構(gòu)建融入OBE 理念的機(jī)器人工程專業(yè)實踐教學(xué)課程體系*

唐振宇 蘇發(fā)

廣州航海學(xué)院船舶與海洋工程學(xué)院 廣州 510725

0 引言

OBE（Outcome-Based Education）理念被認(rèn)為是教學(xué)改革的正確方向，最早是由美國的Spady 于1981 年率先提出。在美國、英國、馬來西亞、中國香港等高校得到廣泛的應(yīng)用，提出了相關(guān)的學(xué)習(xí)成果標(biāo)準(zhǔn)，產(chǎn)出導(dǎo)向教育成了各個國家的主流教育教學(xué)理念[1-2]。我國大學(xué)擴(kuò)招后，大學(xué)教育質(zhì)量跟不上擴(kuò)招的速度，高等教育內(nèi)卷化現(xiàn)象嚴(yán)重。教育部于2018 年發(fā)布了《普通高等學(xué)校本科專業(yè)類教學(xué)質(zhì)量國家標(biāo)準(zhǔn)》[3]和《加快建設(shè)高水平本科教育全面提高人才培養(yǎng)能力的意見》[4]，2019 年啟動了《一流本科專業(yè)建設(shè)“雙萬計劃”》[5]。我國發(fā)布的這一系列的政策導(dǎo)向，均突出了“以學(xué)生為中心、以學(xué)習(xí)成果為導(dǎo)向、持續(xù)不斷改進(jìn)完善”的OBE 理念，強(qiáng)調(diào)了全面振興本科教育，培養(yǎng)一流人才，實現(xiàn)高等教育內(nèi)涵式發(fā)展[6-7]。

機(jī)器人工程是典型的多學(xué)科交叉的新工科專業(yè)，代表著人工智能等先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展方向[8]。在我國實施“中國制造2025”的制造強(qiáng)國戰(zhàn)略時代背景下，機(jī)器人行業(yè)人才缺口巨大，同時存在人才結(jié)構(gòu)性過剩與短缺并存等現(xiàn)象，究其原因，高校產(chǎn)教融合不深入、課程體系中實踐環(huán)節(jié)薄弱等一系列突出問題亟待解決[9-10]。

1 機(jī)器人工程專業(yè)實踐教學(xué)體系存在問題

機(jī)器人工程專業(yè)作為廣州航海學(xué)院新增的新工科專業(yè)，學(xué)校傳統(tǒng)教學(xué)模式一直都非常重視實踐教學(xué)，要求理論指導(dǎo)實踐，實際教學(xué)過程中，通常是以理論教學(xué)為主，動手實踐為輔，教師通常占據(jù)主導(dǎo)地位，學(xué)生則多是在被動地學(xué)習(xí)，即使教學(xué)部門不斷地修正人才培養(yǎng)方案和教學(xué)計劃，修訂課程內(nèi)容，變換教學(xué)方法形式，增加教學(xué)實踐時間，經(jīng)過大量的教學(xué)改革，教學(xué)實際效果并沒有多大變化。

經(jīng)過多次研討和長期觀察得出教學(xué)環(huán)境單一、課堂教學(xué)手段陳舊缺少變化和課程設(shè)計傳統(tǒng)缺少新意等因素造成了學(xué)生學(xué)習(xí)主動性缺失，尤其是教學(xué)內(nèi)容單調(diào)和考核標(biāo)準(zhǔn)單一等因素忽視了學(xué)生個體差異性，很難做到因材施教。特別在實踐教學(xué)環(huán)節(jié)中，學(xué)生按照定式的實驗操作規(guī)程得出實驗結(jié)論，學(xué)生缺乏獨立思考的機(jī)會和發(fā)揮創(chuàng)新思維的空間，整個實踐過程只是為了完成學(xué)分，那么我們培養(yǎng)的學(xué)生與社會所需的應(yīng)用型人才將脫節(jié)。所以，學(xué)校實踐教學(xué)是教學(xué)過程中的薄弱環(huán)節(jié)，經(jīng)過長期對實踐教學(xué)實施過程的觀察和反復(fù)思考后得出，實踐教學(xué)存在以下問題：

1）對實踐教學(xué)的實用性、拓展性認(rèn)識不夠。科學(xué)知識、動手能力、創(chuàng)新思維來源于實踐，學(xué)生素質(zhì)的培養(yǎng)更加需要實踐。

2）實踐教學(xué)所需軟硬件條件的建設(shè)不足。學(xué)校實驗室建設(shè)資金通常滿足不了先進(jìn)實驗室的建設(shè)需求，同樣很少有企業(yè)愿意與學(xué)校共建實驗室。

3）實驗項目設(shè)計與企業(yè)脫節(jié)。由于建設(shè)實驗室時設(shè)計的實驗項目不科學(xué)，與實際生產(chǎn)脫節(jié)，學(xué)生即使完成了實踐任務(wù)，對學(xué)生的就業(yè)幫助不大，反而浪費(fèi)了大量時間。

4）實踐教學(xué)管理制度不科學(xué)。實踐教學(xué)的管理制度不夠完善，實驗員管理多個實驗室，不熟悉所管實驗室的實驗設(shè)備以及實驗，教師與實驗員在實踐課的職責(zé)模糊，使實踐教學(xué)的質(zhì)量難以保證。

5）實踐教學(xué)的考核與評價不合理。由于考核要求單一，在整個實踐過程中沒有實施形成性評價，導(dǎo)致學(xué)生只是在應(yīng)付考核，并沒有發(fā)揮其應(yīng)有的主觀能動性。

綜上所述，實踐教學(xué)實施過程中，沒有以學(xué)生為主體，造成學(xué)生實踐動手能力差，甚至有些核心課程的實踐項目僅停留在“認(rèn)知階段”，沒有達(dá)到應(yīng)有的“應(yīng)用掌握”程度。機(jī)器人工程專業(yè)作為新設(shè)專業(yè)，應(yīng)該從一開始就注重實踐教學(xué)模式的構(gòu)建問題，力爭建立一個實踐教學(xué)新模式，把學(xué)生被動學(xué)習(xí)的現(xiàn)狀轉(zhuǎn)換成學(xué)生主動學(xué)習(xí)的模式，提高教學(xué)效果，培養(yǎng)真正實用的應(yīng)用型工程技術(shù)人員。

2 構(gòu)建實踐教學(xué)課程體系

在強(qiáng)調(diào)工程教育專業(yè)認(rèn)證的背景下，更應(yīng)該注重學(xué)生工程實踐能力的培養(yǎng)，更應(yīng)該突出“以學(xué)生為中心、以學(xué)習(xí)成果為導(dǎo)向、持續(xù)不斷改進(jìn)完善”的OBE 教學(xué)理念與實踐教學(xué)模式有機(jī)融合，構(gòu)建基于OBE 理念的高校機(jī)器人工程專業(yè)實踐教學(xué)課程體系，落實應(yīng)用型本科教育實踐教學(xué)改革，提升人才培養(yǎng)質(zhì)量，為國家制造強(qiáng)國戰(zhàn)略的實施培養(yǎng)合格的高級應(yīng)用型工程技術(shù)人才。

2.1 構(gòu)建實踐教學(xué)課程體系具體內(nèi)容

1）了解OBE 理念在國內(nèi)外工程教育中的發(fā)展脈絡(luò)、發(fā)展現(xiàn)狀和問題，了解“基于工作過程”的實踐教學(xué)模式在高校的實施情況，為開展研究提供指導(dǎo)并制定有效的研究方案。課題組充分調(diào)研機(jī)器人工程專業(yè)領(lǐng)域?qū)I(yè)知識的需求，充分調(diào)研相關(guān)企業(yè)對機(jī)器人工程專業(yè)人才的需求，邀請校內(nèi)外專家共同研討，制定符合產(chǎn)業(yè)需求的機(jī)器人工程專業(yè)人才培養(yǎng)方案、教學(xué)計劃、教學(xué)大綱等教學(xué)文件。

2）課題組充分利用新建的工程機(jī)器人實驗室和現(xiàn)代制造技術(shù)實驗室等實驗平臺，以培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)、提高學(xué)生實踐動手能力和創(chuàng)新設(shè)計能力為目標(biāo)，充分融入OBE 理念，對機(jī)器人工程專業(yè)實踐教學(xué)進(jìn)行課程體系的重構(gòu)，使實踐教學(xué)成為集機(jī)械、電子、信息為一體的OBE 實踐教學(xué)新體系，突出“基于工作工程導(dǎo)向”實踐教學(xué)新模式。設(shè)計融入OBE 理念的基于工作過程的實驗項目和實驗評價體系，在實踐教學(xué)中以學(xué)生為中心，讓學(xué)生成為實踐教學(xué)的主人，讓學(xué)生發(fā)揮其主動性、積極性和創(chuàng)新性，讓實踐和理論有機(jī)結(jié)合在一起，提高學(xué)生實際動手能力、分析和解決問題的能力，并通過工程認(rèn)證評價反饋體系確保可持續(xù)地培養(yǎng)合格高級應(yīng)用型工程技術(shù)人才。

3）在實踐教學(xué)大綱中明確融入與落實“以學(xué)生為中心、以學(xué)習(xí)成果為導(dǎo)向、持續(xù)不斷改進(jìn)完善”的OBE 教學(xué)理念，確保在實踐環(huán)節(jié)中實施產(chǎn)出引導(dǎo)，形成性評價在“工作過程系統(tǒng)化”的應(yīng)用，確保高校機(jī)器人工程專業(yè)學(xué)生實踐教學(xué)的執(zhí)行效果。采取抽樣方式確定調(diào)查樣本，研究基于OBE 理念工作過程導(dǎo)向教學(xué)實施前后學(xué)生情況，調(diào)研學(xué)生對知識掌握程度和對操作技能應(yīng)用程度是否達(dá)到了教學(xué)目的，調(diào)研學(xué)生實踐環(huán)節(jié)中學(xué)習(xí)的感受，調(diào)研學(xué)生通過模擬實際工作過程后學(xué)習(xí)態(tài)度、情感、價值觀的變化，最終對產(chǎn)出導(dǎo)向?qū)W習(xí)的效果進(jìn)行評價，對評價方法的有效性進(jìn)行評估，從而構(gòu)建機(jī)器人工程專業(yè)實踐教學(xué)課程保障體系。

2.2 機(jī)器人工程實踐教學(xué)課程體系

課內(nèi)實驗、集中實踐、畢業(yè)實習(xí)及畢業(yè)設(shè)計等實踐環(huán)節(jié)構(gòu)成了機(jī)器人工程專業(yè)的實踐教學(xué)課程體系，是整個專業(yè)教學(xué)體系的基礎(chǔ)。按照工程認(rèn)證的要求，畢業(yè)學(xué)生需要具備十二個方面的知識和能力，即工程知識、問題分析、設(shè)計/開發(fā)解決方案、研究、使用現(xiàn)代工具、工程與社會、環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展、職業(yè)規(guī)范、個人和團(tuán)隊、溝通、項目管理和終身學(xué)習(xí)。根據(jù)這十二個方面的要求，設(shè)計構(gòu)建了機(jī)器人工程專業(yè)實踐教學(xué)課程體系，如圖1 所示。在專業(yè)基礎(chǔ)課程、專業(yè)主干課程和專業(yè)拓展課程中穿插課內(nèi)實驗，加深學(xué)生對專業(yè)課程的理解，提高動手能力，對學(xué)生產(chǎn)出的實驗報告根據(jù)考核標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評價并得出其實驗成績。在集中實踐環(huán)節(jié)，學(xué)校機(jī)器人工程專業(yè)主要設(shè)置了機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)課程設(shè)計、3D 建模創(chuàng)新實踐、電工電子技術(shù)綜合實踐、機(jī)器人建模與仿真創(chuàng)新實踐、專業(yè)生產(chǎn)實習(xí)、移動機(jī)器人創(chuàng)新實踐、機(jī)器人工程創(chuàng)新專題設(shè)計、工業(yè)機(jī)器人離線編程、仿真與操作訓(xùn)練、工業(yè)機(jī)器人工作站系統(tǒng)集成綜合訓(xùn)練和畢業(yè)實習(xí)及畢業(yè)設(shè)計11 個實踐課程，穿插在相關(guān)專業(yè)理論課程之后，鞏固專業(yè)知識，加深感性認(rèn)知，提高解決問題的綜合能力。

圖1 機(jī)器人工程專業(yè)實踐課程體系結(jié)構(gòu)流程圖

以第7 學(xué)期工業(yè)機(jī)器人工作站系統(tǒng)集成綜合訓(xùn)練為例來闡述在實踐環(huán)節(jié)中融入OBE 理念，突出“基于工作工程導(dǎo)向”實踐教學(xué)模式。在集中實踐環(huán)節(jié)（2周）中設(shè)計了“工作過程系統(tǒng)化”以及“角色扮演”的實踐項目，學(xué)生通過參與機(jī)械組和電氣組團(tuán)隊，分別擔(dān)任機(jī)械建模工程師崗位、工藝設(shè)計工程師崗位、離線編程工程師崗位、硬件設(shè)計工程師崗位和軟件設(shè)計工程師崗位，共同完成工程機(jī)器人實驗室中的XY-802A 焊接工業(yè)機(jī)器人工作站，XY-802B 搬運(yùn)碼垛工業(yè)機(jī)器人工作站和XY-802C 拋光打磨工業(yè)機(jī)器人工作站總體方案設(shè)計、周邊設(shè)備（包括控制柜、變位機(jī)、輸送機(jī)、末端執(zhí)行器、砂帶機(jī)、拋光機(jī)、清槍裝置等）測繪與建模設(shè)計、工作站工藝設(shè)計、機(jī)器人離線編程和在線調(diào)試、PLC 硬件控制平臺選型及搭建、PLC 控制程序設(shè)計、Robotstudio 工作站創(chuàng)建及仿真分析等工作，完成一次工業(yè)機(jī)器人工作站系統(tǒng)集成開發(fā)的工作過程。最后針對各組的設(shè)計結(jié)果，進(jìn)行學(xué)生答辯自述，互相評價，教師評價等一系列評價活動，各個過程的評分加權(quán)疊加得出學(xué)生的最終成績。該實踐過程融入了“以學(xué)生為中心、以成果為導(dǎo)向”的OBE 理念，采用在實踐工作過程中融合“角色扮演”模式，對學(xué)生形成成果評價并不斷完善教學(xué)組織形式，最終形成了基于工作過程系統(tǒng)化的機(jī)器人工程專業(yè)實踐教學(xué)新模式。綜合訓(xùn)練實踐表明，學(xué)生積極性較高，效果較好，各個環(huán)節(jié)場景如圖2 所示。

圖2 工作站系統(tǒng)集成綜合訓(xùn)練實踐流程圖

2.3 構(gòu)建畢業(yè)設(shè)計實踐課程體系

畢業(yè)設(shè)計是機(jī)器人工程專業(yè)教學(xué)計劃中綜合性最強(qiáng)的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，而且實踐周期長達(dá)1 學(xué)期，是對學(xué)生前7 個學(xué)期學(xué)習(xí)成果的檢驗，是對學(xué)生能否應(yīng)用所學(xué)知識和技能解決問題的考核。實踐過程中，應(yīng)特別著重引導(dǎo)和培養(yǎng)學(xué)生查找資料、發(fā)現(xiàn)問題、解決問題和綜合成果的能力，同時應(yīng)培養(yǎng)學(xué)生守時、有擔(dān)當(dāng)、負(fù)責(zé)任的職業(yè)操守，提高畢業(yè)生綜合素質(zhì)，為其步入社會，進(jìn)入職業(yè)生涯打下基礎(chǔ)。

在學(xué)校開展工程教育認(rèn)證的背景下，在畢業(yè)設(shè)計實踐環(huán)節(jié)融入OBE 理念，構(gòu)建其實踐課程體系就非常必要也是可行的。由于不少學(xué)生考研考公，其用于畢設(shè)的時間沒有保障，所以機(jī)器人工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計安排在第7 學(xué)期后期進(jìn)行布置任務(wù)，學(xué)期結(jié)束前完成開題報告，同時考慮在中期考核之前，安排2 到3 次的匯報溝通并根據(jù)學(xué)生的進(jìn)度給出相應(yīng)的考核成績，中期報告后安排溝通匯報2 次，評價其設(shè)計的成熟度，給出相應(yīng)成績，畢業(yè)答辯后給出答辯成績，最后根據(jù)前期實踐過程所有成績加權(quán)得出學(xué)生的畢業(yè)設(shè)計綜合評分成績。畢業(yè)設(shè)計的順利完成，大幅提高了學(xué)生文獻(xiàn)資料檢索能力、研究方法運(yùn)用能力、實驗動手能力、多個軟件協(xié)調(diào)應(yīng)用能力、文字表達(dá)能力、創(chuàng)新設(shè)計思維等能力。

2.4 校企共建校外實習(xí)基地

學(xué)校學(xué)科教育要與社會銜接，必須依靠行業(yè)內(nèi)企業(yè)，才能讓學(xué)生受到最接近實際生產(chǎn)實踐的教育，拓寬學(xué)生眼界和知識面。機(jī)器人工程專業(yè)與企業(yè)共同建設(shè)大量的校外實習(xí)基地，認(rèn)知實習(xí)和生產(chǎn)實習(xí)均安排到瑞松智能科技股份有限公司、深圳大族激光智能裝備集團(tuán)、佛山博文機(jī)器人自動化科技有限公司、廣州數(shù)控設(shè)備有限公司等公司進(jìn)行實踐。實習(xí)時提前布置實習(xí)任務(wù)，邀請企業(yè)專家現(xiàn)場講解，組織安排專題講座和研討會等方式讓學(xué)生能與行業(yè)專家進(jìn)行交流溝通，了解前沿關(guān)鍵技術(shù)，學(xué)習(xí)專業(yè)技能，學(xué)生做好現(xiàn)場筆記，寫好實習(xí)日記和實習(xí)報告，對實習(xí)的經(jīng)歷進(jìn)行總結(jié)。在實習(xí)全程中，指導(dǎo)教師對實習(xí)的各個環(huán)節(jié)按照考核標(biāo)準(zhǔn)對學(xué)生的出勤、遵紀(jì)、回答問題、表達(dá)與溝通、現(xiàn)場動手能力、獨立思考與分析和報告質(zhì)量等多方面進(jìn)行考核，實施形成性評價。

3 結(jié)束語

廣州航海學(xué)院機(jī)器人工程專業(yè)的實踐課程體系經(jīng)過前期教師積極調(diào)研和不斷努力建設(shè)，構(gòu)建了機(jī)器人工程專業(yè)實踐教學(xué)課程體系，突出了“以學(xué)生為中心、以學(xué)習(xí)成果為導(dǎo)向、持續(xù)不斷改進(jìn)完善”的OBE 教育理念，為學(xué)校正在實施的專業(yè)工程認(rèn)證打下了堅實基礎(chǔ)，同時也推動了機(jī)器人工程和其他相關(guān)專業(yè)教學(xué)模式的改革。實踐表明，該課程體系以學(xué)生為中心，大幅提高學(xué)生參與實踐的積極性，增強(qiáng)學(xué)生解決問題的動手能力，并激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新思維意識。然而要全面落實和推廣還需在教學(xué)實踐中根據(jù)專業(yè)特色和人才培養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)不斷總結(jié)經(jīng)驗并進(jìn)一步完善，逐漸形成一套有實效的能充分體現(xiàn)學(xué)校航海特色的機(jī)器人工程專業(yè)實踐教學(xué)課程體系，為學(xué)校建設(shè)地方應(yīng)用型本科作出貢獻(xiàn)。