基于OBE理念的機器人工程專業實踐教學體系的構建

蘇學滿 劉玉飛 江本赤 孫麗麗 黃勝洲

DOI：10.3969/j.issn.1671-489X.2023.14.141

摘? 要? 基于工程教育專業認證 OBE（Outcome based edu-

cation，OBE）理念，確立了實踐教學環節的能力目標。結合新工科專業特點，以滿足地方戰略性新興產業人才需求為專業目標，依據學校“造出來—動起來—用起來”能力產出的培養模式及專業建設思路，構建實踐性教學環節課程體系，對地方應用型本科院校機器人工程專業的人才培養具有一定的參考意義。

關鍵詞? 機器人工程；OBE；工程教育；新工科；實踐性

教學

中圖分類號：G642.44? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2023）14-0141-04

Construction of Practical Teaching System of

Robot Engineering Specialty Based On OBE Con-

cept//SU Xueman， LIU Yufei， JIANG Benchi， SUN

Lili， HUANG Shengzhou

0? 引言

截至2021年，中國工業機器人市場已連續八年

穩居全球第一。近5年來中國工業機器人產量增長迅速，從2016年的7.2萬臺增長到2021年的36.6萬

臺。《“十四五”機器人產業發展規劃》[1]指出，在新的發展時期，將我國建設成為全球機器人技術創新的策源地、高端制造的集聚地和集成應用的新高地。《中國制造2025》[2]明確了制造升級的發展方向，工業機器人是重中之重。隨著中國制造業的轉型升級，機器人將成為制造業全面實現智能化的關鍵裝備。據《制造業人才發展規劃指南》[3]統計，我國目前機器人的產業供求比例為1∶10，工業機器人產業人才缺口在300萬左右，預計到2025年將突破450萬。作為新興產業的特殊人才，工業機器人專業人才的需求已出現明顯結構性短缺，成了產業發展的致命傷。國家蕪湖機器人產業園已落戶機器人企業120余家，形成關鍵零部件、工業機器人、特種機器人、機器人系統集成、智能裝備全產業鏈集聚發展態勢。但隨著機器人項目的快速增長，人才的持續需求存在很大的缺口。

2016年，東南大學最先開設機器人工程專業；2017年，共有25所本科院校開設機器人工程專業；2018年又增加了60所本科院校；2019年再增62所；2020年、2021年分別新增53、21所。機器人工程專業作為新工科（Emerging Engineering Educa-tion，3E）建設專業將為戰略性新興產業——機器人產業提供人才支持和智力支撐。由于機器人工程專業是新增專業，并且具有多學科交叉的特點，各院校依托專業背景不盡相同，導致機器人工程專業建設與人才培養沒有形成統一的模式，仍處于探索階段。

2017年，安徽工程大學開始機器人工程專業招生，肩負著為蕪湖機器人產業培養具有社會責任感、創新精神、創業意識和實踐能力的機器人產業高素質應用型人才的使命。如何培養能從事機器人關鍵技術研究、整機開發、關鍵零部件研制、機器人集成應用的高素質應用型人才是亟待解決的課題。而實踐性教學是人才培養的關鍵環節。如何構建實踐性教學體系是保證教學目標達成的重要

手段。

1? 新工科背景下，實踐性教學環節的重要性

新工科是基于國家戰略發展新需求、國際競爭新形勢、立德樹人新要求而提出的我國工程教育的改革方向，其內涵為：以立德樹人為引領，以應對變化、塑造未來為建設理念，以繼承與創新、交叉與融合、協調與共享為主要途徑，培養未來多元化、創新型卓越工程人才[4]。

機器人工程專業作為新工科專業是國家戰略和需求，承擔著人才培養、科學研究、社會服務、文化傳承創新、國際交流合作的職責使命和實現中華民族偉大復興中國夢的歷史使命，是落實立德樹人新要求的重大舉措。作為新工科專業，強化實踐和創新創業教育是其關鍵任務之一。

辯證唯物主義認為，實踐是檢驗真理的唯一標準，實踐觀點是馬克思主義認識論的首要和基本的觀點。1937年，毛澤東在《實踐論》中深刻闡述了理論與實踐、知和行的關系，人們認識具體事物的辯證過程是以實踐、認識、再實踐、再認識的形式循環往復[5]。“實踐出真知”“讀萬卷書，行萬里路”“紙上等來終覺淺，絕知此事要躬行”“力行而后知之真”“行是知之始，知是行之成”，古往今來，無數名言名句無不強調實踐的重要性。當前，在新工科人才培養過程中同樣需要實踐。

為了實現新工科內涵建設，機器人工程專業建設中實踐環節需要解決以下問題。

1）明確人才培養目標：面向產業培養人才，避免與產業脫節。機器人產業作為戰略性新興產業，人才需求旺盛，應培養出滿足產業需求的應用型高素質人才[6]。

2）確立實踐的重要地位：注重工程教育，避免重理論輕實踐。工程改變世界，科技創造未來，工

程教育決定著人類的今天，也決定著人類的未來[4]。要注重理論聯系實際，引導學生邊干邊學。

3）明確實踐能力培養的途徑：加強工程實踐訓

練，避免實踐能力不足。目前對未來工程師的質量標準尚未有一個統一的界定，美國工程院發布的《2020的工程師：新世紀工程的愿景》報告指出，實踐能力是未來工程師應該具備的素質之一[7]。

4）強化人才培養師資保障：加強師資隊伍建

設，避免有學無教。教育者應先受教育，加強教師實踐和創新創業教育教學能力[8]。

2? 基于OBE理念的工程教育

工程教育對建設教育強國、服務現代化建設，具有重大戰略意義。工程教育是我國建設世界重要人才中心和創新高地的必然選擇[9]，在推進我國工業化、建立完整工業體系進程中發揮了至關重要的作用，是培養學生解決工程問題的綜合能力的重要途徑。

OBE理念是一種以成果為導向，以學生為中心，采用逆向思維的方式進行課程體系建設的理念[10]。學習成果體現為不同能力結構，能力的實現主要通過課程教學的實施來完成。因此，課程體系構建對最終學習成果的達成至關重要。要求每一種能力都要有具體的課程來支撐，在能力與課程之間形成明確清晰的對應關系，同時，設置的每一門課程都要對能力的實現有具體的貢獻。

緊扣機器人產業對本科人才的需求特點，堅持以產出為導向的工程教育的理念，必須明確四個方面的內容：

1）預期的學習成果是什么（畢業要求）；

2）為什么要達成這樣的學習成果（培養目標）；

3）達成學習成果的途徑是什么（課程體系）；

4）如何評價有沒有達成學習成果，并持續改進教學效果（評價體系）。

工程教育專業認證是國際通行的工程教育質量保障制度，也是實現工程教育國際互認和工程師資格國際互認的重要基礎[11]。工程教育專業認證作為促進高校工程教育改革和質量保證體系建設的重要一環，能夠有效強化當前的工程教育水平[12]。“學生中心、產出導向、持續改進”理念是工程教育的新范式，應作為新工科建設必須遵循的人才培養模式。要堅持并全面落實以學生為中心的理念，加強師生互動，增強學生的“向學力”。貫徹落實實踐性教學環節是達成學生解決復雜工程問題能力的首要條件，而構建實踐性教學體系是前提和保證。

3? 機器人工程專業實踐性教學體系的構建

如何有效地培養未來智能制造領域戰略性新興產業——機器人產業所需的工程實踐能力強、創新能力突出的高素質應用型的新工科人才，成為諸多應用型本科高校面臨的難題。為了契合安徽工程大學“培養德智體美勞全面發展，具有社會責任感、創新精神、創業意識和實踐能力的高素質應用型人才”的培養目標和“支撐產業、服務地方”的辦學定位，達成機器人工程專業“培養飽含家國情懷，兼備正確人生觀和價值觀，扎實且全面的自然科學和機器人工程技術基礎知識，較強的機器人工程實踐和終身學習能力，較好的團隊精神、創新意識和國際視野，較強的社會責任感和職業素質，能從事機器人關鍵技術研究、整機開發、關鍵零部件研制、機器人集成應用的高素質應用型人才”的專業培養目標，根據機器人產業的人才需求，確立了“造出來—動起來—用起來”人才培養思路，根據其能力要求構建機器人工程專業實踐性教學體系。

3.1? 面向產業的能力產出

培養機器人產業急需的高質量應用型人才是機器人工程專業進行新工科建設的目標，根據產業需求構建實踐性教學體系符合新工科建設要求。能力目標與產業鏈之間的關系如圖1所示。根據產業鏈不同企業的性質，歸納為“造出來—動起來—用起來”的能力目標。

“造出來”能力主要面向機器人產業的上游企業，主要是機器人關鍵零部件企業，包括控制器、減速機、伺服電機、傳感器等企業。“動起來”能力主要面向機器人產業的中游企業，主要是機器人整機企業。“用起來”能力主要面向機器人下游企業，主要是機器人集成應用企業。根據該培養模式，可以培養機器人全產業鏈的應用型人才。

3.2? 能力構成及支撐環節設置

根據“造出來—動起來—用起來”的目標要求，分別確立了不同的能力構成，并設置了實踐性支撐環節，其關系如圖2所示。

3.2.1? “造出來”的能力

“造出來”的能力包括機械設計能力、控制算法設計能力、嵌入式系統開發能力等。機械設計能力包括機器人新型機構設計、機器人本體設計、機器人末端執行器設計，以機械設計能力為基礎，兼具現代設計工具的分析應用能力，能夠利用Solid-

Works、ANSYS等軟件進行設計、分析與仿真，達成工程教育專業認證中的畢業要求。

主要的實踐性支撐環節有制圖測繪、機械設計課程設計、工業機器人拆裝、工業機器人本體課程設計、學科競賽、科研項目訓練、畢業設計、機器人創新訓練。控制算法設計能力包括算法設計與編程實現等，其實踐性支撐環節有高級語言課程實驗、機器學習課程實驗等。嵌入式系統開發能力包括硬件設計能力、編程調試能力等，其實踐性支撐環節有計算機組成與結構課程實驗、嵌入式原理與應用課程實驗等。

3.2.2? “動起來”的能力

“動起來”的能力主要包括機器人驅動與控制、末端執行器的驅動與控制、移動平臺的運動控制。以機器人運動學動力學分析為基礎，兼具軌跡規劃能力、程序設計能力，能夠利用MATLAB進行建模、預測與仿真，達成畢業要求。

主要實踐性支撐環節有機器人驅動與控制課程設計、機器人建模與仿真實驗、高級語言實驗、機電設備PLC控制實驗、機器人操作系統ROS課程實驗、學科競賽、科研項目訓練、畢業設計、機器人創新訓練。

3.2.3? “用起來”的能力

“用起來”的能力主要包括機器人集成應用方案設計、現場安裝調試。以機器人集成應用方案設計為基礎，兼具現場安裝調試能力、PLC程序設計能力、人機界面設計能力、傳感器與機器視覺應用能力、氣動控制系統設計能力、工業機器人操作編程能力。

主要實踐性支撐環節有工業機器人系統創新專題設計、工業機器人操作與編程、機電設備PLC控制實驗、機器視覺實驗、傳感器原理及應用實驗、學科競賽、科研項目訓練、畢業設計、機器人技能培訓、機器人創新訓練。

通過上述實踐性教學環節的設置，基本能夠達成機器人工程專業實踐能力的畢業要求。

4? 結束語

緊緊圍繞新工科建設內涵，遵循OBE工程教育理念，確立了機器人工程專業“造出來—動起來—用起來”的面向機器人產業的專業建設與人才培養模式，構建滿足新工科建設要求的實踐能力、創新創業能力的實踐性教學體系，確保應用型人才培養質量的高要求。

5? 參考文獻

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[2] 國務院關于印發《中國制造2025》的通知[A/OL].（2015-

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項目來源：安徽省高等學校質量工程項目“以知識點為粒度的人工智能類專業課程體系構建”（2019jyxm0225）、“智能制造背景下機械類專業復合型人才培養模式研究”（2021jyxm0120）；安徽省提升專業服務十大新興產業項目“智能化趨勢下機械類專業服務高端裝備制造產業能力提升路徑研究”（2021fwxxcy006）；安徽省教學示范課項目“工業機器人”（2020SJJXSFK0320）；安徽工程大學本科教學質量提升計劃項目“特色專業‘機器人工程”（2020tszy02）、“基于OBE理念的機器人工程專業實踐性教學環節培養體系構建”（2021jyxm59）、“基于問題和工程案例為導向的機器人工程專業理論課程教學改革研究”（2021jyxm43）、“項目驅動模式下數控加工實訓教學模式研究與實踐探索”（2021jyxm45）。

作者簡介：蘇學滿、黃勝洲，副教授；劉玉飛，安徽工程大學人工智能學院智造系主任，副教授；江本赤，安徽工程大學人工智能學院副院長，副教授；孫麗麗，講師。