代碼，加強學生對理論的認識。

4.3 通過虛擬仿真實驗增強學習效果

工業機器人運動學和動力學建模、計算理論難度大，為了保證學習效果，利用國家虛擬仿真實驗教學平臺讓學生理解課程內容，深刻感受理論在實踐中的應用，充分認識復雜工程問題。

4.4 融入思政元素

A.機器人技術發展史。引入機器人技術發展史，講解魯班制作的木鳥和諸葛亮的木牛流馬等中國元素。結合“中國制造2025”和我國大國重器等內容，培養學生愛專業、服務行業和社會的情懷。B.科學精神和工匠精神。機構位姿分析時需建立笛卡爾固定坐標系和運動坐標系，講解笛卡爾坐標系產生過程；機構速度分析時，需要建立雅克比矩陣，講解雅克比的人物生平；機器人傳感器介紹時引入霍爾效應，介紹物理學家霍爾；機器人控制理論講解時，引入錢學森所著《工程控制論》及人物生平講解，弘揚科學精神。機器人實驗和編程操作實訓環節，引入本市制造業企業中涌現的大工匠，激勵學生在工作崗位潛心鉆研科學和技術。C.我國典型的機器人及智能裝備。在緒論舉例時，讓學生通過視頻了解本市中信重工研發的消防機器人；介紹我國首個火星探測器“祝融”號；介紹深海探測機器人——“海洋一號”，激發學生學習動力，樹立專業自豪感。D.人工智能技術的意義。引入芯片制造難題，提醒學生關注行業痛點。通過工業機器人生產現場行業應用，讓學生認識工業機器人對環境、健康和可持續發展的影響；介紹工業機器人領域高新技術和工業機器人“四大家族”，擴展學生國際視野。

5 教學方法和考核評價

第一，采用多媒體與板書相結合的課堂教學，難度大的理論建模推導過程采用板書，利用MOOC和學習通等網絡教學資源，精選部分內容用于課堂教學。第二，采用項目教學法、分組討論法等多種教學方法，讓學生成為學習的主體。學生課下完成布置的任務，讓學生體驗如何講解和剖析問題，進一步喚起學生對課程的思考。第三，健全課程考核評價體系。增加實驗、課堂表現、課下任務完成情況、課堂任務講解等環節的考查，并計入課程考核成績。第四，課程采用模塊化教學。傳統的教學模式主要是以教科書章節編排為序，從前至后進行教學。模塊化教學在充分分析培養目標和學生能力要求的基礎上，打破傳統授課模式，整合教學內容，提高學習效果。課程分為機器人機械結構(機器人本體)、機器人機構學(運動學和動力學)、機器人控制系統、機器人傳感器四大模塊，各模塊之間既有聯系又相對獨立。機械結構模塊與機械設計課程結合、機構學模塊與機械原理課程結合、控制系統模塊與控制工程基礎課程結合、傳感器模塊與機械工程測試技術課程結合，這些課程的教學內容是本課程的學習基礎，機構學模塊和控制系統模塊是機械原理和控制工程基礎課程內容的提升。第五，鑒于課程特點，課程考核亦分模塊進行，其中機械結構模塊、控制系統模塊和傳感器模塊作為平時作業，加強教學過程考核，要求學生通過查閱資料獨立完成各模塊任務，適當增加課程學習難度。期末考核采用項目大作業形式，在規定時間內要求學生課下獨立完成機器人機構建模、仿真和計算等主要內容，并以科技論文形式提交報告。考核不再遵循試卷考核對教學知識點的面面俱到，課程其余內容在課下任務階段以查閱資料、作業和課堂講解的形式進行過程考核，課程考核目的旨在進一步提升學生解決復雜工程問題的能力。

6 持續改進

第一，進一步加強以學生為中心的教學方法運用，提升學生學習效果，實現培養目標的達成。以OBE理念為指導，完善課程教學過程。第二，充實線上教學資源，實現線上線下的混合式教學。進一步補充工業機器人相關的工程問題，穩步提升學生解決復雜工程問題的能力。第三，通過QQ群、微信群、公眾號等通訊手段關注畢業生各階段發展軌跡，利用假期進行畢業生走訪，與其所在單位領導及技術負責人溝通交流，了解其工作狀態，對學校建筑學專業培養計劃內容提出中肯意見。這種長期閉環的教學跟蹤，能夠及時發現教學中的不足，持續改進課程教學過程和考核內容。

7 結語

OBE理念在國內高校教學改革中廣泛應用，其指導下的課程教學是保證人才培養質量的重要方法和手段，引領工程教育的改革方向。根據工業機器人課程教學中存在的問題，分析了學生學情和課程支撐指標點，以提高學生解決復雜工程問題為目標，對課程建設、教學方法、考核方式進行了全方位改革。通過課程內容設計、教學方案構建、教學方法介紹、教學案例和教學效果評價，開展基于工程教育理念的工業機器人課程教學改革與實踐。實踐表明，教學改革后學生的課程專業培養能力達成度比以往有所提高，學生的學習方式更趨多樣化，更加注重學習過程與學習效果，提升了人才培養質量。