新工科背景下機器人工程專業實踐教學體系構建

隨著新工科理念的興起，社會各界對培養具有創新能力、實踐能力和綜合素質的工科人才提出了更高的要求。機器人工程專業是在控制科學與工程、機械工程、電子信息與電氣工程、計算機科學等學科的基礎上建立起來的，同時與國家建設需求、國際發展趨勢和未來挑戰相互交叉共融發展。作為一個跨學科的新興專業和新工科的典型代表專業，機器人工程專業的人才培養的質量越來越受到廣泛關注。

機器人工程專業實踐教學是培養學生實踐能力、創新能力和團隊合作能力的關鍵環節，通過實踐教學，學生可以將所學知識應用到實際項目中，加深對機器人技術的理解和掌握，實踐教學對于培養具有全面綜合能力的機器人專業人才尤為重要。然而，目前機器人工程專業人才培養在實踐教學方面存在一些問題和挑戰，例如，實踐教學內容與實際需求脫節、實踐教學方法單一、實踐環節設置不足等。因此，為了培養符合新時代需求的高素質機器人工程專業技術人才，有必要對現有實踐教學體系進行深入分析，針對具體環節和具體問題，提出有效的改進措施，構建契合新時代和新工科發展要求的機器人工程專業實踐教學體系。

1 當前機器人工程專業實踐教學體系存在的不足與問題

1.1 實踐內容與行業需求仍有差距

機器人工程專業的課程設置通常包括基礎課程和專業課程兩部分。基礎課程如機械設計基礎、計算機科學基礎等，為學生提供了扎實的理論基礎；專業課程則涵蓋機器人學、控制理論、人工智能等，針對性強。然而，課程內容的更新速度往往滯后于技術發展的步伐，導致學生學習到的知識與實際需求存在一定差距。傳統的機器人專業課程設置與行業需求之間存在一定的脫節，缺乏與最新技術和應用趨勢相匹配的教學內容。機器人技術的發展迅速，新的應用場景和技術要求不斷涌現，而目前的實踐課程更新的速度卻相對較慢，實踐教學內容往往依賴于固定的實驗模塊和教學案例，難以適應行業技術的快速變化，導致學生所學內容與實際工作中的需求存在一定的差距。

1.2 實驗設備等實踐教學資源不足且更新緩慢，對人才培養的支撐有限

機器人工程專業作為新工科背景下設立的全新專業，部分高校的教學資源建設尚不完善，主要表現在雖然有些高校設有機器人實驗室，并配備了基本的機器人系統和相關設備，但設備的數量不足限制了學生的實踐機會，同時由于借用的其他專業設備的陳舊，使得一些高級實驗和復雜的應用場景無法實現，限制了學生的動手能力和創新能力。此外，許多高校的機器人實驗設備更新不及時，實驗室的硬件設施和軟件工具往往較為陳舊，這不僅限制了學生的實驗內容，也影響了實踐教學的效果。同時，實驗課程通常僅包括機器人操作、編程和控制等基本技能的培訓，但缺乏對學術綜合應用能力的培養。

1.3 教學方法單一，缺乏綜合性訓練且學生參與度不足

傳統的教學方法主要以課堂講授和基礎實驗演示為主，較少涉及實際工程項目的綜合訓練，缺乏多樣化和靈活性，無法激發學生的學習興趣和參與度。學生在學習過程中缺乏對實際工程問題的解決能力和綜合應用能力的培養，這使得他們在畢業后面對實際工程問題時往往顯得經驗不足。目前，機器人工程專業實踐環節設置較少，學生缺乏實際項目經驗和團隊合作能力的培養。部分課內實驗和專業技能實驗仍采用傳統的分組方式進行，學生在教師的指導下完成實驗，主要以線下觀摩、演示和驗證性實驗為主。然而，這種方式受時間、空間、設備數量等多種因素的制約，導致學生參與度低，實驗效果不理想。

1.4 教師工程實踐能力不足與教學能力差異

機器人工程專業的師資力量在一定程度上影響著實踐教學的質量。部分高校通過引進行業專家、開展校企合作等方式，提升教師的實踐經驗和教學能力，但整體上，機器人工程專業的師資力量仍存在不足，多數高校機器人工程專業的教學團隊仍以自動化、控制工程等已有學科教學團隊為主，缺乏全新專注于機器人工程專業人才培養的教學研究團隊。部分教師在實踐教學方面的經驗不足，只能側重機器人工程技術的基本理論方法的講解，未能充分結合實際工作中的問題進行教學，導致教學效果受限。此外，由于機器人工程的跨學科特性，教師在某些領域的知識掌握可能不夠全面，教師的跨學科知識儲備和實踐經驗的差異，也影響了教學效果的一致性和質量水平。

2 機器人工程專業實踐教學體系的改進對策

2.1 更新課程內容，緊跟行業發展

為了縮小實踐教學與行業需求之間的差距，高校應定期更新課程內容，引入最新的技術和應用案例。通過與相關行業企業進行合作，了解最新的技術發展趨勢和實際應用需求，及時調整專業課程設置，確保實踐教學內容的前沿性和實用性。

2.2 更新實驗設備，提升實踐條件

高校應加大對實驗設備的投入，及時更新陳舊的設備和工具，引入先進的技術和設備。通過建設現代化的實驗室，提供豐富的實驗資源，提升學生的實踐體驗。此外，可以通過與企業合作，借用行業內的先進設備，增強學生的實際操作機會。

2.3 引入項目驅動的教學方法

采用項目驅動的教學方法，鼓勵學生參與實際工程項目，從而提升綜合應用能力。通過設置綜合性項目，讓學生在解決實際問題的過程中，培養工程實踐能力和創新思維。此外，還可以組織學生參與課外科研項目或競賽，增加實踐經驗。

2.4 加強師資培訓與團隊建設

高校應加強對教師的培訓，提升教師的實踐教學能力和跨學科知識儲備。通過組織教師參與行業培訓、企業實踐等方式，增強教師的實踐經驗和教學能力。同時，鼓勵教師間的合作與交流，形成一個跨學科的教學團隊，提高整體教學質量。

2.5 強化校企合作，搭建實踐平臺

進一步加強與企業的合作，建立實踐基地和實習平臺，為學生提供更加多元化的實踐機會。通過與企業合作，開展聯合培養、實習實訓等項目，增強學生的實際操作能力和工程應用能力。此外，可以邀請企業專家參與教學，提供實際問題的解答和指導。

3 南京工業大學機器人工程專業實踐教學體系改革措施

機器人工程專業是南京工業大學電氣工程與控制科學學院順應新工科發展方向，于2022年新增的本科專業，專業緊扣制造強國戰略，緊跟國際學科發展動態，面向新一代機器人技術發展的需求，重點聚焦制造業、建筑業、醫療服務等行業高素質復合型機器人工程技術人才的培養。以下是南京工業大學機器人工程專業人才培養體系示例（如圖1所示）。

3.1 整合資源，完善“四層次”專業實踐實習教學體系

機器人工程專業的實踐教學需要與企業、研究機構和社會組織進行密切合作。這種合作可以提供學生與真實需求和應用場景接觸的機會，使他們能夠解決實際問題并獲得實踐經驗。學生通過參與企業的研發項目、參觀工廠和實驗室，與專業人士進行交流和合作等多種實踐形式，不僅可以增強學生的實踐能力，還可以培養他們的創新意識和職業素養。主要實踐性教學環節安排如表1所示。

南京工業大學機器人工程專業以培養掌握各類現代機器人結構、控制、感知、決策系統設計、研發以及集成應用、生產運行與管理等技術的應用型人才為目標。在校內根據基礎實驗平臺→專業實驗平臺→工程創新平臺→職業素養平臺“四層次”專業實踐實習教學體系，不斷加強校內實訓基地建設，機器人工程專業實踐實習教學結構如圖2所示，并依托地方優勢資源，校企共建實踐教學基地，形成了校內與校外結合、仿真與現場優勢互補的實踐教學環境。本專業積極與校外實踐基地開展深度合作，提供技術咨詢、人員培訓、技術合作等服務，形成良好的合作關系，與國內外知名企業簽訂產學研合作協議、實習基地協議，為實踐基地的鞏固和拓展打下堅實基礎。

（1）基礎實驗平臺。學生在大學一、二年級進行專業基礎課程實驗，培養學生的工程意識，初步鍛煉工程實踐能力。

（2）專業實驗平臺。學生在大學三、四年級進行專業實驗，培養學生專業意識、專業技能，全面提高學生的職業能力和綜合素質。

（3）工程創新平臺。結合學生具體情況，貫穿大學四年，通過參與教師科研項目，參加各種競賽，提高學生專業綜合能力及創新意識。

（4）職業素養平臺。學生在大學四年級通過參加“職業技能證書和技能培訓、生產實習、畢業設計”等實踐環節，提升其職業能力和創新能力。

3.2 進一步加強專業實驗室建設，提升學生自主學習能力

機器人工程專業的實踐教學需要學生具備自主學習和探究的能力，以適應快速變化的技術環境和市場需求。一方面，為保證專業應用型人才培養，本專業建有機器人工程專業實驗室和現代控制技術實訓室；通過校企合作，與埃斯頓機器人、羅克韋爾自動化等企業共建聯合實驗室。同時，合作公司定期派工程師為師生提供技術培訓和講座，有力支持了實踐教學和學生科研創新及學科競賽活動，鍛煉提升了學生動手實踐能力和科技創新能力。另一方面，本專業通過加強學生的科研能力培養、開設優秀畢業論文和創新設計等活動，提高學生的自主學習能力和創新能力。

3.3 完善校內實習，創新基地的建設

在滿足課內實踐環節的基礎上，充分開放校內實踐基地，為學生開展科技創新、技能大賽等課外活動提供良好的條件。這些舉措，最大化地提高了校內外實踐基地的利用率。此外，同一學科實驗室互為補充、各類實驗實踐教科研平臺對學生全面開放，有專門的實驗室作為機器人工程專業學生課外實踐創新活動基地，進而為組建科技小組、競賽團隊、創新創業團隊、備戰各類學科競賽以及完成畢業設計（論文）提供了有力保障。

3.4 進一步拓展校外創業實踐基地建設

努力依托行業聯合企業，在現有實踐基地的基礎上再增加相對穩定、深度合作的校外實習基地，與南京埃斯頓共建“工業機器人應用開發培訓中心”，與南京科遠集團、中車南京浦鎮車輛有限公司、上海柏楚電子科技股份有限公司、江蘇維力安智能科技有限公司建立了實習基地，這些單位為本專業學生提供了認知實習、勞動教育、生產實習以及部分專業課程的實踐教學環境，保證了學生的實踐教學需求。本專業嚴格按照教學計劃，統一安排學生到實踐基地實習、實訓，學生在生產、技術和管理等各個環節得到實際鍛煉。

3.5 進一步提升實踐教師隊伍建設

機器人工程專業的實踐教學需要教師具備豐富的實踐經驗和專業知識，以指導學生進行實踐活動。學校通過加強教師的培訓和指導，提供更多的實踐機會和資源，以提升教師的實踐水平和專業素養。同時，機器人工程專業的實踐教學還需要與其他相關學科教師進行合作教學，以提供更全面的知識和技能培養。例如，機械工程學科可以提供機械結構設計和制造的知識，電子工程學科可以提供電路設計和控制系統的知識，計算機科學學科可以提供編程和算法設計的知識。跨學科合作教學可以通過開設共享課程、組織跨學科項目和實驗室等方式進行。這種合作可以幫助學生更好地理解機器人系統的復雜性，并培養跨學科思維和綜合應用能力。

另外，還需要通過加大投入、內培外引，進一步加強師資隊伍建設。本專業聯合埃斯頓、蘇美達等國內知名機器人企業，對專職實驗教師進行實踐教學技能的培訓，提高教師的教學能力。同時對專業課教師進行實踐能力的培訓，與實驗教師組隊全程參與到專業實踐教學工作中。校內外實習、實訓基地為學生配備了中高級職稱的技術人員作為實習指導教師。在校內，本專業建立了一支實踐能力強、雙師素質突出的師資隊伍。在校外指導教師的配備上，堅持“實習單位推選、學校選聘”的原則，一方面選派教師參加指導，另一方面聘請了一批實踐經驗豐富、責任心強，業務水平高的一線工程師作為兼職實習指導教師，每名指導教師每批指導的學生數不超過20人，確保教學質量。

3.6 嚴格執行實踐教學計劃安排，保證實踐教學課程質量

本專業所有實踐教學都按教學計劃進行編寫教學大綱和實踐教學指導書。學生在實驗前完成實驗預習報告、設計方案，實驗中進行驗證和調試，教師全程指導，實驗后整理數據完成實驗分析和報告，實踐環節中所有文檔齊全、規范。

本專業嚴格遵循《南京工業大學實驗教學工作規定》《南京工業大學生產實習工作條例》《南京工業大學校外實習基地建設與管理辦法》等管理文件，從時間、場地、經費、指導教師等方面全面保障實踐教學。目前實驗、實習、訓練等各環節均能按照教學計劃、實踐課表有序實施，實踐項目開出率100%，確保實踐教學質量。

3.7 改革實踐教學內容，建立基于項目驅動的實踐教學體系

項目驅動是機器人專業實踐教學的核心理念之一。在項目驅動的實踐教學中，學生將通過參與真實的機器人項目，從問題定義、設計、制造、測試到最終應用，全面鍛煉他們的實踐能力和解決問題的能力。項目可以包括機器人比賽、工程項目或與企業合作的實際應用項目等。教師應引導學生在項目中發現問題、探索解決方案，并培養他們的團隊合作和溝通能力。

根據行業需求和學生興趣，選取具有一定挑戰性和實際應用價值的機器人項目作為實踐教學的核心內容，并建立與項目驅動實踐教學相適應的課程體系和教學團隊，提供必要的實踐設施和資源支持。同時，在項目實踐過程中，通過跨學科教師進行合作指導，促進機器人工程專業與其他相關學科（如機械工程、電子工程、計算機科學等）間的合作，培養學生的綜合能力和跨學科思維。在項目選擇與設計過程中，發揮開放辦學和校企合作優勢，通過與企業、研究機構以及社會組織進行合作，將實踐教學與實際應用場景結合，選擇適合學生自身水平的真實問題作為實踐項目，使學生在解決實際問題的過程中獲得鍛煉和成長。最后，建立項目實施與效果評估機制，采用定量和定性的評估手段，對實施過程和效果進行評估和反饋，及時調整教學策略和方法，不斷優化實踐教學體系。

4 結語

新工科背景下的機器人工程專業實踐教學體系是推動機器人工程專業教育發展的重要舉措。經過近幾年的大力改革與資源支持，我校機器人工程專業不斷優化和改進實踐教學體系，建立了“四層次”專業實踐實習教學體系，重構了實踐課程體系和實踐教學內容，建立了多元化的實踐教學評估體系，涵蓋學生的知識水平、技術能力、團隊合作能力和創新能力等方面，通過項目報告、實踐展示、團隊評價和實踐能力考核等全面評價學生的實踐表現。同時，拓展建立了30多個校內外實踐教學基地，聘請了20位跨學科校企合作實踐導師，并立項了多項實踐教學改革項目。通過項目驅動式教學和校企合作辦學，學生的實踐能力和創新能力得到了較大提升，對專業學習的興趣和自信顯著增強，先后在全國工業機器人大賽等國家級比賽中獲得一等獎，實踐育人的效果得到了充分驗證。事實證明，該教學體系能夠培養學生的實踐能力、創新能力和團隊合作能力，提高機器人專業人才的綜合素質和競爭力。機器人專業實踐教學是一個多方面的系統工程，在未來，隨著機器人技術的快速發展和應用場景的不斷拓展，機器人工程專業實踐教學將面臨更多的機遇和挑戰，需要持續關注并不斷進行調整和改進。

（作者單位：南京工業大學電氣工程與控制科學學院）