新工科背景下智能機器人實訓課程體系建設與探索

席佳樂 霍亞光

摘要：文章在新工科背景下，對智能機器人實訓課程的現存問題進行剖析，從多學科交叉融合、虛擬與現實結合、課程與工程接軌三個方面出發，建設課程體系，搭建課程平臺，并采用項目式教學方式分專業設計對應的課程項目，提出相應的評價體系，更好地發揮機器人作為典型機電一體化系統的特色和優勢，培養學生的創新能力和解決工程問題的能力。

關鍵詞：新工科；智能機器人；多學科交叉；項目式教學

近年來，為提高我國在全球化、智能化、數字化產業變革中的競爭力，滿足現代工業發展對人才的多元化需求，國家在人才培養方面提出了一系列全面且具有深度的舉措。2017年2月，教育部大力推行新工科建設，旨在培養學生的綜合應用能力，對接未來工業技術的發展，培養出具有工程設計、實踐、創新的卓越工科人才。

智能機器人是典型的機電一體化系統，以其為載體開展實訓課程對工科專業學生具有重大意義。然而，隨著新工科相關舉措的深入推進，現有的智能機器人實訓課程已經無法滿足社會工程產業的需求。

一、智能機器人實訓教學現狀分析

為使學生深入了解智能機器人的控制系統和工作原理，多所高校相繼開展了有關機器人的實訓課程。然而，智能機器人實訓課程對平臺要求高，實訓難度較大。筆者認為，目前的智能機器人實訓課程主要存在三類問題。

第一，專業教學與實訓課程無法有機結合。學生無法將實訓課程和專業知識融會貫通，實訓課程無法起到強化和輔助專業課程的作用。當前，機器人實訓課程主要面向機械、自動化、信息等大類專業的學生開展，實訓課程過于強調普適性教學，忽視了不同專業學生知識框架的差異性，課程設計比較籠統、單一，缺乏專業特色。

第二，實訓內容與工程應用不匹配。開展實訓課程是為了讓學生將所學內容與真正的工程問題聯系起來，提高對知識的理解和應用能力。高校設置的智能機器人實訓課程多以演示如何控制智能機器人為主，缺乏對智能機器人實際工程問題的探索，學生經過實訓后無法形成由實訓內容向工程應用的轉化，也無法搭建完整的工程思維框架。

第三，實訓課程學生參與度低。本科教學的整體課程任務增多，教學計劃中縮減了實訓課程的時間，短時間內開展的智能機器人實訓課程缺乏可探索性，難以調動學生的積極性，無法實現高水平的教學目標。

二、智能機器人實訓課程整體建設

筆者認為，在新工科背景下，智能機器人實訓課程的建設應聚焦實際工程問題。本文從課程體系和課程平臺兩個方面著手，從多學科交叉融合、虛擬與現實結合、課程與工程接軌三個方向，探索關于智能機器人實訓課程的整體建設，如圖1所示。在課程體系建設上，高校應注重實訓課程的多適配性，使實訓課程成為專業課程與工程問題之間的橋梁，同時以工程問題為導向設計實訓教學內容，以培養學生解決工程問題的能力。在課程平臺搭建上，高校搭建的實訓課程平臺必須集合虛擬與實操等多項實訓設備，以滿足整體課程體系的需求。

（一）多學科交叉融合

多學科交叉融合意指打破學科間的界限，整合多個專業的基礎知識，以滿足不同專業的實訓需求。智能機器人實訓課程體系需要分專業進行設計，一方面，將智能機器人實訓課程按照專業分模塊拆開，并依據專業特色有側重地設計實訓教學內容，整合出面向不同專業的特色智能機器人課程，為各相關專業提供可以靈活搭配的課程菜單；另一方面，設計綜合實訓內容，且綜合實訓內容以比賽形式進行，設計融合多類專業知識的比賽項目。

由于智能機器人實訓課程計劃面向機械、自動化、信息化三大類專業開展，所以在搭建課程平臺時，高校需要考量各類專業的實訓重點。例如，自動化專業要求學生自行完成各種電控元器件的組裝，因此需要配備相應的電控搭建和測試平臺，信息化專業需要配備相應的通信調試軟件，機械專業則需要配備相應的設計和調試平臺，以滿足對機器人零部件的設計需求。

（二）虛擬與現實結合

首先，學生需要依托虛擬仿真平臺，通過線上課程熟悉虛擬仿真過程，并在仿真軟件中設計、模擬智能機器人運行姿態。其次，教師通過線下課程手動操作控制智能機器人對仿真結果進行驗證和調試，在培養學生動手能力的同時，幫助學生構建起解決工程問題的思維框架。最后，虛擬與現實的完美結合，需要搭建一個完善的課程平臺，且課程平臺必須配備實訓智能機器人、仿真模擬軟件和相關測量調試設備，并利用網絡信息與交流平臺，提高平臺的開放性和互動性，為學生提供更好的學習體驗。

（三）課程與工程接軌

在建設課程體系、設計課程內容時，高校需要關注企業對人才的需求，通過校企合作的方式，依托實際工程項目，和企業共同完成智能機器人實訓課程的設計。課程與工程接軌也為課程平臺的搭建提出了新思路。首先，高校需要在校內搭建小型教學產線，使學生在產線上掌握智能機器人在實際生產中的工作方式，了解其工作原理。其次，高校通過與企業合作，讓學生了解智能機器人在實際生產中的具體應用，以及亟待解決和探索的問題，讓學生能夠帶著問題進行學習。最后，學生利用所學內容設計、改造智能機器人，對其功能進行優化。

三、課程內容設計和評價體系

依托長安大學現代工程訓練中心平臺，智能機器人實訓課程設計四個部分的內容，其中前三個部分的內容分別圍繞Boe-Bot（一種可以使用程序控制的智能小車）機器人、AGV移動機器人、六軸工業機器人展開，分為基礎和進階兩個模塊，基礎模塊設計的實訓項目面向多類工科專業學生開展，使學生通過參與真實項目實踐理解學科間的關聯。

由于智能機器人實訓課程主要面向機械、自動化、信息三類專業的學生開展，所以三個部分的進階模塊應在保持學科融合特色的同時對相應專業提高難度，加深學生對專業課程的理解。最后一個部分的內容為智能機器人的設計與改造，屬于綜合類項目，目的是培養學生團隊協作和解決復雜問題的能力，由于完成該項目需要綜合應用前三個項目的專業知識，所以采用組隊競賽的方式開展。

為了更好地評估學生的實訓所得，指導教師須綜合考量過程和結果，動手能力和創新能力，以及實際工程意義，給出綜合能力評價與建議。此外，對于組隊進行學習的項目，評價體系應分為隊內自評、各組互評、教師評價。

（一）基于Boe-Bot機器人的實訓課程

Boe-Bot是美國Parallax公司制造的智能機器人，采用BASIC Stamp 2（一種具有24個引腳的微控制器名稱）微控制器作為機器人的大腦，基于BASIC（初學者通用符號指令代碼）語言進行開發。其語法簡單，容易上手，非常適合作為工科專業學生學習的入門機器人?；谄湓O計的基礎模塊項目包括機器人的基本巡航、機器人的胡須導航、機器人的紅外線導航、機器人的尋光測試。

進階模塊項目主要面向自動化類專業學生開展，要求學生綜合應用Boe-Bot機器人的基礎功能，繪制電路圖并搭建電路，在設有障礙物的校園地圖上規劃軌跡路線，測量路線距離，計算脈沖數，使Boe-Bot機器人在校園地圖上通過循跡和避障的方式完成要求的打卡點數。

（二）基于AGV移動機器人的實訓課程

移動機器人集成了機械工程、電子信息、人工智能等領域的研究成果，是一個集環境感知、動態決策與規劃、行為控制與執行等多功能于一體的綜合系統。它可以根據外界環境的變化，進行自主識別、推理和判斷，在一定程度上自行修改程序，以達到最終設定的目標。

在基礎模塊項目中，學生需要在實訓場地規劃的三條機器人軌跡中，通過測量實訓場地的路徑和機器人的整體尺寸，在虛擬平臺上繪制出機器人的相應軌跡并模擬其運動姿態，再通過輸入簡單指令，使機器人能夠按照要求軌跡完成運動。

進階模塊需要應用PLC（可編程邏輯控制器）通信的相關知識，主要面向信息類專業學生開展，具體實訓內容為AGV調度和物料運輸，學生需要調試并優化機器人姿態，使用ModbusTCP（一種串行協議）協議建立PLC控制平臺與AGV移動機器人之間的通信，控制移動機器人按照規劃路徑，以安全高效的姿態從起始點運行到終點并完成物料的運輸。

（三）基于六軸工業機器人的實訓課程

六軸工業機器人是一種可重復編程、多功能、多自由度的操作機器人，能夠通過移動旋轉等改變姿態，完成智能產線中夾持、放置工件的任務。六軸工業機器人多自由度、可編程控制的特點使其可以作為理想的機電一體化實訓設備。

由于六軸工業機器人自由度較大，手動操作復雜，學生直接對其進行實際操作存在較大的安全隱患，所以基礎模塊實訓項目主要采用虛實結合的方式開展，要求學生首先使用RobotStudio（一款機器人仿真軟件）模擬控制六軸工業機器人，熟練掌握六軸工業機器人單軸、線性、重定位三種運動模式，調試六軸工業機器人的姿態和位置，優化程序，使六軸工業機器人以更為靈活安全的姿態完成物料的取放。

進階模塊的項目主要面向機械類專業學生開展，學生需要根據所提供物料的形狀、尺寸等特點，使用RoboDK（一款機器人仿真軟件）根據測量結果建立整體設備的模型，設計并組裝機械臂及手爪，使其能夠抓取一定空間內的物料。

四、智能機器人的設計與改造

本項目作為綜合類項目，集成機械、電控、信息等各類專業知識，目的是讓學生在實際工程項目中靈活運用各類機器人技術。項目以團隊競賽的方式開展，每個團隊由機械、自動化、信息三類專業的學生組成，學生需要根據指定的物料特征，合作設計、制作一個具有物流運輸能力的機器人，該物流機器人需要滿足循跡、避障、抓取物料并精準投放到指定位置的功能。

總而言之，新工科理念的提出，為工科類專業帶來了全新的視角和機遇，也對多學科交叉融合的智能機器人實訓課程提出了更高的要求。

參考文獻：

[1]馮慧娟，苗青，苗雙，等.面向新工科的智能機器人教學模式改革[J].控制工程，2020（10）.

[2]惠記莊，王帥，丁凱，等.智能制造人才培養創新模式：“兩融合一貫通四促進”多元主體協同育人[J].高教學刊，2022（16）.

[3]徐詠，覃曼萍，唐毓納，等.新工科背景下智能機器人課程多元混合式教學改革與實踐[J].軟件導刊，2023（5）.

[4]田思慶，杜云明，侯艷.新工科背景下自動化專業多學科交叉融合升級路徑探析[J].黑龍江教育（理論與實踐），2023（10）.

[5]程彬彬.智能制造工程專業實驗實訓課程教學改革研究[J].西部素質教育，2023（22）.

[6]黃建，李平.面向智能制造的“機器人技術”課程教學改革探索與研究[J].科技風，2022（9）.

基金項目：中央高校教育教學改革研究項目“基于完全學分制的工程訓練實踐教學體系的改革與優化”，項目編號：BY202332。

（作者單位：長安大學現代工程訓練中心）