應用型本科機器人工程專業課程教學改革實施方案探索

竇耀，張玉鳳，玉尖香，朱慧

（江蘇師范大學科文學院，江蘇徐州 221000）

隨著我國經濟社會快速發展，為應對技術革新，各行業都處于產業升級和技術突破階段。2021年12月，工信部、國家發展改革委等15個部門印發《“十四五”機器人產業發展規劃》，提出到2025年，我國將成為全球機器人技術創新策源地、高端制造集聚地和集成應用新高地；2021年12月，工信部、國家發展改革委等8部門印發《“十四五”智能制造發展規劃》，提出到2035年，規模以上制造業企業全面普及數字化。機器人工程專業為社會提供專業的復合型技術人才，兼具工程實踐能力、創新能力，各高校在新工科背景下，積極推動機器人工程專業建設，促進我國產業技術升級，具有重要意義。

機器人工程專業涉及不同學科知識，是融合電氣、機械、控制、通信、傳感等于一體的交叉學科。在此過程中，需要將傳統的自動化專業課程與機器人行業知識相結合，建立完整的面向實踐、面向工程、面向企業生產應用的課程教學體系。該體系中專業基礎課程理論要求高、課程綜合性強、難度系數大[1]。目前各高校對于機器人工程專業的課程教學和人才培養仍然處探索階段，在實際教學過程中存在如下問題：

（1）培養目標不夠明確。機器人工程肩負著新工科建設和交叉學科建設“內涵和外延協同發展”的重要任務，其研究定勢、學科定位、課程邊界、知識結構均沒有規范化，不僅如此，各高校基于專業特色及學科發展，對于機器人工程的專業定位也不盡相同，其分屬院系包括機械學院、自動化學院、計算機學院，甚至以該專業主體單獨作為一個二級學院，專業特色不夠明晰，培養目標凝練不足。

（2）課程結構不成體系。各高校對于機器人工程培養目標定位不同，導致課程設置大相徑庭，人才培養方案中的通識課、專業基礎課、專業主干課、專業選修課、實踐課設置不合理，課程學分及課時設置比例不協調，部分課程與企業生產實踐脫鉤。

（3）師資力量和教學資源不夠集中。目前部分開設機器人工程專業的高校在專業建設中基本采用其他相近專業的師資力量與教學資源，如各類實踐課程教學平臺與其他專業共用、師資配比不足、專業教材不成體系、教學管理制度不夠完善，難以完成既定人才培養目標。

本文以應用型本科院校機器人工程專業及相近學科專業人才培養方案為理論支撐，以培養新工科高等教育人才為目標，遵循學科發展和人才培養規律，積極探索機器人專業課程教學改革實施方案，提出加強項目驅動式課程的學生實踐能力培養、形成具有鮮明特色的專業課程體系、通過多元化教學方式改善機器人專業課程教學效果三項課程教學改革方案，為促進應用型本科技術人才教育提供理論依據。

1 各高校機器人工程人才培養目標

根據各工程類企業人事聘用相關要求，對研究型本科院校、應用型本科院校、高職高專院校的人才培養目標和內容作了不同界定，具體見表1，其中，應用型本科院校機器人工程專業培養目標為既要完成研究型人才的部分學習研究能力培養，又要兼顧技能型人才的部分相關技能提高[2]。基于此，應用型本科院校機器人工程專業人才培養定位下的學生在畢業時預期應達到如下目標：

表1 不同類型高校針對機器人工程專業人才培養目標區別

（1）具備較強的人文知識素養，遵守企業制定的行業標準和職業道德，積極參與生產勞動，了解與本專業相關的法律、法規知識，熟悉各相關部門出臺的有關方針、政策。

（2）能在生產、操作、運維等方面，通過自身所學的專業知識和實踐技能，解決崗位面臨的工程應用問題，掌握設備及生產運行原理，能夠提煉出新知識、新方法，具有核心競爭力。

（3）基本掌握一門外國語，能夠緊跟本專業領域的前沿科技，具有一定的文字功底和語言表達能力，可以熟練操作計算機，至少掌握一種仿真工具的實用技能[3]。

（4）掌握檢索國內外文獻、查詢書籍資料及運用現代信息技術獲取行業知識的基本方法，能夠應對行業和企業產業技術升級的挑戰，具有終生學習能力，不斷提高自身的理論水平和實踐能力。

基于此，應用型高校在修訂機器人工程專業的人才培養方案時，應根據專業特色、教學大綱、學生基礎等因素優化教學目標、教學內容、教學方法等方面的細則，以適應市場需求變化，具體人才培養目標如下：以培養應用復合型人才為主導，兼顧創新型人才培養目標，具有良好的職業道德，具有較強的身體和心理素質，富有進取精神與創新能力。能夠使用數學、計算機等工程類輔助工具，具備扎實的機械、電氣、信息、控制、計算機、人工智能算法等多學科交叉基礎知識，系統地掌握機器人有關技術的基礎理論和專業技能，憑借查閱文獻及實地調研等手段，可以對復雜工程實踐問題進行系統化建模和仿真處理，并獲得有效結論[4]。

2 應用型本科高校機器人工程專業課程教學改革具體方案

2.1 加強項目驅動式課程的學生實踐能力培養

在實驗、實訓、課程設計、實習等實踐類課程中，充分發揮實踐課程對學生專業素質和實踐能力培養的作用，樹立“面向實踐、面向生產、面向企業”“以企業生產為導向”“增強服務意識、加強專業能力”等相關教育理念，提高項目驅動式課程的含金量，即參照企業項目工程進度和管理要求，進一步明確學習目標[5]，如表2所示，以某一機器人本體為研究目標，將其中具體的研究對象如機械設備、控制器、傳感器、編譯程序等課程內容分解到各課程項目中，形成一系列具有項目驅動式課程的課程群，最終達到提升學生實踐能力的培養目標。

表2 項目驅動式課程項目設計范例

以理論教學為基礎和以實踐操作為載體的創新能力培養是高等院校新工科教學改革的重要特征，課程群的建立增強了理論和實踐教學之間的知識結構連接關系，使不同課程之間的知識體系銜接得更加緊密，課程資源更加豐富，達到理論教學與實踐教學相互滲透、融合并重的教學效果，通過完成一系列課程項目，提升了學生對理論知識的理解，同時也培養了學生的職業素養。

2.2 形成具有鮮明特色的專業課程體系

專業課程體系的建立，需要滿足一系列的軟硬件條件并通過專家的審議及評估，這其中包括課程大綱的編寫和修訂、企業參與人才培養方案的設計、實驗室提供配套設施、畢業條件中對于各課程的具體要求等，同時，還需要考慮各課程之間的連接關系和知識邊界，形成分層次、有內容、相互協同的知識體系，如圖1所示，機器人工程專業相比傳統相近專業的知識邊界，其具體內容更加豐富，應用場景更加廣泛，最終形成由“通識課、專業基礎課、專業主干課、專業選修課”構成的理論課程體系[6-7]，形成由“實驗、實訓、課程設計、生產實習”構成的實踐課程體系，形成包含“項目驅動式課程教學、企業參與過程培養、豐富的課程群建設”的人才培養課程體系，構建出“專業知識、學習能力、綜合素養”協調發展的人才培養目標。

圖1 機器人專業與傳統相近專業知識邊界對比

2.3 通過多元化教學方式改善機器人專業課程教學效果

2.3.1 利用數智化課程資源，提升理實一體化教學效果

引入虛擬教學場景、VR虛擬樣機、AR遠程專家系統等數智化教學系統，不斷加強現實與虛擬現實技術（AR/VR）在高校機器人專業實踐教學中的應用。采用“網絡教學資源+教學平臺直播+學生教學效果反饋數據”相結合方式，活躍課堂氛圍，提升機器人專業課程理實一體化教學效果[8]。運用在線教學平臺收集的教學過程大數據資源，分析機器人專業教學過程中的重難點，在線上教學期間，線上教學成為常態化教學的一種模式，微課、慕課等數智化課程資源更是被充分運用在各類課程的教學環節中，體現了現代信息技術在機器人專業教學過程中的發展和應用。

2.3.2 加強專業課程教學模式改革，推動創新能力發展

當前機器人專業教學模式還在探索階段，各高校需進一步整合資源，加大對專業建設的投入，立足地方實體經濟產業，依照地方產業需求，積極開展校企合作共建，加強產教研實習基地建設，構建具有企業生產特征的專業課程體系，形成應用型企業合作辦學培養模式,如圖2所示，該課程體系以機電類課程為知識架構基礎，以機器人系統集成為專業方向，形成帶有鮮明機器人元素的課程體系。同時，在人才培養方案中增加科研訓練、創新活動課程及相應學分，打破學科專業限制，開展大學生創新創業計劃，讓學生不斷樹立創新意識，培養創新實踐能力。

圖2 機器人工程專業課程體系簡圖

2.3.3 改進課程考核標準，增強學生綜合能力和團隊協作能力

參照企業項目生產和研發流程，建立較為完善的課程考核標準，根據“市場需求分析-可行性分析-技術報告-產品說明書”項目生產研發過程整體思路[9]，綜合評價學生在教學過程中的學習能力，提高實踐教學過程中學生“實際作品完成度”考核占比，增加“團隊協作”考核模塊占比，鼓勵學生積極爭取“思維創新”考核分數，形成“構思-設計-實踐-檢驗”的教學理念。不斷加強專業課程內容配套實踐訓練，如單片機及嵌入式系統實訓、電氣控制及PLC技術綜合實訓、計算機輔助設計軟件實訓、工業機器人裝調實訓、機器人集成應用綜合實訓、電子技術綜合實訓、機電系統綜合實訓[10-11]等，切實符合行業生產要求。

2.3.4 完善實踐教學平臺，夯實“機器人+”智能化資源基礎

對機器人工程專業實驗室進行充實和拓展，依托無人機、AlphaGo、機械手臂、3D打印機、特種加工機器人、機器視覺設備等具備智能化控制技術的實驗設備[12]，使教學實驗、實踐環節符合實際應用場景，完善工業機器人實踐教學環境，同時通過“機器人+”智能化基礎，增強學生學科競賽能力，鼓勵學生參加高質量大賽，如全國大學生機器人大賽、中國高校智能機器人創意大賽、“西門子杯”中國智能制造挑戰賽、“圓夢天使”杯國際空中機器人大賽[13-14]等，引導學生了解機器人系統代碼編譯開源化、機器人硬件設備控制模塊化，提高學生就業核心競爭力。

3 結語

綜上所述，應用型本科高校應積極探索適合本校專業特色的課程教學改革實施方案，面對培養目標不夠明確、課程結構不成體系、師資力量和教學資源不夠集中等教學問題，應大力推動機器人工程專業建設，努力構建面向實踐、面向工程、面向企業生產應用的課程教學體系，大膽嘗試如以項目驅動式課程促進學生實踐能力培養、形成具有鮮明特色的專業課程體系、通過多元化教學方式改善機器人專業課程教學效果等課程教學改革方案，促進學生專業能力和綜合素質全面發展，為社會培養具有專業實踐能力的優秀人才。