馮崇 宋黎明 丁梧秀

摘?要：機器人行業(yè)的快速發(fā)展導致相關行業(yè)急需具有較高工程實踐能力的機器人相關人才，現有普通本科培養(yǎng)模式對學生工程實踐能力的培養(yǎng)不能滿足企業(yè)需求。本文以洛陽理工學院機器人工程專業(yè)工程實踐能力培養(yǎng)為研究目標，重構課程體系，增加實踐教學比重，分別從興趣引導、項目式教學和創(chuàng)新促學等方面進行了教學改革和實踐，實現了提升學生工程實踐能力的目標。

關鍵詞：機器人工程;實踐教學;工程實踐

隨著國內外機器人行業(yè)的快速發(fā)展，用工業(yè)機器人代替人工勞動已成為必然趨勢，因此培養(yǎng)掌握機器人技術技能的人才已迫在眉睫。在“中國制造2025”戰(zhàn)略的推進下，越來越多的高校開始開設機器人工程專業(yè)[1，2]，2016年只有1所高校獲批機器人工程專業(yè)，2017年有25所，2018年達到60所，而2019年有101所高校獲批機器人工程專業(yè)，這也表明高校已經開始重視機器人相關人才的培養(yǎng)[3]。研究表明機器人工程專業(yè)大學生工程實踐能力的培養(yǎng)應該成為應用型人才培養(yǎng)的主要目標[4，5]。本文以洛陽理工學院機器人工程專業(yè)為例，從加強機器人工程專業(yè)學生實踐能力的培養(yǎng)方面著手進行教學改革，改善應用型本科下機器人工程專業(yè)的培養(yǎng)模式。

一、現狀分析

目前不少高校的實踐教學主要以驗證為主，學生根據既定的實驗指導書按部就班地完成操作部分;對于使用大型設備的實驗，主要以教師操作演示學生參觀為主，有興趣的學生也只能在老師的指導下完成簡單的操作，幾乎不能有創(chuàng)新任務，實驗完成后學生幾乎沒有機會再次操作這些設備，這樣的教學模式很難引起學生的學習興趣，也不利于對學生實踐能力的培養(yǎng)。上述方法對于以培養(yǎng)應用型人才為目標的機器人工程專業(yè)人才培養(yǎng)來說是遠遠不夠的。為此對機器人工程專業(yè)人才培養(yǎng)方法進行改革與探索：把專業(yè)培養(yǎng)貫穿學生的整個學習周期，以實際應用為目標，滿足基礎應用為標準壓縮基礎理論課程，增加實踐教學課程，激發(fā)學生的學習興趣;實驗課和實踐課都貼近企業(yè)實際狀況或直接來源于企業(yè)，通過采用項目式教學和鼓勵學生參加創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)活動的方法，提升學生的工程實踐能力，進而培養(yǎng)滿足企業(yè)實際需要的應用型人才。

二、實施方案

洛陽理工學院是一所應用型本科高校，洛陽理工學院機器人工程專業(yè)是以培養(yǎng)機器人相關應用型人才為目標，以下結合洛陽理工學院機器人工程專業(yè)學生的培養(yǎng)，探討提高學生工程實踐能力的教學方法。

（一）興趣引導

興趣是學生學習最好的老師，在原有先學習基礎課程、再學習專業(yè)基礎課程、最后學習專業(yè)課的課程體系下，學生在入學初期接觸到的專業(yè)知識較少，很難對了解不夠深入的所修專業(yè)有濃厚的興趣。為引起學生的興趣，本專業(yè)打亂原有課程體系，從第一學期開始就讓學生接觸專業(yè)知識，并動手操作與專業(yè)相關的設備，以此引起學生對本專業(yè)的興趣，擴大學生對專業(yè)知識的需求，進一步提高學生學習的積極性。

對于第一學期的課程安排，削減部分理論學時，增加機器人認知性課程。這些認知性課程主要以實踐課為主，以實際操作引導學生初步認識專業(yè)課，并激發(fā)學生對相關課程的學習興趣。為保證學生有足夠的操作時間，實驗室采用預約開放制度，在實驗室沒有課程安排的前提下所有學生都可以預約使用實驗室，并指派專門的老師指導，學生可以利用課余時間練習操作機器人，或者根據學生興趣自行設定目標并完成。這樣不僅增強了學生對本專業(yè)的興趣，并且讓學生在實踐過程中發(fā)現問題并提出解決辦法，進而引發(fā)學生對后續(xù)知識的需求和興趣。第二學期引入機器人系統(tǒng)集成應用操作和軟件設計基礎課程，全部采用項目式或任務式教學，讓學生了解機器人相關項目的實施流程，進一步提升學生的工程實踐能力。

學生在對機器人等相關設備有了興趣和初步認識之后，渴望進一步了解機器人的相關理論知識。因此第三四學期增加機器人機械工程基礎、機器人控制工程基礎、機器人學基礎、感知與傳感技術、電氣控制與PLC、電機及驅動技術等課程，同時整合課程內容，重新修訂原有大綱，每一門課程都包含實踐課或實驗課，確保理論教學與實踐教學同步進行。例如機器人機械工程基礎課程，傳統(tǒng)機械工程基礎主要講解各種機構的原理與組成。現在整個課程的開始就先讓同學們根據說明書拆解六自由度工業(yè)機器人，了解工業(yè)機器人的基本組成，之后提出問題：工業(yè)機器人為什么要這樣設計、減速機如何選型、為什么要用這么大的螺釘等，以此引出機器人機械工程基礎課程的課程目標和課程內容。再例如電機及驅動技術課程，原有電機相關理論課程都是從基礎理論講起，整個課程大部分學時都在推導電機的各種數學模型。現在先把驅動六自由度工業(yè)機器人作為實踐任務對象，在此基礎上分別講解使用直流電機、步進電機、伺服電機以及特種電機驅動六自由度工業(yè)機器人的方法和如何根據機器人需求選擇合適的電機，在此過程中講解電機的相關知識。

在了解工業(yè)機器人硬件結構之后，學生開始需要掌握機器人控制系統(tǒng)方面的知識才能更好地控制機器人。因此第五六學期開設微控制器原理及接口技術、機器人運動規(guī)劃與控制、ROS系統(tǒng)應用、機器人末端執(zhí)行器設計與實踐等課程，分模塊講述機器人控制系統(tǒng)的各個組成部分。例如機器人運動規(guī)劃與控制課程，學生在學習機器人學基礎課程之后已經知道如何根據機器人的目標位置求解機器人各個關節(jié)的運動角度，但是如何保證機器人運動的平穩(wěn)性，以此引出此課程的學習目標和學習內容。

第七八學期為企業(yè)實習和畢業(yè)設計階段。課堂的教學環(huán)境有限，不能為學生完整展現實際工業(yè)現場，因此第七學期把學生安排到機器人相關企業(yè)頂崗實習。在第六學期結束前，安排機器人相關企業(yè)到學校做企業(yè)宣講，學生可以根據自己的特長和興趣投遞簡歷，企業(yè)根據自己的需要選擇合適的學生到企業(yè)實習，并指派企業(yè)導師在企業(yè)輔導學生。學校根據學生實習情況和教師特長指派學校導師輔導學生，以雙導師指導模式引領學生完成企業(yè)實習。在企業(yè)實習過程中企業(yè)導師可以根據學生的實習情況和學生特點設計出相關課題作為學生的畢業(yè)設計，繼續(xù)由學校導師和企業(yè)導師共同指導完成學生的畢業(yè)設計。在這個過程中學生和企業(yè)還可以根據雙方意向簽訂就業(yè)協議，進而達到服務企業(yè)和促進學生就業(yè)的目標。

（二）項目式教學

本專業(yè)的培養(yǎng)目標是培養(yǎng)機器人系統(tǒng)集成方向的應用型人才，故培養(yǎng)方案中的專業(yè)課程都是為這個目標服務的。

為增強學生學以致用的能力和實踐動手能力，在教學活動中多采用項目式教學。例如在第二學期開設的《機器人系統(tǒng)集成應用操作》課程，此時學生專業(yè)基礎課學習的較少，課程目標就是讓學生掌握簡單工業(yè)機器人系統(tǒng)集成方法，具有設計簡單機器人工作站的能力。因此，課程的所有內容都是圍繞設計一個簡單工作站的項目展開。首先帶領學生進行項目分解，把整個項目分為機器人部分和運動控制部分，再把這兩部分分成若干個子項目，同時把知識點融入子項目中，如右圖所示?！稒C器人系統(tǒng)集成應用操作》課程全部在實驗室中完成，在具體教學中，由于學生對專業(yè)元器件認識較少，每個子項目完成之前先由教師以滿足本次課程使用為度講解基礎知識，之后學生馬上完成相應的實踐環(huán)節(jié)，達到隨學隨用的效果。完成試驗后由教師為學生現場答疑，解決學生在實驗過程中遇到的問題，再由教師并提出若干問題留作課下任務，引導學生課后復習和課前預習。如在利用機器人完成一個工件的搬運后，提出“需要搬運多個工件時怎么做？”留給學生思考，在下一次上課前提問學生，之后的課程任務就是在搬運一個工件的基礎上搬運多個工件，實現促使學生課后復習和課前預習的效果，引導學生對后續(xù)課程的思考和后續(xù)知識的需求，逐步推進，進而完成課程目標。

（三）創(chuàng)新促學

競賽可以增強學生理論聯系實際解決實際工程問題的能力，進一步提高學生的工程實踐能力，同時培養(yǎng)學生的團隊協作意識和創(chuàng)新意識。為督促學生積極參加創(chuàng)新比賽，在培養(yǎng)方案中設置2學分的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學分，激勵全員參與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)活動。

在做好創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)服務方面，首先，指導學生成立創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)社團，搭建學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實驗室，積極組織學生參加各種創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)比賽，然后組織一些簡單入門類比賽，通過舉辦創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽，模擬實踐等方式，豐富學生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)知識和體驗，提升學生的創(chuàng)新精神和創(chuàng)業(yè)能力。例如把AGV小車簡化為循跡小車組建賽事，讓學生利用傳感器相關課程所學知識自主選擇合適的傳感器檢測既定軌跡，利用物理知識根據既定場地材質確定車輪材質，利用電機相關課程所學知識選擇合適的驅動電機，利用微機原理相關課程搭建小車控制系統(tǒng)控制小車運動等，利用賽事讓學生所學知識得以應用;最后根據比賽成績發(fā)放獲獎證書，以此增強學生的成就感，促進其參加其他比賽，形成良性循環(huán)。

其次，組建創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教學體系和第二課堂等，把創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)與課程教學內容結合起來。例如機器人末端執(zhí)行器設計課程，把設計機器人末端執(zhí)行器作為課程內容考核任務，同時選取部分優(yōu)秀設計案例由學生進行加工制作，之后把學生設計制作的末端執(zhí)行器裝載到實驗室設備上使用，用實際應用效果來驗證學生設計的可行性，并發(fā)現學生設計的不足，進而培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力和工程實踐能力，為將來的工作積累經驗。同時學生制作的末端執(zhí)行器還可以作為下一屆學生的教具，后續(xù)學生可以借鑒往屆學生的經驗，在他們基礎不斷完善這些末端執(zhí)行器，形成良性循環(huán)。

最后，帶領學生進入企業(yè)參觀學習，邀請一線工人針對自己的工位介紹自己的工作內容和設備使用情況，同時讓一線工人指出部分設備的優(yōu)化需求，學生分組討論優(yōu)化方案，達到讓學生主動了解相關知識，并發(fā)現自身不足的目的，進而在以后根據自己興趣有目標的學習。邀請企業(yè)優(yōu)秀項目經理利用實際項目為學生開展創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)講座，讓學生了解完整項目的實施過程和注意事項，增強學生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)意識，進一步培養(yǎng)學生的工程實踐能力。

三、結語

洛陽理工學院從2016年開始在機械設計制造及其自動化專業(yè)和自動化專業(yè)設置機器人方向，2018年開始正式招收機器人工程專業(yè)學生，通過持續(xù)不斷提升工程實踐能力培養(yǎng)的嘗試和改進，學生整體的工程實踐能力得到大幅度提升，獲得企業(yè)高度評價。

參考文獻：

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[2]楊斌，李彥林，許勝.“機器人工程”專業(yè)人才培養(yǎng)模式探索[J].教育現代化，2018，5（53）：2022.

[3]王帥，吳成東，賈子熙，王斐.面向新工科的機器人工程專業(yè)創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式探索[J].教育教學論壇，2020（14）：5254.

[4]王成琳，谷明信.新工科背景下應用型本科院校機器人工程人才培養(yǎng)模式探索——以重慶文理學院為例[J].科技創(chuàng)新導報，2019，16（24）：155157.

[5]胡而已，唐超權.機器人工程新工科專業(yè)人才培養(yǎng)模式淺析[J].教育教學論壇，2019（32）：259260.

基金項目：本文系河南省新工科研究與實踐立項項目（2020JGLX078）、河南省高等教育教學改革研究與實踐立項重點項目（2019SJGLX150）和洛陽理工學院教學研究項目（17JY33）的研究成果

作者簡介：馮崇，男，河南駐馬店人，碩士，助教，研究方向：機器人工程;宋黎明，男，河南孟州人，助教，研究方向：人機工程;丁梧秀，女，山西運城人，博士，教授，研究方向：教育教學管理。