新工科背景下專業導論課程項目制教學改革與實踐*

摘" 要" 新工科背景下，專業課程教學對于學生工程實踐能力的培養提出新的要求。以專業導論課程為例，對教學模式和考核方式進行改革，通過項目制的工程實踐訓練，開啟專業實踐的啟蒙教育，能夠加深學生對所學專業和職業發展前景的了解，明確努力方向，培養學生創新精神和協作能力。

關鍵詞" 新工科；專業導論；項目制教學；TinkerCAD；機器人

中圖分類號：G642.0" " 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2022）10-0089-03

0" 引言

隨著“中國制造2025”戰略的實施，為加快工程教育改革進程，推進新工科建設與發展，教育部啟動開展新工科研究與實踐項目。由河南科技大學牽頭的“‘新工科’背景下地方院校校企協同育人模式創新與實踐——以機械類專業為例”成功入選教育部首批新工科研究與實踐地方高校項目，并從2018級開始實施“固高機器人技術創新實驗班”計劃。機器人實驗班項目的實施目的在于主動優化自身學科專業布局，促進多學科交叉，實現工科與其他學科的交叉融合，對接地方經濟社會發展需要和企業技術創新要求。

根據新工科建設培養學生解決實際工程問題和創新能力的要求，對專業培養計劃進行修訂，在大一的專業導論課程中設置專業實踐項目環節[1]。通過增加專業實踐項目，開啟機器人實驗班專業實踐的啟蒙教育。目前已經進行兩輪實踐教學，以下就教學過程中的一些做法進行介紹總結。

1" 教學環節設置

專業導論課程的主要目的在于讓大一新生在入學伊始，就對機電工程學科的前沿知識、行業現狀、熱點問題和未來發展趨勢有明晰和整體的了解，通過本專業的培養計劃介紹，做好個人學業規劃，明確職業發展前景和努力方向[2]。目前，導論課的教學內容主要分成專題講座和實踐環節兩部分。專題講座主要是邀請校外專家、知名校友進行的有關機電工程領域學科前沿知識專題講座，同時對專業培養計劃、課程設置、人才培養目標和畢業要求進行介紹。此外，基于工程教育認證“學生為中心、成果為導向、持續改進”的基本理念，導論課程專門增加實踐項目環節，旨在通過一個具體的機器人控制項目，揭開專業的神秘面紗，培養學生的專業認同感和團隊協作能力。

對于實踐項目環節主要從以下三個方面考慮進行設置：

1）能調動學生對專業學習的興趣，專業方向特征明顯；

2）符合大一新生知識背景和專業認知水平，培養學生動手能力，并且難度適中、易于推廣；

3）以此為起點，開展機器人專業實踐的啟蒙教育[3]，并且能夠與本專業的后續實踐環節實現相互銜接。

經過教研室討論決定專門設置“巡線機器人設計制作”項目來開展項目制實踐教學，期望利用機電學院“雙創”基地的硬件平臺，給學生提供實踐場所，開展相關機械設計、加工、裝配、調試等工程實踐能力訓練，使得學生通過典型的巡線移動機器人項目，對機電一體化系統的機械結構、軟硬件控制有最初步的認知和體驗。從大學一年級開始培養學生機器人控制的大系統概念，在基礎知識培養階段著力解決學生工程能力缺乏的核心問題，隨著專業課程的學習，逐步加深學生對工程教育的認知。比如在大三、大四學期專門設置有機電測控系統設計、機器人結構和驅動系統設計等課程設計任務，多個實踐項目前后銜接，共同打造全周期范圍內的工程能力訓練培養環節。

2" 課程實踐項目實施

如今人工智能、機器人等方向非常熱門，新入校的學生在機器人創新班選拔報名時非常積極，對于選擇機器人方向有比較高的學習興趣。但是由于高考學業壓力大，多數學生在高中階段沒有進行信息技術課程有關軟件編程內容的學習，缺乏專門的編程訓練，加上教學學時、師資限制，無法手把手地專門進行編程能力的教學。因此，導論課的實踐環節要結合學生特點，選擇一個學習難度合適的軟硬件學習平臺開展項目制教學，目的是著重培養學生解決工程問題的初步能力。

TinkerCAD是由Autodesk公司開發的集3D建模、電子電路設計以及編程等功能為一體的在線免費平臺，用戶可以通過瀏覽器登錄網站，在線實現3D打印建模、電子電路仿真調試、Arduino程序仿真等功能[4]。系統還提供網上教室功能，教師可以創建網絡課堂并分享課堂鏈接代碼邀請學生加入，可以在線發布作業、查看和修改學生設計、管理學生活動。其中Arduino控制電路仿真提供Scratch代碼塊拖動編程和文本代碼兩種模式選擇，降低了學習門檻。

在導論課程教學過程中，課程實踐分成平時項目制教學項目作業和最終巡線小車項目考核兩大部分，所有任務都借助超星學習通系統進行發布。平時項目制教學項目主要由表1所示六個基礎任務組成，主要目的是通過Arduino相關外圍模塊的使用，讓學生快速掌握機器人控制的實質，重點是激發學生創新應用能力并提高軟硬件調試水平，感受機器人專業方向的魅力。要求利用TinkerCAD系統的Arduino仿真調試環境，完成項目制教學項目作業，學生可以根據自身編程能力實際，分別選用Scratch或者文本代碼模式實現，并提交報告和錄制視頻，上傳學習通系統。

最終的巡線移動小車實踐項目根據項目機電一體化特征，分成機械結構設計和控制系統設計兩個任務分別進行考核，各自任務指標要點及資料提交要求如表2所示。

本項目任務要求：3～4名學生組隊分工合作，協同配合完成智能巡線小車的自主設計、組裝、調試，實現巡線移動的功能，并可以創新功能實現。學生利用TinkerCAD平臺或者SolidWorks軟件，進行小車底盤及外形設計，完成Arduino控制電路的搭建和模擬調試，提交設計報告等項目資料。

項目機械機構設計及制作時，學生根據小組項目的實際情況，提交設備使用申請報告，申請使用學院“雙創”基地的激光切割、線切割、3D打印機等設備，同時申請提供工訓大賽的賽場進行現場調試。項目實施過程中提出價格與性能兼顧的工程實現思想，要求學生統籌考慮，并在最終的報告中說明項目的最終成本。

提交控制系統設計方案的目的在于考查學生對于智能小車電機驅動控制基本原理的理解，能夠分析傳感器布局的不同形式和性能特點，在此基礎上創新發揮，添加其他傳感器，實現相關功能（如音樂播放、走迷宮、障礙識別、定點停車），并在項目考核時進行特別展示說明。

項目實施前，教師將任務及實施方案發給學生，所有這些訓練任務大多放到課外，讓學生自主完成。通過項目制教學實踐，將機器人機械結構設計和軟硬件編程控制的高度融合實質理念傳遞給大一新生，并且能夠與后續的Python課程、ROS機器人控制、機器人創新設計等專業課程及實踐環節有效銜接起來，充分體會機器人控制的實質內涵，激發、培養學生學習機器人編程調試的興趣。通過一系列相關課程學習和實踐環節的導入，實現對新工科機器人方向學生的控制思維啟蒙，激發學生對機器人專業的學習興趣。

3" 課程考核

課程考核環節分兩個部分：平時作業和項目答辯現場考核，各占50%。

平時作業成績評定主要通過提交的報告和小視頻來考查學生對于機器人控制的理解，教師可以直接在線進入學生TinkerCAD賬戶，根據學生仿真電路功能實現和軟件代碼編寫情況，完成平時成績的考核。

最終的項目答辯考核，要求學生通過PPT形式介紹各小組的設計思路，分別從機械結構和控制功能調試兩個方面匯報零部件3D設計、虛擬裝配、材料選擇及加工制作、控制電路調試等主要過程。同時，以小車巡線追蹤比賽的形式進行實戰演示，由任課教師和教研室教師觀摩現場比賽，最終根據小車設計方案的合理性和創新性、成本造價以及實際比賽成績進行點評打分。

根據河南科技大學“一系一賽”的特色，2022年的專業導論課程實踐環節還是以“機電杯智能小車大賽比賽”的形式，開放報名活動，吸引全院學生參加。通過導論課程的項目制教學環節，培養學生創新創業的意識，提升工程設計能力水平，使學生在團隊協作中感受作為團隊成員的責任與義務，深刻體會團隊協作的重要性，為學生今后參加“工程訓練大賽”“RoboMaster大賽”等科技創新競賽打好基礎。

4" 結束語

兩年的新工科專業導論課程教學實踐證明，大學生工程實踐能力的培養要在大學四年全周期范圍內設置，隨著專業課程的學習進展逐步加深完善。實踐項目的設置要與創新能力培養相結合，提供切合專業特色的訓練方式，與后續專業課程體系有效銜接，融入整個培養計劃內，保證所設置環節的連貫性，為新興經濟發展提供人才和智力保障。今后的教學實踐應發揮好導論課程對專業啟蒙教育的作用，繼續貫徹OBE（成果導向教育）理念，不斷持續改進。

參考文獻

[1] 張谷令，陳笑，鄒斌.PBL教學模式下的光電專業導論課程教學探索與實踐[J].科教導刊，2021（1）：60-61.

[2] 張穎，喬貴方，黃家才.機器人學導論跨專業選修課程教學改革與實踐[J].中國教育技術裝備，2018（20）：72-74.

[3] 馬向華，朱麗，趙懷林，等.基于復雜工程的機器人專業創新實踐教學模式探究[J].中國現代教育裝備，2020（23）：83-85，91.

[4] 王凡，程羽佳，彭芳，等.“互聯網+”下電子創新設計在線課程實踐研究[J].現代計算機，2021（18）：133-137.

*項目來源：河南省高等教育教學改革研究與實踐項目“地方高校機械類新工科的歐林項目制校企協同創新型人才培養改革與實踐”（基金編號：2019SJGLX075）；河南省新工科研究與實踐項目“立足辦學優勢與特色探索與實踐傳統機械類專業改造升級建設路徑”（基金編號：2020JGLX022）；河南科技大學教學研究改革與實踐項目“基于項目導向與任務驅動的專業核心課程群建設與改革”（基金編號：2019YB-015）；河南科技大學教育教學改革研究與實踐項目（創新創業教育）“‘新工科’建設背景下的機械類卓越創新人才培養模式的研究與實踐”（基金編號：2020CX-01）。

作者：李向攀，河南科技大學，講師，研究方向為康復/輔助機器人與人機交互技術；彭建軍，河南科技大學，講師，研究方向為流體傳動與控制；王軍華，河南科技大學，講師，研究方向為金屬材料增材制造；仲志丹，河南科技大學機電工程學院副院長，副教授，研究方向為工業自動控制系統與先進能源技術（471003）。