季 曄，馮 崇，李素芳，孫小撈

(洛陽理工學(xué)院 智能制造學(xué)院，河南 洛陽 471023)

自2012年以來，我國沿海地區(qū)出現(xiàn)了勞動力緊缺現(xiàn)象，這種趨勢逐步擴(kuò)展到內(nèi)陸，依靠人口紅利發(fā)展的行業(yè)將不得不做出改變[1]。為了改善現(xiàn)有生產(chǎn)組織模式，國內(nèi)越來越多的制造業(yè)企業(yè)對工業(yè)機(jī)器人有了迫切需求，這一形勢催生了工業(yè)機(jī)器人教育和培訓(xùn)行業(yè)的發(fā)展。國內(nèi)本科院校開設(shè)機(jī)器人工程及相關(guān)專業(yè)始于2016年[2]，主要培養(yǎng)機(jī)器人機(jī)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)、系統(tǒng)集成、智能控制、視覺算法、軌跡追蹤等方向的工程技術(shù)人員。各高職高專院校開設(shè)的機(jī)器人專業(yè)主要培養(yǎng)機(jī)器人操作、維修、安裝與調(diào)試等一線崗位應(yīng)用型技能勞動者[3]。工業(yè)機(jī)器人涉及數(shù)學(xué)、力學(xué)、機(jī)械等多個(gè)學(xué)科相互交叉、相互融合，最明顯的特征是高技術(shù)、高人才、高資金。當(dāng)前，企業(yè)對這方面的人才要求是能夠熟練掌握相關(guān)專業(yè)知識，能對工業(yè)機(jī)器人的問題進(jìn)行分析、解決，并結(jié)合相關(guān)流程進(jìn)行二次開發(fā)和具備相關(guān)管理經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)還能將軟硬件結(jié)合，盡可能降低運(yùn)行成本，提高工作效率，但這種技術(shù)人才相當(dāng)稀缺。當(dāng)前，學(xué)校的重要任務(wù)是培養(yǎng)機(jī)器人方面的技術(shù)人才，使其能夠結(jié)合不同工藝實(shí)現(xiàn)相關(guān)流程的二次開發(fā)，進(jìn)而開拓市場[4]。OBE(Outcomes-based Education)是基于產(chǎn)出導(dǎo)向的先進(jìn)教育理念，由Spady等人于1981年提出[5]，此后經(jīng)過10年左右的發(fā)展形成了比較完整的理論體系，是用于衡量工科本科教育質(zhì)量的工程專業(yè)教育認(rèn)證三大理念之一，國內(nèi)許多高校已運(yùn)用該理念開展課程教學(xué)[6-8]。工業(yè)機(jī)器人課程是本校機(jī)械電子工程專業(yè)的特色選修課，課程開設(shè)為學(xué)生畢業(yè)后服務(wù)機(jī)械設(shè)計(jì)與制造行業(yè)和洛陽智能裝備產(chǎn)業(yè)奠定基礎(chǔ)。課程具有多學(xué)科交叉、實(shí)踐性和理論性強(qiáng)等特點(diǎn)，內(nèi)容包括機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)、工業(yè)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、機(jī)器人控制理論、工業(yè)機(jī)器人傳感器、工業(yè)機(jī)器人編程等。

1 傳統(tǒng)課堂教學(xué)和考核方式存在的問題

第一，傳統(tǒng)課堂教學(xué)以講授為主，未突出學(xué)生的主體地位。教師習(xí)慣于單向灌輸式講授，課堂互動偏少。教學(xué)過程中忽視學(xué)生的反饋，學(xué)生思考空間不足，無法培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和團(tuán)隊(duì)合作能力。認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)中畢業(yè)要求第九條明確提出了個(gè)人和團(tuán)隊(duì)角色要求，在課程教學(xué)中沒有充分考慮學(xué)生的主體地位，沒有落實(shí)以“教”為中心向“學(xué)”為中心的轉(zhuǎn)變。第二，課程對自然科學(xué)理論要求高，部分內(nèi)容理解難度大，學(xué)生容易喪失學(xué)習(xí)興趣。本課程綜合性強(qiáng)，涵蓋較多數(shù)學(xué)、力學(xué)理論，公式推導(dǎo)內(nèi)容多，初學(xué)者理解難度大，若缺乏學(xué)習(xí)毅力，難以實(shí)現(xiàn)課程目標(biāo)。與應(yīng)用型為主的課程相比，枯燥的數(shù)學(xué)公式及其推導(dǎo)過程容易使學(xué)生喪失學(xué)習(xí)興趣。第三，試卷考核主要考查基本概念，難以體現(xiàn)OBE理念。OBE理念強(qiáng)調(diào)學(xué)生在學(xué)的過程取得什么效果，試卷考試往往是以教師為中心，體現(xiàn)的是教師對課程認(rèn)識的體現(xiàn)。試卷考核題型主要有填空題、選擇題、判斷題、簡答題和計(jì)算題等，以考查基本概念和簡單應(yīng)用為主，難以體現(xiàn)成果導(dǎo)向。第四，課程思政元素融入不足。課程思政強(qiáng)調(diào)全員、全程、全方位育人，在傳統(tǒng)教學(xué)中，尤其是專業(yè)課教學(xué)，關(guān)注的重點(diǎn)是本課程難點(diǎn)，很少考慮課程與社會、健康、職業(yè)規(guī)范等因素的關(guān)系。

2 畢業(yè)要求和培養(yǎng)目標(biāo)分析

2.1 畢業(yè)要求

認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)中的畢業(yè)要求共12條，本校機(jī)械電子工程專業(yè)將12條畢業(yè)要求分解為34個(gè)指標(biāo)點(diǎn)。本課程支撐其中的3個(gè)指標(biāo)點(diǎn)，A.工程知識：掌握機(jī)械工程基礎(chǔ)知識和機(jī)械電子工程專業(yè)知識，具有對機(jī)械工業(yè)自動化裝備領(lǐng)域復(fù)雜工程問題進(jìn)行分析與解決的能力。B.問題分析：能夠運(yùn)用數(shù)學(xué)、自然科學(xué)基本原理研究、分析機(jī)械工業(yè)自動化裝備領(lǐng)域復(fù)雜工程問題，并提出多種解決方案。C.使用現(xiàn)代工具：掌握機(jī)械工業(yè)自動化裝備領(lǐng)域復(fù)雜工程問題的工程計(jì)算、仿真、分析、預(yù)測、控制方法，并能在實(shí)踐中認(rèn)識到相關(guān)工具的局限性。課程支撐指標(biāo)點(diǎn)符合OBE教學(xué)理念，重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)了對復(fù)雜工程問題進(jìn)行分析與解決的能力。數(shù)學(xué)、力學(xué)等自然科學(xué)基本原理是解決復(fù)雜工程問題的基礎(chǔ)，工程計(jì)算、仿真和分析能力是指運(yùn)用現(xiàn)代化軟件進(jìn)行數(shù)學(xué)建模、編程計(jì)算的能力。

2.2 培養(yǎng)目標(biāo)

本專業(yè)學(xué)生畢業(yè)后，通過5年左右的實(shí)踐，期望達(dá)到以下目標(biāo)：第一，能夠?qū)C(jī)械工業(yè)自動化專業(yè)知識與技能，結(jié)合人文社會科學(xué)知識，在社會可持續(xù)發(fā)展的理念下，解決機(jī)械工業(yè)自動化裝備領(lǐng)域的復(fù)雜工程問題；第二，擁有主動的、終生的學(xué)習(xí)習(xí)慣和能力，能夠主動跟蹤專業(yè)領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展，具備工程實(shí)踐和創(chuàng)新能力，運(yùn)用前沿和創(chuàng)新技術(shù)從事機(jī)械工業(yè)自動化裝備的設(shè)計(jì)、研發(fā)和技術(shù)管理工作；第三，具備團(tuán)隊(duì)合作能力、溝通能力和寬闊視野，進(jìn)行項(xiàng)目管理和決策過程中，能夠積極主動地適應(yīng)社會發(fā)展和環(huán)境變化，與團(tuán)隊(duì)成員和社會有關(guān)各方有效溝通交流；第四，具備人文社會科學(xué)素養(yǎng)，能夠在工程實(shí)踐中遵守工程職業(yè)道德和規(guī)范，熟悉國家法律法規(guī)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，能夠積極主動地適應(yīng)社會發(fā)展，具有社會責(zé)任感，堅(jiān)持公眾利益優(yōu)先。

3 學(xué)情分析

第一，工程實(shí)踐經(jīng)歷少?，F(xiàn)階段的學(xué)生學(xué)習(xí)了高等數(shù)學(xué)等自然科學(xué)類課程和部分專業(yè)基礎(chǔ)課程，對專業(yè)有一定認(rèn)識，但對專業(yè)課程應(yīng)用領(lǐng)域了解不充分。除金工實(shí)習(xí)外，學(xué)生實(shí)踐經(jīng)歷和工程經(jīng)驗(yàn)較少。第二，習(xí)慣被動學(xué)習(xí)，主動思考不足。學(xué)生習(xí)慣于以往的學(xué)習(xí)習(xí)慣，教師講、學(xué)生聽的教學(xué)模式仍占主導(dǎo)。學(xué)生主動發(fā)現(xiàn)問題、提出問題并思考問題的動力不足。第三，職業(yè)規(guī)劃尚不明確。學(xué)生對繼續(xù)深造、就業(yè)、創(chuàng)業(yè)等未來思考和認(rèn)識有限，崗位能力要求不清晰。職業(yè)規(guī)劃是一項(xiàng)長期復(fù)雜的系統(tǒng)工作，其本質(zhì)在于培養(yǎng)大學(xué)生的職業(yè)意識和職業(yè)觀念，提升大學(xué)生的職業(yè)素養(yǎng)。高校在開展大學(xué)生就業(yè)指導(dǎo)時(shí)，需要結(jié)合社會主客觀因素和職業(yè)需求，在了解學(xué)生個(gè)體差異、性格、能力等各方面基礎(chǔ)上，幫助學(xué)生制訂行之有效的職業(yè)發(fā)展規(guī)劃，并在此基礎(chǔ)上提升大學(xué)生職業(yè)能力。大學(xué)生職業(yè)規(guī)劃貫穿于整個(gè)大學(xué)階段，需要利用大學(xué)課堂、專題講座、調(diào)查實(shí)習(xí)等方式開展個(gè)性化指導(dǎo)。

4 課程建設(shè)與改革實(shí)踐

4.1 提供參考書和論文期刊等資源供學(xué)生課下閱讀

教學(xué)中提出典型問題，學(xué)生課下查閱和自學(xué)，課堂上講述、討論資料查閱過程和學(xué)習(xí)結(jié)果，如機(jī)器人自由度計(jì)算及計(jì)算公式由來、工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)特點(diǎn)、強(qiáng)耦合非線性方程組求解方法等。

4.2 以案促教，學(xué)以致用

通過機(jī)器人真實(shí)應(yīng)用案例，如SCARA機(jī)器人在電子工業(yè)、汽車工業(yè)中的應(yīng)用，DELTA并聯(lián)機(jī)器人在食品行業(yè)中的應(yīng)用，說明理論學(xué)習(xí)的必要性和重要性。公開展示運(yùn)動控制程序代碼，加強(qiáng)學(xué)生對理論的認(rèn)識。

4.3 通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)增強(qiáng)學(xué)習(xí)效果

工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)建模、計(jì)算理論難度大，為了保證學(xué)習(xí)效果，利用國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺讓學(xué)生理解課程內(nèi)容，深刻感受理論在實(shí)踐中的應(yīng)用，充分認(rèn)識復(fù)雜工程問題。

4.4 融入思政元素

A.機(jī)器人技術(shù)發(fā)展史。引入機(jī)器人技術(shù)發(fā)展史，講解魯班制作的木鳥和諸葛亮的木牛流馬等中國元素。結(jié)合“中國制造2025”和我國大國重器等內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生愛專業(yè)、服務(wù)行業(yè)和社會的情懷。B.科學(xué)精神和工匠精神。機(jī)構(gòu)位姿分析時(shí)需建立笛卡爾固定坐標(biāo)系和運(yùn)動坐標(biāo)系，講解笛卡爾坐標(biāo)系產(chǎn)生過程；機(jī)構(gòu)速度分析時(shí)，需要建立雅克比矩陣，講解雅克比的人物生平；機(jī)器人傳感器介紹時(shí)引入霍爾效應(yīng)，介紹物理學(xué)家霍爾；機(jī)器人控制理論講解時(shí)，引入錢學(xué)森所著《工程控制論》及人物生平講解，弘揚(yáng)科學(xué)精神。機(jī)器人實(shí)驗(yàn)和編程操作實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)，引入本市制造業(yè)企業(yè)中涌現(xiàn)的大工匠，激勵(lì)學(xué)生在工作崗位潛心鉆研科學(xué)和技術(shù)。C.我國典型的機(jī)器人及智能裝備。在緒論舉例時(shí)，讓學(xué)生通過視頻了解本市中信重工研發(fā)的消防機(jī)器人；介紹我國首個(gè)火星探測器“祝融”號；介紹深海探測機(jī)器人——“海洋一號”，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)動力，樹立專業(yè)自豪感。D.人工智能技術(shù)的意義。引入芯片制造難題，提醒學(xué)生關(guān)注行業(yè)痛點(diǎn)。通過工業(yè)機(jī)器人生產(chǎn)現(xiàn)場行業(yè)應(yīng)用，讓學(xué)生認(rèn)識工業(yè)機(jī)器人對環(huán)境、健康和可持續(xù)發(fā)展的影響；介紹工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域高新技術(shù)和工業(yè)機(jī)器人“四大家族”，擴(kuò)展學(xué)生國際視野。

5 教學(xué)方法和考核評價(jià)

第一，采用多媒體與板書相結(jié)合的課堂教學(xué)，難度大的理論建模推導(dǎo)過程采用板書，利用MOOC和學(xué)習(xí)通等網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源，精選部分內(nèi)容用于課堂教學(xué)。第二，采用項(xiàng)目教學(xué)法、分組討論法等多種教學(xué)方法，讓學(xué)生成為學(xué)習(xí)的主體。學(xué)生課下完成布置的任務(wù)，讓學(xué)生體驗(yàn)如何講解和剖析問題，進(jìn)一步喚起學(xué)生對課程的思考。第三，健全課程考核評價(jià)體系。增加實(shí)驗(yàn)、課堂表現(xiàn)、課下任務(wù)完成情況、課堂任務(wù)講解等環(huán)節(jié)的考查，并計(jì)入課程考核成績。第四，課程采用模塊化教學(xué)。傳統(tǒng)的教學(xué)模式主要是以教科書章節(jié)編排為序，從前至后進(jìn)行教學(xué)。模塊化教學(xué)在充分分析培養(yǎng)目標(biāo)和學(xué)生能力要求的基礎(chǔ)上，打破傳統(tǒng)授課模式，整合教學(xué)內(nèi)容，提高學(xué)習(xí)效果。課程分為機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)(機(jī)器人本體)、機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)(運(yùn)動學(xué)和動力學(xué))、機(jī)器人控制系統(tǒng)、機(jī)器人傳感器四大模塊，各模塊之間既有聯(lián)系又相對獨(dú)立。機(jī)械結(jié)構(gòu)模塊與機(jī)械設(shè)計(jì)課程結(jié)合、機(jī)構(gòu)學(xué)模塊與機(jī)械原理課程結(jié)合、控制系統(tǒng)模塊與控制工程基礎(chǔ)課程結(jié)合、傳感器模塊與機(jī)械工程測試技術(shù)課程結(jié)合，這些課程的教學(xué)內(nèi)容是本課程的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)，機(jī)構(gòu)學(xué)模塊和控制系統(tǒng)模塊是機(jī)械原理和控制工程基礎(chǔ)課程內(nèi)容的提升。第五，鑒于課程特點(diǎn)，課程考核亦分模塊進(jìn)行，其中機(jī)械結(jié)構(gòu)模塊、控制系統(tǒng)模塊和傳感器模塊作為平時(shí)作業(yè)，加強(qiáng)教學(xué)過程考核，要求學(xué)生通過查閱資料獨(dú)立完成各模塊任務(wù)，適當(dāng)增加課程學(xué)習(xí)難度。期末考核采用項(xiàng)目大作業(yè)形式，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)要求學(xué)生課下獨(dú)立完成機(jī)器人機(jī)構(gòu)建模、仿真和計(jì)算等主要內(nèi)容，并以科技論文形式提交報(bào)告?？己瞬辉僮裱嚲砜己藢虒W(xué)知識點(diǎn)的面面俱到，課程其余內(nèi)容在課下任務(wù)階段以查閱資料、作業(yè)和課堂講解的形式進(jìn)行過程考核，課程考核目的旨在進(jìn)一步提升學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。

6 持續(xù)改進(jìn)

第一，進(jìn)一步加強(qiáng)以學(xué)生為中心的教學(xué)方法運(yùn)用，提升學(xué)生學(xué)習(xí)效果，實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)目標(biāo)的達(dá)成。以O(shè)BE理念為指導(dǎo)，完善課程教學(xué)過程。第二，充實(shí)線上教學(xué)資源，實(shí)現(xiàn)線上線下的混合式教學(xué)。進(jìn)一步補(bǔ)充工業(yè)機(jī)器人相關(guān)的工程問題，穩(wěn)步提升學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。第三，通過QQ群、微信群、公眾號等通訊手段關(guān)注畢業(yè)生各階段發(fā)展軌跡，利用假期進(jìn)行畢業(yè)生走訪，與其所在單位領(lǐng)導(dǎo)及技術(shù)負(fù)責(zé)人溝通交流，了解其工作狀態(tài)，對學(xué)校建筑學(xué)專業(yè)培養(yǎng)計(jì)劃內(nèi)容提出中肯意見。這種長期閉環(huán)的教學(xué)跟蹤，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)教學(xué)中的不足，持續(xù)改進(jìn)課程教學(xué)過程和考核內(nèi)容。

7 結(jié)語

OBE理念在國內(nèi)高校教學(xué)改革中廣泛應(yīng)用，其指導(dǎo)下的課程教學(xué)是保證人才培養(yǎng)質(zhì)量的重要方法和手段，引領(lǐng)工程教育的改革方向。根據(jù)工業(yè)機(jī)器人課程教學(xué)中存在的問題，分析了學(xué)生學(xué)情和課程支撐指標(biāo)點(diǎn)，以提高學(xué)生解決復(fù)雜工程問題為目標(biāo)，對課程建設(shè)、教學(xué)方法、考核方式進(jìn)行了全方位改革。通過課程內(nèi)容設(shè)計(jì)、教學(xué)方案構(gòu)建、教學(xué)方法介紹、教學(xué)案例和教學(xué)效果評價(jià)，開展基于工程教育理念的工業(yè)機(jī)器人課程教學(xué)改革與實(shí)踐。實(shí)踐表明，教學(xué)改革后學(xué)生的課程專業(yè)培養(yǎng)能力達(dá)成度比以往有所提高，學(xué)生的學(xué)習(xí)方式更趨多樣化，更加注重學(xué)習(xí)過程與學(xué)習(xí)效果，提升了人才培養(yǎng)質(zhì)量。