新工科背景下多維度全周期機器人課程建設與實踐

高春艷 呂曉玲 劉璇 田穎 李滿宏

摘? 要：在新工科背景下，高等工程教育急需探索新型專業人才培養方法，以適應科技需求與產業變革。但機器人課程理論基礎要求較高，實踐教學比重大，應用普通培養方案很難分配足夠的教學環節。通過對機器人技術課程教學現狀的分析，提出將課程教學整合為基礎知識、實踐綜合和創新設計主題模塊，構建學術導論、理論基礎、綜合實踐、創新選修和畢業設計等環節協同交叉、互為延展的多維度課程建設體系，將課程貫穿至本科階段8個學期，有效夯實機器人技術技能及綜合應用能力，提升教學效果。

關鍵詞：新工科；機器人技術課程；多維度課程體系；教學改革；探索實踐

中圖分類號：G640? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2023）35-0097-04

Abstract： In the context of the new engineering paradigm， higher engineering education urgently requires the exploration of innovative approaches to cultivate specialized talents capable of adapting to technological demands and industrial transformations. However， the Robot Technology Course demands a rigorous theoretical foundation， and practical teaching holds significant weight， making it challenging to allocate sufficient instructional opportunities within conventional curricula. Through an analysis of the current state of Robot Technology Course instruction， this study integrates the curriculum into modules focusing on knowledge foundation， comprehensive practice， and innovative design. It constructs a multi-dimensional course development system， comprising interconnected elements such as academic introduction， theoretical fundamentals， comprehensive practice， innovative electives， and final projects. This system spans eight semesters throughout the undergraduate program， effectively consolidating skills in robot technology and enhancing comprehensive application abilities， thereby elevating the effectiveness of teaching.

Keywords： new engineering paradigm; Robot Technology Course; multi-dimensional curriculum system; educational reform; exploratory practice

隨著科技的快速進步和廣泛應用，以培養創新型工程技術人才為目標的新工科教育對課程體系和教學方法提出了更高要求。自2017年以來，國內眾多高校對新工科內涵及專業培養體系進行了深入研究[1-4]，積極探索各種課程體系的新建設和教學模式的新變革。經過6年的教學實踐，結合本校學科定位和專業培養目標，機器人課程教學團隊構建了以導論、學科基礎、主干專業課、綜合實踐、創新選修和綜合設計為線索的課程體系建設。

為緊密串聯整體課程脈絡，充分借助學校的“本科生創新拔尖計劃”，使課程體系更加緊密和高效，建立如圖1所示的多維度課程體系。此課程教學體系具有“快、準、新”的鮮明特征，強調學生學習的快速適應，教學內容的準確切實，以及課程體系的創新性。通過課程體系建設，為學生提供一個全面發展、多維拓展的機器人教育平臺，培養一批具有高水平專業技術和創新能力的工程技術人才。

一? 機器人技術課程教學分析

相對于傳統的課程教學，新工科模式更加注重學生工程實踐能力和創新能力的提升，并呈現出學科技術組成復雜、涉及領域廣泛的特點[5-6]。因此，將機器人技術僅作為一門獨立課程安排在某個學期進行是遠遠不夠的。但受限于總體培養方案的限制，難以補充過多學習時長。在此背景下，借鑒國際各高校機器人工程專業的形成與發展[7-9]，對國內高校本科機器人技術課程的構成和設置進行了深入分析，結合以“成果為導向”的目標要求，進行課程知識模塊劃分和前后延展的教學設計，從而實現整體教學的變革。

（一）? 知識理論基礎

智能機器人技術的課程目標是為學生提供有關機器人和人工智能技術的基礎知識和實踐技能，為將來能夠獨立進行各種類型的智能機器人設計、制造和控制提供理論基礎。在新工科背景下，機器人工程專業的課程需要緊密結合現實需求，對傳統機器人技術進行優化和升級。課程內容應涵蓋機器人視覺、人工智能、機器學習等新興技術，培養學生的綜合素質，使他們能夠勝任未來機器人領域的各種工作。雖然此課程涉及內容廣泛，包含機器人構成、運動控制、感知技術、智能技術和應用技術等。但其目標并非讓學生深入掌握每個細節和技術，而是幫助他們獲得對機器人和人工智能技術的整體認識和理解，以便在今后的學習和實踐中熟練應用。同時，新工科背景下機器人工程專業的課程需要與其他學科進行交叉合作以促進跨學科融合。例如與計算機科學、機械工程、材料科學等學科合作，進行跨學科教學和研究，培養學生的綜合素質和創新能力。

（二）? 工程綜合實踐

智能機器人技術是一個迅速發展的領域，需要不斷更新和改進教學模式和體系，提高教學內容的綜合性并增強與行業的聯系，以適應最新的技術發展。目前的教學模式和體系主要存在以下問題。

教學模式過于理論化。目前智能機器人技術的教學過于側重理論知識的傳授，而缺乏實際操作和應用能力的培養。這種教學模式不能滿足實際的應用需求，導致學生在實際操作中缺乏經驗和技能。智能機器人技術需要學生具備一定的實際操作技能，否則難以將理論知識轉化為實際應用。

教學體系缺乏行業實踐。教學體系與行業實踐缺乏緊密的聯系，導致學生缺乏對行業的了解和認識。智能機器人技術需要緊密結合行業實踐，讓學生深入了解實際的應用場景和需求，才能夠更好地應對未來的挑戰。通過課程設置和實踐環節，可以幫助學生了解行業發展動態和趨勢，提供各種實習和就業機會，培養學生的創新和實踐能力，提高其職業競爭力。

（三）? 創新設計及拓展

在傳統教學模式中，理論教學和實踐教學通常是分離的[10-12]。但在智能機器人技術相關課程中，理論知識和實踐操作需緊密結合，以實現良好的教學效果。

通過自主創新實驗和項目實踐，學生可以在實際中應用所學知識，解決真實問題，培養創新意識和能力。同時，課程設計應鼓勵學生積極參與科研項目和競賽，拓展學生的視野，提高學生綜合素質和能力。此創新教學模式可以幫助學生更好地理解和掌握機器人技術，為未來的科研與職業發展做好準備。

二? 多維課程體系教學

針對機器人技術課程的教學，采用“多維度-多層次”的策略，以構建更豐富的學習機會和更全面的知識體系，讓學生全面提升技能和素質[13-14]。整體思路按照本科1—2學期，通過設置機器人學導論課作為通識選修，提升學生對機器人理論及應用的關注，適當拋出科學性及工程性問題，激發學生主動學習的積極性；3—4學期按照培養要求，設置學科基礎理論課程，以液壓與氣壓傳動、機電傳動控制等為主，將機器人技術中的關鍵技術剖析講解，用以豐富學生理論知識，夯實基礎；5—6學期結合機器人技術及應用、傳感器技術原理、自動控制原理等課程建立機器人核心技術。同時結合本科生創新拔尖計劃培養，利用特種機器人研究平臺對部分學生深入引導科研和探索；7—8學期以綜合實踐、畢業設計和創新為主線，結合特種機器人項目制案例，針對即將畢業的本科生進行工程實訓。從而形成以專業技術課為核心，以通識選修課為先導，依托特色科研平臺和企業以工程實踐和開放性創新實驗為驗證的特色機器人課程群，進行8學期完整培養和訓練。

（一）? 導論及通識選修課

在課程學習初期，建立如圖2所示的思維引導，通過設置機器人學導論通識選修課，引導學生了解機器人技術的起源、發展及與其他學科的關系。這樣的導論課程為學生提供了全局觀，幫助他們在后續學習中更好地理解和應用機器人技術。

（二）? 學科基礎理論課程

在學科基礎理論課程中，安排液壓與氣壓傳動、機電傳動控制等主干課程，幫助學生建立機器人技術的核心理論基礎。通過多門類課程的知識融合式，可以讓學生更好地掌握知識，提高實踐能力。

（三）? 核心專業技術課程

核心專業技術課程包括機器人技術及應用等，這些課程是機器人技術教學的核心內容，涵蓋了機器人的構成、運動控制、感知技術、智能技術和應用技術等方面。學生通過學習這些課程，深入了解機器人技術的各個方面，并為未來的實踐應用打下堅實基礎。

（四）? 綜合實踐及創新

在“綜合實踐及創新”環節中，我們組織專業綜合實踐課、開放性實驗以及畢業設計等活動。這些實踐項目可以讓學生將理論知識應用于實際情況中，培養創新意識和能力。通過參與這些實踐項目，學生可以解決真實問題，拓展學術視野，提高綜合素質和能力。

通過多維課程體系的教學，讓學生在機器人技術領域擁有更廣泛的學習機會和更全面的知識體系，培養學生綜合實踐能力和創新意識，為他們未來在機器人領域的發展打下堅實基礎。多維度教學模式可使學生更加全面了解機器人技術，提升職業競爭力和適應性，從而更好地應對未來的挑戰和機遇。

三? 特種機器人的項目制培養

特種機器人的項目制培養是一種針對機器人技術領域的教學模式，旨在培養學生的實踐能力、工程意識和創新能力，使他們能夠勝任特種機器人領域的工作和研究，具體流程如圖3所示。為了實現這一目標，可按以下四個方面展開論述。

首先，構建項目教學系統是項目制培養的關鍵[15]。我們將明確培養目標和學習內容，并構建貫穿全程的項目教學系統。該教學系統應該按照循序漸進的方式進行，讓學生從淺入深地學習特種機器人技術知識和應用。通過參與不同類型的項目，學生將在實踐中逐步提高能力，并理解特種機器人領域的相關理論和技術。在此過程中將結合特種機器人實踐中心和彼合彼方機器人公司的資源，確保學生能夠獲得足夠的學習支持和指導。

其次，全面考察學生能力是項目制培養的重要環節。學生參與實際項目需要展示各方面的能力。因此，我們將通過項目實施過程中的觀察、項目報告、演示和答辯等方式，對學生進行綜合評估。這些評估將涵蓋學生的專業知識掌握程度、工程實踐能力、團隊協作能力、解決問題的能力等方面。通過全面考察學生的能力，我們可以更好地了解學生的優勢和不足，并有針對性地進行指導和提升。

再次，持續強化學生工程意識是項目制培養的關鍵目標之一[16]。特種機器人領域需要學生具備工程意識，即對實際工程項目的理解和應用能力。在項目制培養中，通過多種方式來持續強化學生的工程意識。例如，在項目設計階段，我們將引導學生深入了解項目背景和需求，提出解決方案；在項目實施過程中，鼓勵學生關注項目的實際應用和工程實踐，培養學生從工程角度思考和分析問題的能力。持續強化學生的工程意識可以使他們更好地適應實際工作中的需求，為特種機器人領域的發展作出貢獻。

最后，提高學生學習興趣和效果是項目制培養的重要目標。通過參與真實的特種機器人項目，學生將體驗到學習的樂趣和成就感，提高學習興趣和效果。為實現這一目標，我們將確保項目具有一定的挑戰性和吸引力，激發學生的學習興趣。同時，我們將鼓勵學生在項目中充分發揮創意和想象力，提高學生的學習動力。此外，我們還將采用多種教學方法和手段，如課堂討論、實踐操作、案例分析等，以提高學生的學習效果，確保他們能夠在項目制培養中獲得實質性的學習成果。

四? 結束語

通過特種機器人的項目制培養，將培養更多機器人技術高層次人才，他們將在特種機器人領域具備扎實的理論知識和豐富的實踐經驗，為我國特種機器人技術的發展和應用作出貢獻。同時，項目制培養將使學生在學習中體驗到真實的項目實踐，為未來的科研與職業發展打下堅實的基礎。

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