基于OBE教育理念的工業機器人課程教學研究
——以應用型本科機械類專業為例

黃晨華，李湘勤

(韶關學院智能工程學院，廣東韶關，512005)

一、引言

2015年，國務院正式印發《中國制造2025》，為我國制造業的發展指明了方向，推動了相關行業及技術的交叉融合。為應對新一輪的科技革命和產業需求，培養符合國家戰略和社會需求的人才，教育部于2017年發布了《關于開展新工科研究與實踐的通知》等一系列開展“新工科”建設的文件，掀起了全國高校專業設置和專業改革的高潮。[1]2016年，東南大學創建國內第一個機器人工程專業，至2020年國內共有249所高校獲批建設機器人工程專業。[2]同時，越來越多的高校在機械類專業中新開設工業機器人課程，培養符合現代產業要求的人才。工業機器人是多學科交叉整合體，且在國內機械類專業本科階段開設該課程的高校較少，開課質量參差不齊，授課內容千差萬別，因此，有必要對工業機器人課程教學內容和方法進行深入研究。本文基于OBE(outcome-based education，基于成果導出的教育)教育理念，對工業機器人課程教學內容和教學方法展開研究，以提高該課程的教學質量。

二、工程教育認證與OBE教育理念

工程教育認證是按照認證機構對工科類人才培養的認證協議標準進行認證，由相同認證機構認證過的專業，其學位在國際上相互認可。目前，國際上被認可的工程認證協議標準主要有華盛頓協議、悉尼協議和都柏林協議。中國工程教育專業認證協會成立于2015年4月，于2016年6月正式加入華盛頓協議。[3]

OBE教育理念首先由William Spady提出，其核心思想是依據學生在學習結束時所要具備的能力，反向推導出必需的所有教學環節和教學活動，以支持學生所要具備的能力的培養形成。OBE教育主要包括以下四個環節。

第一，確定學習成果，即學習目標。這對教師而言是該課程的教學目標，教師的所有教學活動均基于這一目標開展；對學生而言是學完該課程后應獲得的能力。

第二，學習成果達成的方式，這對教師而言是如何使學生獲得學習成果，即各教學環節和教學活動。

第三，學習成果達成度評價，用合適的評價考核方法，以獲知學生學習成果的達成度。

第四，持續改進措施，對學習成果達成度進行分析，找出教學組織、教學活動中存在薄弱的地方加以改進。

以上四個環節構成一個閉環，以持續提高教學質量。

三、學情分析

(一)教學目標不明確

在機械工程、自動化、控制工程、計算機、電子信息等不同領域均有與機器人相關的研究與應用，但各領域的側重點不同。因此，不同專業的機器人課程的教學目標應有所不同。應用型本科機械類專業側重于應用，專業能力強調的是結構的設計、分析、制造及機器人在制造行業的應用、集成等。應著重培養學生對機器人核心零部件的設計、分析、制造能力，如機器人本體的設計、分析、制造等。由于機械類專業的學生專業知識結構所限，因此，機器人的控制系統研發不應為其學習的重點，但學生應該能理解其原理且能應用。目前，應用型本科機械類專業的機器人教學目標大多針對性不強，在實際實施中教學效果欠佳。

(二)教材建設相對滯后

近幾年來，國內出版了很多工業機器人方面的教材，這些教材大致可以分為兩類。一類偏理論，機器人的相關理論內容較深，對應用層次的機械類專業本科生而言比較“難消化”。另一類則過于強調應用，內容側重于機器人操作，機器人的相關理論的內容較少，對應用層次的機械類本科生而言，其理論內容過于單薄，學生“吃不飽”，此類教材較為適合于職業院校。目前，適用于應用型機械類本科生教學的教材較少。

(三)師資結構不合理

機器人是機械、電子、計算機、控制等技術的綜合體，同時其應用性也很強。目前，大多數高校開設工業機器人課程的主講教師，一些出自機械類專業，通過進修或培訓，轉為主講機器人課程，對機器人相關理論特別是對機器人控制等方面的理論知識掌握不深；一些出自自動化或電子或計算機專業，這類教師在機器人控制及編程方面理論知識豐富，但在機械結構及應用場景等方面知識短板明顯。

(四)學生知識儲備不足

機械類專業課程以培養學生結構設計與制造能力為主，主干課程主要包括理論力學、材料力學、機械原理、機械設計、機械制造技術等課程，雖然也有計算機類、電子類、控制類及算法類的課程，但往往課時較少，較難達到使學生具備運用這些知識解決問題的能力的目的。

四、基于OBE教育理念的工業機器人課程教學

(一)學習目標制訂

應用型本科高校應具備為區域經濟社會發展服務的能力，為行業企業技術進步服務的能力，為學習者創造價值的能力。[4-5]因此，結合機械類專業特點和能力要求，工業機器人課程學生學習目標為以下幾點：了解工業機器人發展歷史、現狀及分類；學會工業機器人的結構設計；理解機器人工作原理、控制方法；會編寫工業機器人應用程序；能根據現場要求，設計基于工業機器人的自動化生產方案。

(二)教學環節與活動設計

1.分解學習目標，確定教學模式

為使學生達到預定的學習目標，本文對學習目標相關知識點進行分解，設計相應的教學環節和活動。對“了解工業機器人發展歷史、現狀及分類”目標以學生自主查閱資料為主，教師只介紹機器人方面的最新成果和進展；“學會工業機器人的結構設計”“理解機器人工作原理、控制方法”兩個目標主要通過理論授課，結合學生自主學習來實現；“會編寫工業機器人應用程序”“能根據現場要求，設計基于工業機器人的自動化生產方案”兩個目標通過完成相應的實驗和創新性課題來實現。考慮到學情，在教學活動中還應對需要加強的知識點加以補充。教學環節與活動設計見表1。

表1 學習成果與教學模式對應關系

2.按學習目標安排教學內容

適合機械類本科專業的教材較少，本文選用清華大學出版社出版，由戰強主編的《機器人學》[6]作為基本教材，建議學生在學習過程中參考John J.Craig著的機器人經典教材《機器人學導論》[7]，教師在教學過程中補充教材中沒有，但學生在實際常用的內容，如機器人本體結構設計、機器人用減速器、軸承等，理論教學的主要內容如表2所示，實驗教學內容如表3所示。

表2 理論教學內容與學時安排

表3 實驗教學內容與學時

3.多種教學方法并舉，以提高學習成果達成度

一是自主學習。該方法主要應用在緒論部分，要求學生利用圖書館資料、網絡等，查閱有關工業機器人的國內外發展歷史、現狀水平及發展趨勢的文獻資料，調研目前市場上主流產品及工業機器人在企業中的應用情況，然后撰寫不少于5000字的綜合報告。學生通過自主查閱資料，對工業機器人最新的現狀有比較全面的了解，而不僅限于教材介紹的知識。

二是采用課堂與現場相結合的授課方式，采用小班授課，把理論授課安排在實驗室。由于工業機器人重量較大且操作有一定的危險性，不適宜放在普通課室輔助上課，因此，把實驗室做相應的改造，使之符合理論課的要求，這樣大大降低了學生學習相關知識的難度，比如教師在講到機器人結構時，可以現場指出并操作演示。機器人坐標系及其轉換、機器人D-H模型的建立等內容是課程的重點，也是難點。學生因以前沒有接觸過實際的機器人，理解起來比較困難，采用現場教學后，學生的理解難度明顯降低，保障了教學效果。

三是采用部分翻轉課堂的形式，為了使學生更好地理解與運動相關的理論知識，教師除了利用工業機器人做相關的實驗，還提供機器人實驗箱，讓學生可以按自己的興趣搭建不同形式的機器人，并寫出相應的控制程序。這部分內容只給出要求，學生利用課余時間完成大部分工作，并在課堂上提出存在的問題，全體師生一起討論解決，達到了很好的教學效果。

四是以專題講座的方式，解決師資力量不足、學生知識結構欠缺的問題。對知識跨度較大或主講教師不熟悉的授課內容，學院邀請專業教師以專題的形式講解，比如講到軌跡規劃時，其中牽涉路徑優化算法及程序實現，可以邀請計算機專業的教師，對這一主題開展講座。對學生知識結構上的不足，授課教師應在課前布置相應的自主學習任務，比如，在機器人動力學部分，學生對拉格朗日公式很難理解，教師應課前先布置學生復習相應的高等數學知識和理論力學知識。

五、多方面評價學習成果達成度，推進教學方法的持續改進

以學習成果達成度為指標，對教學方法持續改進。學習成果評價從兩個方面進行。一方面是直接評價，主要包括課堂回答、討論問題、實驗報告成績、完成的作業質量、結課考試成績等。其中，課堂回答、討論問題、實驗報告成績、完成的作業質量屬于過程評價，反映某一階段學習成果的達成情況，結課考試則評價學習成果總體達成情況。另一方面通過問卷調查的形式進行間接評價，通過超星學習通平臺發放問卷，讓學生對自己學習成果的達成度打分。學生對教師的評價直接采用學院每學期組織的學生評教數據。每個評價環節均應圍繞對應的學習成果進行，特別是在結課考試中，試卷的內容、題型應與學習成果的評價相對應。每次課程結束后，教師依據評價分數，分析教學活動中的各個環節，包括教學模式、教學內容、教學方式，找出不足，加以改進，形成持續改進閉環。學習成果評價方式如表4所示。

表4 學習成果評價

六、結語

隨著國內人力成本的上升，以工業機器人代替人的部分工作是大勢所趨。工業機器人在工業生產中發揮的作用越來越大，加快中高端工業機器人人才的培養是社會所需。基于OBE教育理念開設的課程，學生學習時目標明確，有利于激發學生的學習興趣，促進學生自主學習。教師教學時目標也很明確，有利于教師確定合理的授課內容，采用合適的教學模式。對專業而言，可以減少或消除“水課”，避免教學資源浪費，培養符合社會需求的高質量人才。