面向機械臂設計與制造的基礎工程訓練教學模式研究與實踐

【摘要】高校工程訓練是工程教育的主要載體，是培養學生工程實踐與創新能力的基礎課程。在生產數字化背景下，文章以“數字素質+X”為教學目標，根據分布式認知理論樹立實踐系統觀，引入機械臂和數字工廠仿真技術，建立傳統與智能有機融合的實踐平臺；將機械臂的設計、制造、運行全制造周期分解成項目任務融入各實踐模塊，通過線上預約、作品流轉、社區交流等策略建立教學要素交互機制，構建面向機械臂設計與制造的系統化工程訓練模式；采用“OBE+CDIO”理念組織教學，突出實踐認知主體，取得了預期的教學效果。

【關鍵詞】基礎工程訓練；數字素質；交互機制；實踐系統觀；教學模式

【引用格式】淮文博.面向機械臂設計與制造的基礎工程訓練教學模式研究與實踐[J].黑龍江教育（理論與實踐），2025，79（4）：61-65.

【中圖分類號】G642.0【文獻標識碼】A【文章編號】1002-4107（2025）04-0061-05

一、引言

習近平總書記在黨的二十大報告中指出，加快實施創新驅動發展戰略，加快實現高水平科技自立自強[1]。創新驅動的本質是人才驅動，培養大批適應國家工業化戰略發展需要的高質量創新型人才，是我國高等教育的重要使命和責任。工程教育是我國高等教育的主體，肩負著培養學生實踐創新能力的重任。而高校工程訓練作為新時代工程教育的主要載體[2-3]，應識變、應變，創新教學體系和人才培養模式，實現內涵式高質量發展，為培養時代新人提供有力支撐。

近年來，國內許多高水平大學開展了面向新工科人才培養要求的工程訓練教學改革，成果豐碩，但與世界水平的高等工程教育目標相比仍有差距，存在工程實踐知識更新滯后、教學手段陳舊、知識點單一、教學內容與模式不能適應產業變革發展新要求等問題[4-7]。西安理工大學工程訓練國家級實驗教學示范中心（以下簡稱“工程訓練中心”）按照分布式認知理論，結合學校辦學特色和人才培養定位，在工程訓練中引入了“中國制造2025”重點發展產業多自由度機械臂、數字化工廠仿真等先進技術，建立了面向機械臂設計與制造的系統化工程訓練教學模式。

二、系統化工程訓練教學建設原則及目標

（一）分布式認知理論

分布式認知理論認為，認知是一個包括認知主體和認知環境的系統，是對信息進行加工的過程，這個過程分布于個體內、個體間、媒介、環境、文化、社會和時間等各認知要素之中[8]。認知科學認為，認知分布于個體大腦內，大腦是實現認知功能的基礎。認知分布在媒介中，是信息在媒介中傳遞表征狀態的一種計算過程，所謂媒介，即公式、符號、圖表、教具、儀器、設備等，不同的信息分布對認知系統的影響是顯著的。認知分布在文化中，受文化直接或間接地影響，不同文化背景的認知主體有不同的認知風格。認知分布在社會中，受認知系統中的規則和與之相關的其他個體的影響，如不同的學校、班級、教師、學生，以及不同的培養目標、課程設置、教學計劃等均會對認知產生顯著影響。認知分布在時間上，即分布在認知主體的過去、現在和未來。綜上所述，分布式認知理論從系統視角強調了認知系統中各要素及各要素之間的交互作用對認知的促進作用，為工程訓練教學改革提供了理論支撐。

（二）系統化工程訓練教學建設原則

“工程訓練”是面向大學一、二年級學生開設的實踐性基礎課程，涉及數字建模仿真、金屬工藝實踐、控制系統設計、數字工廠仿真等實踐內容，涵蓋了20多個實踐模塊（單元），通過系統的工程實踐訓練，學生獲得對機械、電子、信息、管理等專業技術在工程應用中的感性認識和深切體驗，培養學生的實踐能力、工程意識、職業素養，開闊知識視野，激發創新熱情，并為相關理論課程和實驗課程學習奠定必要的實踐基礎。

傳統工程訓練教學模式忽略了各教學要素的交互作用，將實踐認知固化在每個實踐模塊中，不利于學生潛能發掘和創新思維培養[9-10]。根據分布式認知理論，工程訓練是實踐認知過程，這個過程分布在學生、教師、實踐平臺、教學組織等要素中，每個要素均會對工程訓練效果產生顯著影響。因此，應從系統視角開展工程訓練教學建設，具體原則如下。

①樹立實踐系統觀。要以系統的觀點對待工程訓練中的學生、教師、資源等要素，這些要素間的功能關系是開展工程訓練的基礎。

②建立交互機制。分布式認知理論認為，交流交互是實現認知目的的必然方式。因此，要在工程訓練各實踐模塊之間建立關聯，為學生、教師、資源創造交互機會，促進學生對知識的認知與獲取。

③引入先進資源。分布式認知理論強調人工制品在認知中的重要性。工程訓練中的人工制品重點指工具、設備等教學資源，具有承載知識、轉載實踐任務、產生認知留存效應、改變思維方式的積極作用。所以，資源建設是工程訓練改革的重點任務。為積極應對新一輪科技革命和產業變革，國家提出加快發展新質生產力。新質生產力要求勞動者不僅要適應數字技術的快速發展，更要熟練掌握和創新運用數字技術，引領數字技術革命。因此，應在工程訓練中引入數字技術及裝備，擴展學生實踐對象的范圍和領域，讓學生的知識視野、實踐能力、創新思維在工程訓練中提升到新高度。

④堅持立德樹人。習近平總書記指出，“要從黨和國家事業發展全局的高度，堅持為黨育人、為國育才，把立德樹人融入思想道德教育、文化知識教育、社會實踐教育各環節”[11]。《高等學校課程思政建設指導綱要》指出，落實立德樹人根本任務，必須將價值塑造、知識傳授和能力培養三者融為一體、不可割裂。工程訓練應將課程思政貫穿工程訓練全過程，落實為黨育人、為國育才的根本任務。

（三）系統化工程訓練教學目標

在新一輪科技革命和產業變革下，數字化新理念、新業態、新模式正全面融入生產生活的各領域和全過程，催生了數字化技能需求[12]。培養數字化工程人才已成為高校的新使命和新目標。工程訓練作為實踐通識教育，既要立足根本，堅持技術本質教育，又應高瞻遠矚，融合新技術，因此，需要確立“數字素質+X”的教學目標。所謂數字素質，即通過數字化實踐平臺使學生獲得數字化、智能化技術在工業領域應用的直觀認識，并具備初步操作及應用的能力；這里的“+”不僅指代“附加”，更側重于“融合”之意，即將數字素質與其他教學目標高度融合，意味著工程訓練內容是傳統技術與數字化技術的綜合運用；教學目標“X”除了指代工程實踐能力、團隊協作能力、職業素質等基本的目標要求，對于系統化工程訓練，更強調培養系統意識、創新意識。按照上述建設原則和“數字素質+X”教學目標，工程訓練中心把機械臂制造全周期有機融入全部實踐過程，要求學生按照制造工藝流程完成機械臂設計與制造、數字化工廠仿真作業等實踐任務，具體教學目標及實現方式如下。

①深化理論知識理解。通過親自設計方案、親手操作設備，完成機械臂制造實踐任務，學生獲得對機械、材料、電子、信息、計算機、網絡等專業知識在工程應用中的感性認識和體驗，為相關理論課程和實驗課程學習奠定必要的實踐基礎。

②培養基本數字素質。通過機械臂數字化設計、傳統與現代制造、數字工廠作業仿真等實踐環節，培養學生基本數字素質及初步應用能力，開拓學生知識視野，激發學生創新熱情。

③樹立系統意識，培育創新思維。學生按照機械臂制造工藝流程，在適切的教學支架下，合作完成設計、選材、加工、檢測、裝配、調試、仿真等項目式實踐任務，通過親身參與機械臂完整生產周期，培養工程實踐能力，樹立系統意識，培育創新思維。

④塑造職業素質。通過作品流轉、工序銜接、在線交流等教學策略，引導學生在實踐中親身體驗和自發思考，如“他人作品給自己的方案制定帶來什么影響？對機械臂的整體性能產生什么影響？為什么？要注意什么？該怎么做？”，自然而然地培養學生的質量意識、責任意識和協作能力，塑造學生的職業素質。

同時，課程思政貫穿教學全過程，培養學生的工匠精神，增強學生科技強國的自信心、科技報國的家國情懷。

三、系統化工程訓練實踐平臺及功能

物質決定意識，認識來源于實踐。實踐平臺是實現教學目標的基礎條件。根據系統化工程訓練特點及“數字素質+X”的教學目標，實踐平臺建設既要堅持技術本質創新，又應積極引入現代技術，將傳統與智能化技術有機融合，提供基礎、直接、全面、綜合、先進的工程實踐體驗。工程訓練中心通過資源優化重組、校政企聯合共建、數字技術賦能、循環機制建設等舉措，打造了面向機械臂設計與制造的工程訓練平臺，覆蓋了全部實踐模塊，并為其他專業的課程設計、基礎實驗、創新創業實踐提供了有力支撐。

①傳統制造技術實踐平臺。該平臺包括車削、鉗工、銑、刨、齒、焊接、鑄造、熱處理等設備，支撐15個實踐模塊，可用于機械臂部分工件加工制造。學生通過觀感、聽感、觸感直接了解傳統制造方法的基本原理、加工工藝、操作規程、設備保養等方面的知識及技能。

②現代制造技術實踐平臺。該實踐平臺有加工中心、電火花線切割機、激光切割機、3D打印機、快速成型機等設備，支撐5個實踐模塊，可用于機械臂部分工件加工制造。通過實踐，學生初步理解數控加工原理，基本掌握數控編程、加工工藝、操作規程、設備保養等方面的知識和技能。

③電工電子實踐平臺。該實踐平臺配備常用電子儀器、Android嵌入式操作系統、HMI人機交互單元、PLC控制單元、運動控制單元，支撐5個實踐模塊，可用于機械臂控制系統開發。通過實踐，學生基本掌握電路設計、制作、編程、組裝、調試等基本能力。

④數字技術實踐平臺。該實踐平臺將工程訓練與真實工業情景緊密結合，包括云計算中心、數字工廠仿真平臺（DigitalFactorySimulationPlatform）、信息化眾創社區，支撐3個實踐模塊，可開展機械臂數字孿生作業仿真實踐。通過實踐，學生體驗制造業的數字化、智能化，開拓知識視野，激發創新熱情。

⑤備件庫。一是用于回收每個實踐模塊的合格作品；二是為后續實踐模塊提供毛坯，實現工序銜接；三是耗材循環利用，節約資源，減少教學運行成本。

四、系統化工程訓練課程及內容

系統化工程訓練內容包括機械臂設計與制造、數字孿生及作業仿真，涉及產品設計、制造、仿真運行，涵蓋全生產周期，覆蓋更多專業內容和知識點。將機械臂中17種非標準零件及控制系統作為制造對象，將制造任務以項目形式按工藝分解為20多個實踐模塊。四五名學生組成1個項目團隊，按照制造工藝流程進入相關實踐模塊，合作完成制造、裝配、機器人作業仿真等任務。系統化工程訓練內容及實踐平臺如圖1所示。

（一）課程設置

系統化工程訓練課程面向不同專業，堅持可行性原則，適量適度設置機械臂制造項目，課程分為A、B、C、D、E5個類別，均由17個實踐模塊組成，每個模塊8學時，其中，13個模塊是教學計劃規定的必修內容，其余4個模塊是要求學生根據興趣自由選擇的必修內容。例如，工程訓練（A）面向機械大類專業學生開設，要求制造適量的工藝復雜的工件，設計制作控制系統部分電路；工程訓練（B）面向自動化類專業學生開設，要求完成適量簡單的機械制造工序和整個控制系統制作及編程。為實現“數字素質+X”教學目標，機械臂仿真實踐是所有專業學生的必修內容。

（二）實踐內容

①課程概論。在工程訓練開始前，集中講授課程基本情況、實踐內容、實踐目標、成果形式、實施計劃、其他要求等，使學生深刻認識工程訓練在人才培養中的重要意義，明確目標，端正思想，樹立信心，為出色完成工程訓練各項任務做好準備。

②機械臂結構數字模型設計實踐。包含1個實踐模塊，在云計算中心開展。以智能焊接、物料搬運、在線分揀、在線裝配等功能需求為導向，項目團隊分工設計機械臂數字化模型。通過實踐，學生了解機械臂在智能制造中的廣泛應用、關鍵技術和前沿問題。

③基于機械臂制造的金屬工藝實踐。包含15個實踐模塊，在傳統與現代制造技術實踐平臺開展。項目團隊根據機械臂數字模型，編寫課程指定工件的制造工藝；按制造工藝合作完成設計、選材、加工、檢測、裝配等項目式實踐任務。通過實踐，學生直觀認識傳統制造工藝及原理，培養工程實踐、團隊協作能力，樹立質量意識、系統觀念。

④機械臂控制系統設計與開發實踐。包含3個電子實踐模塊、2個電工實踐模塊，在電工電子實踐平臺開展。項目團隊根據機械臂功能需求，設計控制電路、選擇電子元件、焊接PCB板、編程、搭建驅動電路、調試控制系統，實現機械臂規定的功能。通過實踐，學生深入了解電工電子知識，掌握機械臂控制原理與方法，培養綜合應用能力、團隊協作精神。

⑤機械臂仿真實踐。包含3個實踐模塊，在數字技術實踐平臺開展。項目團隊利用數字工廠仿真平臺生成機械臂的數字孿生，在數字化工廠中完成機械臂在線裝配、分揀、物料搬運、智能焊接等規定任務。通過實踐，學生直觀了解機器人技術及智能制造領域的前沿技術和熱點問題，開闊知識視野，激發創新興趣。

（三）課程思政

在工程訓練關鍵知識點中挖掘包含家國情懷、職業素養、工匠精神、創新精神、團隊協作等60多個思政元素，采取分散與集中2種方式開展課程思政。通過案例講解、指導答疑、討論交流、經驗分享等分散方式，在每個實踐模塊中因時、因地、因人、適量、適度地融入思政元素，確保課程思政貫穿實踐全過程；通過專家講座、觀看紀錄片、實地參觀等集中方式，計劃性開展思想政治教育，增強課程思政感染力。

五、系統化工程訓練的組織與實施

系統化工程訓練把機械臂設計及制造任務分解成若干子項目分配至相關實踐模塊中。每個實踐模塊可容納6～8個項目團隊，配備2名指導教師，共8課時。四五名學生組成1個項目團隊，按照機械臂制造工藝流程，即工序銜接原則介入相關實踐模塊，在教師全程跟蹤指導下合作完成實踐任務。

（一）實施流程

OBE（OutcomeBasedEducation，成果導向教育）理念以最終目標為起點，反向進行課程設計，有助于開展教學活動的探索[13]。CDIO〔構思（Conceive）、設計（Design）、實現（Implement）、運作（Operate）〕理念以產品研發到運行的生命周期為載體，通過項目推進過程，引導學生沉浸式融入，充分調動學生的主觀能動性和積極性。OBE與CDIO理念有機結合，優勢互補，可有效提高工程訓練教學質量[14]。

按照“OBE+CDIO”理念，系統化工程訓練教學首先應讓學生明確目標任務，再以目標為導向，在教師適切指導下自主開展設計、加工、裝配等實踐任務。因此，系統化工程訓練整體教學實施流程分為引入任務（E+O+C）、設計方案（D）、加工制造（I）、仿真運行（O）4個環節，每個環節包含1個或多個實踐模塊。

①引入任務。教師集中講授課程概論（E），引入課程內容、目標（O）。項目團隊在課外自主完成資料查閱、市場調研、機械臂結構原理學習、方案構思（C）等實踐準備任務。

②設計方案。完成機械臂結構數字模型設計實踐（D），如果在額定時間內未能完成任務，可在課外繼續完成。方案設計須通過指導教師的審核。

③加工制造。按照工藝流程完成基于機械臂制造的金屬工藝實踐、機械臂控制系統設計與開發實踐，制造出1臺合格的機械臂（I）。實踐過程中，學生在備件庫領取毛坯、標準件及其他配件；每個實踐模塊結束后，學生要將合格作品存入備件庫，供后續實踐模塊選用。

④仿真運行。完成機械臂仿真實踐，利用數字化工廠仿真平臺完成機械臂數字孿生在線裝配、分揀、物料搬運、智能焊接等規定任務（O）。

上述環節由若干個實踐模塊組成。每個實踐模塊是1個子項目任務，也是1個完整的實踐模塊（單元）。按照“OBE+CDIO”理念，每個實踐模塊可劃分為引入（O+E）、實施（I+E）、總結（E）3個階段。引入（O+E）：每個實踐模塊開始時，教師要講解該模塊的目標、成果及相關要求，該過程1課時。實施（I+E）：學生以項目團隊為單位，按照工藝流程和實施方案分工完成該模塊的實踐任務，該過程6課時。總結（E）：為鞏固實踐效果，各項目團隊要對照指標清單自評互評，分享心得體會；教師要點評優秀作品，答疑解惑，對該模塊的實踐過程、結果、效果進行總結記錄，給出評價結果并作為工程訓練課程考核依據之一，該過程1課時。所有環節結束后，學生要整理工具，清理場地，上交工件。

為保障教學效果，在系統化工程訓練過程中，教師要全程扮演服務角色，為學生提供適切的指導和學習支架，實時觀察學生、保障安全，監控進度、把控質量，回應學生，提供資源；要根據學生的能力水平設計不同類型的教學支架，如指引提示、示范指導、適時提問等，促進學生個性化成長；要集中輔導解決共性問題，分散指導解決個性問題；要建立問題與知識清單，收集有待于解決的問題信息，形成解決問題的方案與經驗，有針對性地融入到實踐教學中。

（二）交互機制

交互機制是實現工程訓練系統化的關鍵方法，也是教學組織的核心制度。交互機制包括線上預約、工序銜接、作品流轉、社區交流等制度。

①線上預約。在工程訓練開始前，學生結合教學計劃，通過智慧管控系統線上組建項目團隊、選擇工程訓練課程及類別、按照制造工藝預約各實踐模塊開展時間，線下按照預約時間開展工程訓練，既確保了工序銜接，又實現了學生、教師、資源間的交互。

②工序銜接。學生必須按照制造工序，于線上順次預約、線下接續參加各實踐模塊，如果前序實踐模塊未完成，不得進入后續工序的實踐模塊。工序銜接實現了知識間的關聯。

③作品流轉。每個實踐模塊的作品均被收入備件庫，再經過學生隨機選取，流轉至下一道工序的實踐模塊成為不同設備、不同工藝、不同團隊的實踐對象，實現了工藝交互。

④社區交流。師生可在眾創社區網絡平臺在線交流工程訓練中的問題、經驗、體會、思路，或展示作品、提出建議等，實現了師生全員實時互聯互通。

交互機制打破了時空界限，將工程訓練各要素有機關聯，形成了全員參與、資源共享、信息互通、開放融合的工程訓練新格局，使學生沉浸式參與到工程實踐中，主動性、積極性得到徹底釋放，有利于培養學生的質量意識、系統意識和創新意識。

（三）評價原則

課程考核要科學全面，應堅持過程與結果并重的原則，實現以考促學、以考育人、以考核提升教學質量的目的。系統化工程訓練強化了實踐模塊間的耦合交互；實踐過程是學生知識運用與重構的過程，體現了學生的水平素質；作品是學生實踐的產物，彰顯了學生的工程實踐能力。因此，系統化工程訓練考核要以結果、能力、過程為導向，堅持能力與素質并重的原則。結果考核要根據作品質量、廢品數量等因素綜合評定成績，既能引導學生樹立質量意識，又能督促學生高質量完成作品，從而保證實踐教學質量；同時，要根據學情差異適量增減考核指標或權重系數，要在考核結果中反映出學生隱藏的能力素質。過程考核應主要依據項目進程、學習態度、任務分工、操作方法、團隊協作等方面綜合給出成績，引導學生積極參與，避免出現“濫竽充數”和“出工不出力”等情況，以此樹立學生的質量意識、責任意識、團隊協作意識。根據上述原則，每個實踐模塊均進行過程考核與結果考核。基于過程考核與結果考核2部分成績加權計算得出學生該實踐模塊的最終成績，并根據學情酌情調整加權系數。

六、結束語

文章以培養學生“數字素質+X”為教學目標，構建面向機械臂設計與制造的系統化工程訓練模式，實現了全教學要素有機關聯，有利于培養學生的實踐能力、工程意識、創新思維和職業素養，取得了良好的教學效果。改革沒有暫停鍵。習近平總書記強調，“教育數字化是我國開辟教育發展新賽道和塑造教育發展新優勢的重要突破口”。因此，高校要肩負起為新質生產力培養高端人才的光榮使命，積極推進教育數字化改革，持續深化工程訓練教學改革，按照新質生產力對人才的新要求，結合辦學特色，著力打造校企共建共享的“人工智能+X”實踐平臺，設置融合多元數據與超學科的實踐項目，提升教師數字素質和能力，建立多學科、多行業、多主體的社會評價機制，從而激發工程訓練教學強大的內生動力，為國家新質生產力發展和中國式現代化建設培養高素質人才做出貢獻。

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■編輯∕王力

【收稿日期】2024-08-18【修回日期】2024-09-19

【作者簡介】淮文博，男，副教授，博士，研究方向為機械電子工程、大學生創新創業教育。

【基金項目】西安理工大學2024年教育教學改革研究項目“面向新工科的《工程技術綜合實踐》教學質量研究及實踐”（xjy2483）；西安理工大學2024年教育教學改革研究項目“課程思政引領下知識圖譜賦能——《機械制圖及CAD》一流課程建設的探索與實踐”（xjy2404）