工程訓練課程改革研究
——以“工業(yè)機器人”為例

張倩，殷 欣，吳偉才

（武昌首義學院，湖北 武漢 430064）

1 引言

隨著信息技術、智能制造、人工智能等領域交叉融合，應用型本科院校傳統(tǒng)工科專業(yè)的發(fā)展嚴重滯后于產業(yè)的發(fā)展。近年來，隨著經濟全球化和科技發(fā)展的加速，“新工科”已成為全球高等教育的熱門話題，工程訓練作為培養(yǎng)工科人才的重要環(huán)節(jié)，也受到了廣泛關注。因此，許多國內外高校已經開始探索工程訓練教學改革，以適應新時代的需求。

在國外，美國的麻省理工學院和斯坦福大學等高校，已經推出了一系列針對工程訓練的創(chuàng)新教學模式，如PBL（Problem-Based Learning，問題驅動教學法）、CDIO（Conceive、Design、Implement、Operate，構思、設計、實現、運作）、工程設計競賽等。這些模式強調學生實踐能力的培養(yǎng)，通過項目式教學和團隊合作，使學生能夠將所學的理論知識與實際應用相結合，提高了學習效果。

在國內，吉林大學工程訓練中心趙慧玲教授2014 年在高等教育工程訓練氣動教學環(huán)節(jié)中，采用理實一體化教學模式開展教學活動，結合基本理論與實踐操作，豐富工程訓練教學內容，提高工程訓練教學質量。2018 年華中科技大學工程訓練中心周世權博士通過對工程訓練的探索與實踐，理論與實踐課程有機結合、進行整體規(guī)劃，有利于課程的整合和教學水平的提高。

目前，多數高校的工程訓練課程教學體系依舊采用傳統(tǒng)教學方式，而應用型本科院校轉型發(fā)展的課程改革重點就是“如何開發(fā)利用好工程訓練這個實踐教學環(huán)節(jié)”，因此工程訓練教學改革勢在必行。工程訓練教學如何在應用型本科教育轉型中發(fā)揮自己獨特的作用，如何提升教學效果，落實立德樹人基本任務，充實課程思政內容，培養(yǎng)同時具有專業(yè)理論知識和專業(yè)操作技能，又具有堅定理想信念的高級應用型人才，是應用型高校轉型亟待解決的問題。本文分析工程訓練現有存在的問題，以工程訓練中工業(yè)機器人為例，從課程內容、教學方法及教學評估三個方面對教學改革進行探討，將智能制造技術引入工程訓練教學中，豐富教學內容，創(chuàng)新教學模式，“教學做”一體化，優(yōu)化教學評估，培養(yǎng)學生的實踐能力，真正發(fā)揮工程訓練的實踐作用。

2 現有工程訓練項目存在的問題

工程訓練是一門以實踐教學為主的專業(yè)基礎課程，具有鮮明實踐性、創(chuàng)新性和綜合性三大特征，是高等工程教育重要組成部分[1]。工程訓練是大學生將專業(yè)知識與實際應用相結合的實踐過程，是培養(yǎng)大學生實踐能力、綜合素質與創(chuàng)新意識的重要途徑[2]。工程訓練該課程雖開設多年，但教學內容的滯后、教學方法陳舊，創(chuàng)新意識不強及教學資源不足等影響我校實踐教學工作，制約我校的工程訓練的發(fā)展。主要體現在以下幾個方面。

2.1 課程體系范圍較窄；教學內容陳舊

數十年來，傳統(tǒng)金工在金工實訓中占有著絕對的優(yōu)勢，教學內容和課程體系數十年不變化。我校工程訓練中心實習項目主要包括車工、銑工、鉗工、焊接和鑄造等工種，未引入現代化高新技術，存在教學與企業(yè)實際工作內容脫節(jié)的問題。

工程訓練在教學內容和教學大綱的設計方面，往往缺少思政教育的融入，對學生缺少勞動教育和大國工匠思想的滲透。學生面對傳統(tǒng)金工實訓時也會出現失落感和懈怠情緒，不積極、不主動，很少主動思考金工實訓實踐教學背后的隱藏教育意義。

原金工實訓課程僅針對機電學院和信科學院開展實訓教學。根據機械類和非機械進行區(qū)分，各項目均分教學時長。即所有機械專業(yè)統(tǒng)一都是15 天教學；非機械專業(yè)皆是5 天教學。

為了縮短學生從學校到企業(yè)適應周期，培養(yǎng)高素質人才，如今我們將面向全校學生，甚至經管學院開展工程訓練教學，深入企業(yè)調研，根據專業(yè)人才培養(yǎng)目標及各專業(yè)特點，因材施教，引入智能制造設備，重構工程訓練課程體系，達到實踐育人目的。

2.2 教學資源不足

由于不斷擴招，參加工程訓練的學生人數日益增多，可用的教學設備有限，學校的教學資源不能滿足日漸增加的教學需求。而且都是傳統(tǒng)加工設備，未跟隨科技發(fā)展，引入工業(yè)機器人、3D 打印、五軸加工中心等先進智能制造技術，導致傳統(tǒng)加工與現代制造技術的矛盾日益突出。

教學資源不足不僅是設備的短缺，試驗教師人員數量不足，教學水平參差不齊。實驗教師存在老齡化問題，大多是掌握傳統(tǒng)工藝的老教師，年齡大，對新技術、新型教學方法接收慢。年輕的試驗老師占比少，而且教學經驗不足，嚴重影響了工程訓練教學質量的提升。

2.3 教學方法落后

金工實訓主要以機械零件制造加工為主。教師通常采用示教法進行示范教學，學生在教師的指引下，按部就班地進行訓練。學生只需要被動接收知識，這種教學模式，學生只是按部就班地完成任務，缺乏獨立思考的環(huán)節(jié)，無法培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維[3]。

傳統(tǒng)的教學內容、加工工藝及教學方法已經不能滿足當前工程訓練的教學需要。而一些新材料、新工藝、新設備等未能及時納入工程訓練的教學內容。因此，學生未能及時掌握最新的制造方法和加工技術。

2.4 考評方式單一

金工實訓考核主要包括學生平時出勤、課堂表現、任務完成質量及實訓報告四大方面。考勤、紀律和課堂表現主要是記錄學生是否遲到、早退、有無曠課現象。任務考核指課堂實訓環(huán)節(jié)時學生通過技能實踐訓練完成的工件，主要檢查學生在作業(yè)時技能動作規(guī)范等情況，檢測學生作品完成情況，根據任務評分標準進行賦分，檢查學生對技能和理論知識的掌握程度。這種考核方式簡單，不利于全面了解學生的真實學習情況[4]。

為了改變現狀，更好的促進學科建設與發(fā)展，與時俱進，對原有的工程訓練中心進行全面升級和改造，引入智能制造相關先進技術，在傳統(tǒng)金工的基礎上增加了高速五軸加工中心、工業(yè)機器人、理實一體化平臺、智能制造產線單元、3D 打印機等設備，同時校企共建，引入企業(yè)高層次人才來校教學，彌補校內實驗教師人員的短缺，對工程訓練進行大力教學改革。

3 工程訓練教學改革探討

在新工科背景下，通過與企業(yè)合作，引進企業(yè)優(yōu)質資源，在《工程訓練》課程中體現“產教融合”，深化“教學做”一體化教學改革，全新打造面向全校的《工程訓練》實訓課程體系，培育厚德強技的高素質技術人才。

3.1 深入企業(yè)調研，完善課程內容和教學體系

中國制造業(yè)目前處于數據互聯(lián)盛行、制造技術不斷推陳出新的時代，通過對高校及企業(yè)進行調研，深入了解智能制造產線、工業(yè)機器人、五軸加工及3D 打印等相關新技術，梳理出新的用人需求和課程模式。通過調研分析獲得的崗位需求，結合院校制訂的《2022 版本科專業(yè)人才培養(yǎng)方案》，再根據國家專業(yè)教學標準、專業(yè)人才培養(yǎng)方案，修訂了《工程訓練》課程內容及評價標準，更新教學大綱。校企合作共建優(yōu)化《工程訓練》課程教學資源，結合各專業(yè)特點，完善課件制作、錄制操作視頻、梳理課程實操的三維模型，制作課件資源庫、操作視頻庫、模型庫、練習題庫等課程資源，方便學生查詢。

除傳統(tǒng)金工外，學生需要了解智能制造等新技術在現代制造業(yè)中的應用，熟悉智能制造先進設備如五軸加工中心、工業(yè)機器人、3D 打印機和智能制造產線等操作使用方法，以及機械制造中零件智能加工工藝流程；了解智能制造系統(tǒng)程序控制、監(jiān)控或運行維護流程。

本校之前只對機電學院以及信科學院開設金工實訓課程。按機械和非機械簡單分類，車-銑-鉗-焊-鑄五項均分實訓時長，機械類學生開展為期三周實訓，非機械類開展為期一周實訓課程（見表1）。

表1 傳統(tǒng)金工實訓時長

根據最新的教學大綱，工程訓練增加智能制造相關實習內容，按專業(yè)將工程訓練細分了不同工種和教學時長（見表2）。針對機電類機械專業(yè)學生開展高階層級教學，在傳統(tǒng)金工實訓的內容上，增加了智能制造工程實踐項目，體現新工科專業(yè)的特色。對于一般工科專業(yè)開展特殊層級教學，學生學習物聯(lián)網、工業(yè)大數據、云數控等工程實踐項目；針對文科專業(yè)，開展普適層級教學，學生以智能制造工程基礎認知教學為主，普及新技術。

表2 工程訓練實訓時長

然后按照OBE（Outcomes-based Education，基于學習產出的教育模式）教育理念融入工程訓練具體項目課程教學的整個過程，形成完整的教學設計[5]，如圖1 所示。

圖1 基于OBE 理念的實訓課程的教學設計框架

3.2 改革教學方法

將《工程訓練》內容的“學”與各類“做”相結合，通過設計《工程訓練》課程教學項目，真實任務驅動，采用案例教學法、演示法、任務驅動法和角色扮演法等小組協(xié)作完成任務，遵循“成果導向、以學生為中心、持續(xù)改進”的OBE 教學基本理念，引導、協(xié)助學生探索知識、掌握知識，培養(yǎng)分析與解決問題的能力。

運用數控云管家、多媒體教學、智能制造產線及其虛擬仿真實訓考評系統(tǒng)、工業(yè)機器人及其虛擬仿真實訓考評系統(tǒng)等教輔軟件和設備，通過師生的“做”，將教師的“教”與學生的“學”有機結合，將“教”“學”“做”融為一個整體，構筑《工程訓練》課程的“教學做”一體化，激發(fā)學生學習興趣、調動學生的積極性，培養(yǎng)學生自主學習能力，強化學生的主觀能動性；培養(yǎng)學生的“工匠”意識、提高學生的實踐動手能力，強化學生的主觀能動性。

下面以2022 級機械專業(yè)工程訓練中的“工業(yè)機器人”課程為例展開介紹。

（1）分析學生學情，合理制定學習目標 工程訓練的課程都是在大二階段開展。機械專業(yè)學生已經在大一學習了工程制圖和C 語言等基礎課程，具備一定的機械相關知識和編程基礎，但動手能力和綜合運用能力尚待提高。在設置實訓任務時，要充分考慮基礎性實訓項目和綜合性項目直接的邏輯相關性，由小項目一步步，由簡到難，最后讓學生達到了完成綜合性項目的水平。讓學生可以通過實訓項目真正掌握企業(yè)的工作流程，體會企業(yè)的工作要求。

“工業(yè)機器人”該門實訓課程主要包括工業(yè)機器人拆裝和工業(yè)機器人應用兩大部分。通過這兩方面的工程訓練，讓學生獲得以下能力：①了解工業(yè)機器人應用、機械本體結構及拆裝工具的認知與使用等，熟悉工業(yè)機器人故障診斷和維護保養(yǎng)的常規(guī)方法；②掌握工業(yè)機器人坐標系的標定、示教編程等操作方法，了解工業(yè)機器人離線編程；③熟悉工業(yè)機器人機械裝調虛擬仿真實訓和考評系統(tǒng)，能夠熟練完成對應的操作任務，掌握工業(yè)機器人結構的拆裝操作流程，能夠按照電氣原理圖進行電氣元器件及線路的安裝與調試。

在課程設置時，先安排學生學習工業(yè)機器人拆裝，通過工業(yè)機器人裝調實訓平臺（如圖2 所示），學生學習工業(yè)機器人本體的拆裝及機械結構組成，了解工業(yè)機器人電氣控制原理及電氣零部件。利用工業(yè)機器人及其虛擬仿真實訓考評系統(tǒng)，讓學生在對工業(yè)機器人基礎結構以及基本操作有一定認識之后再來開展工業(yè)機器人應用的教學。借助工業(yè)機器人多功能工作站（如圖3 所示）斜面搬運、電機裝配、碼垛模塊等功能模組，學習工業(yè)機器人的示教編程，完成繪圖碼垛等編程任務。

圖2 工業(yè)機器人裝調實訓平臺

圖3 工業(yè)機器人多功能工作站

（2）分解教學目標，設計教學內容 在工業(yè)機器人教學設計時，依據企業(yè)專業(yè)崗位職業(yè)資格標準，把企業(yè)的工作項目轉化為教學模塊，項目開發(fā)中各工作子任務轉化為學習任務，課程內容與制造行業(yè)標準對接、教學過程與工程項目開發(fā)的過程對接。該課程綜合設計了“任務6：工業(yè)機器人碼垛搬運”這一綜合任務。根據這一綜合項目涉及到的知識點，包括機器人運動指令、IO 指令、循環(huán)和寄存器賦值指令等，將任務6 拆分成5 個小任務，如圖4 所示，學生通過前期完成任務1～5 掌握任務6 需要的知識點，最終實現碼垛程序的正確編輯。6 個任務雖相互獨立，但是又存在一定的邏輯關系。

圖4 教學任務與教學目標的關系

（3）按目標教學，多種教學方法并舉 課前引導文推送，提高學生學習積極性。課前通過超星等教學APP給學生分享工業(yè)機器人應用視頻以及尖端技術，提高學生對課程的期待值，潛移默化的激發(fā)學生的學習積極性。

課中可展示往屆學生的優(yōu)秀作品，既直觀的展示了任務內容，又增加了學生的自信心。工業(yè)機器人實訓項目是以任務驅動，4 人為小組進行作業(yè)。既需要獨立完成，也需要團隊協(xié)作，共同完成之后由教師一并驗收。任務發(fā)布后，具體的角色分配都是學生自己溝通決定，鍛煉了學生的組織協(xié)調能力，并鼓勵同學之間互幫互助。優(yōu)秀學生作品展示如圖5 所示，團隊協(xié)作如圖6 所示。

圖5 優(yōu)秀學生作品展示

圖6 團隊協(xié)作

在實際教學過程中，推薦采用教師指導、學生演示模式，增加師生互動性。學生演示其實是學生獨立嘗試把理論的知識進行轉化的過程，提高了學生的思考創(chuàng)新能力；親自動手老師從旁指導，鍛煉了學生的動手能力。教學過程中，可以鼓勵其他學生充當老師的角色，對操作者進行打分點評，指出其操作的優(yōu)缺點。教師可以借此再次強調關鍵知識點，加深學生印象，有效提高教學質量。

課后對完成度較好的同學的作品進行展示并錄制視頻，讓學生產生自豪感，從而增加學生自驅力。錄制的優(yōu)秀作品可以發(fā)給學生留作紀念，也是后續(xù)制作課件PPT的優(yōu)秀資源。

3.3 構建“多元+多維”的全過程考核評價方式

OBE 教學模式要求在實施過程中以多樣化的教學評價方法，動態(tài)地把握學生知識、能力、素質的變化情況；同時新工科的教育理念也要求以學生為中心，增強師生互動，改革教學方法和考核模式，形成以學生為中心的工程教育模式[6]。以此為依據，工程訓練課程建立了多元化的考核體系，豐富的評價內容，注重評價的過程化。

工程訓練的考核方式為考查。改革《工程訓練》課程教學評價方式，對學生的考核分散在課前、課中和課后。對接行業(yè)企業(yè)標準制定考核標準，依據學習目標和需要取得的學習成果設置考核節(jié)點，組建校內教師、組長、組員等組成的多元評價主體，重視平時考核（過程考核。建立以學生實際完成的課堂任務質量為評價依據，涉及學生成果完成時間、精度、規(guī)范程度和情感態(tài)度等多維度的“多元+多維”的全過程考核評價方式。根據學生在實訓期間的表現（包括團隊協(xié)作問題）、出勤及紀律情況、作品和實訓報告的質量，綜合評定出實訓成績。

實訓課程總評成績包含平時成績、實操考核、實訓報告三大部分，按五級制進行評定。按照各專業(yè)的項目實訓時長，設置了各專業(yè)具體的考核細則和不同考核環(huán)節(jié)所占分值。機器人專業(yè)工程訓練考核細則見表3。

表3 機器人專業(yè)考評細則

實訓報告不止是一個實訓任務的簡單總結，更是學生用來分享實習心得、師生交流互動的渠道。鼓勵學生在實訓報告中分析實習感受，提出課程意見。課后教師可針對學生建議、同行互評、督導評課及自我反思等，分析和反思教學，對課程進行優(yōu)化調整，不斷促進工程訓練課程的完善。

4 結束語

國內外的研究表明，采用創(chuàng)新的教學模式，強調實踐能力培養(yǎng)，可以提高學生的學習效果和實際應用能力。未來，我們需要不斷深化教學改革，探索更多適合新時代需求的教學模式，以培養(yǎng)更多的高素質工科人才。通過對金工實訓課程進行升級改造，融合新工科元素，重構課程體系，使傳統(tǒng)工科專業(yè)的工程訓練課程跟上時代步伐，培養(yǎng)出更加符合經濟發(fā)展和國家的需求的人才。按照生產實際創(chuàng)設學習情境，堅持實用案例為教學模塊，對教學資源進行持續(xù)建設和改進，設計和優(yōu)化工程訓練課程課程體系和教學內容，融入現代信息技術，依托智慧教研拓展學習時間和空間，為學生自主學習提供支撐。通過課程教學中教師引導的“教”，學生探索性的“學”，把學科知識運用到“做”中來，探索需要解決的問題，促使學生掌握知識，開拓其分析與解決問題的思路。

目前已經對文科專業(yè)經管學院嘗試開展工程訓練教學，后續(xù)會面向全校學生，都開展工程訓練教學。通過工程訓練教學改革，將教師的“教”、學生的“學”緊密聯(lián)系，“教學做”一體化，讓學生參與實踐，加強與他人溝通合作，在實踐過程中，將理論與實際相融合，通過自身有意識的實際操作，提升職業(yè)能力、弘揚勞模精神、浸潤工匠文化。