何偉鋒 龔敏 吳鵬 郭建文
(1.東莞理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院,廣東東莞 523808;2.機(jī)器時代(北京)科技有限公司,北京 100000)
工程訓(xùn)練是目前工科院?;镜慕虒W(xué)課程,它是從“金工實習(xí)”課程進(jìn)行更深層次的改革,從而進(jìn)一步提高大學(xué)生的實踐能力和工程素養(yǎng)能力,是大學(xué)生學(xué)習(xí)認(rèn)知生產(chǎn)方式和生產(chǎn)工藝的重要實踐教學(xué)環(huán)節(jié)[1]。工程訓(xùn)練教學(xué)內(nèi)容分成四個層次,一是工程認(rèn)知,二是基礎(chǔ)實踐知識培養(yǎng),三是綜合實踐能力培養(yǎng),四是自主創(chuàng)新能力培養(yǎng)[2]。為使四個層次能進(jìn)一步融合和提升,除了日常的工程訓(xùn)練課堂教學(xué)以外,更重要的是通過項目化實訓(xùn)和開展學(xué)科競賽的形式,進(jìn)一步提升學(xué)生的綜合實踐能力和自主創(chuàng)新能力,從而提高本科教育水平和人才培養(yǎng)質(zhì)量。
通過介紹東莞理工學(xué)院工程訓(xùn)練教學(xué)內(nèi)容中的機(jī)器人教學(xué)模塊如何以學(xué)科競賽為依托,改革目前的教學(xué)目標(biāo)和課程內(nèi)容,以《全國普通高校大學(xué)生競賽白皮書(2012-2017)》和近幾年全國大學(xué)生機(jī)器人類別的學(xué)科競賽命題為指導(dǎo)思想,通過建立師資培訓(xùn)項目組建導(dǎo)師組,布置多個課內(nèi)機(jī)器人比拼競賽命題。同時結(jié)合東莞理工學(xué)院實際情況,從教學(xué)理念、教學(xué)體系、教師思政育人能力、實訓(xùn)教學(xué)思政資源和實訓(xùn)平臺改善五個層面進(jìn)行機(jī)器人創(chuàng)新實訓(xùn)課程的改革,進(jìn)一步提升學(xué)生的創(chuàng)新能力和綜合工程素養(yǎng),培養(yǎng)具備創(chuàng)新型和應(yīng)用型素質(zhì)的卓越工程師[3]。其中包括:建設(shè)成東莞理工學(xué)院機(jī)器人教學(xué)師資培訓(xùn)基地,提供交流教學(xué)經(jīng)驗、展示成果和共享資源的機(jī)會;建設(shè)成提高實驗教師和學(xué)生機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計、機(jī)器人運動學(xué)、程序設(shè)計等知識內(nèi)容的重要場所,提升師資隊伍整體工程實踐能力和提高學(xué)生創(chuàng)新能力和綜合工程素養(yǎng);建設(shè)成機(jī)器人創(chuàng)新實訓(xùn)教學(xué)與思政教學(xué)相互融合,進(jìn)一步激發(fā)了大學(xué)生團(tuán)結(jié)協(xié)作和精益求精的潛能,真正體會工匠精神,提高了大學(xué)生動手能力及競爭意識;促進(jìn)教師加強(qiáng)自身素養(yǎng)和“師德師風(fēng)”建設(shè),為東莞理工學(xué)院的卓越工程師人才培養(yǎng)目標(biāo)奠定良好基礎(chǔ);建設(shè)成各類大學(xué)生課外學(xué)科競賽、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)活動的交流推廣平臺,營造創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)文化氛圍。
東莞理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院機(jī)器人創(chuàng)新實驗室成立于2015年,是東莞理工學(xué)院工程訓(xùn)練中心主要實驗室之一,教學(xué)用地面積約250 m2,最初只有2臺三軸機(jī)械手和若干套arduino編程教學(xué)套件,但實訓(xùn)學(xué)生人數(shù)眾多,無法保證學(xué)生人均一套設(shè)備進(jìn)行實踐操作,只能把機(jī)器人實訓(xùn)教學(xué)分多批進(jìn)行。該教學(xué)模式存在兩個問題:1)分組太多,實訓(xùn)學(xué)生的學(xué)時不可避免的減少,缺少了動手操作的機(jī)會,造成部分學(xué)生參與度不高;2)高強(qiáng)度的重復(fù)性教學(xué)內(nèi)容,讓實驗教師缺乏教學(xué)激情,影響教學(xué)質(zhì)量,上課疲勞也容易導(dǎo)致安全事故的發(fā)生。在深化教學(xué)體制和運行機(jī)制改革的同時,對工程訓(xùn)練機(jī)器人教學(xué)課程的教學(xué)改革勢在必行。
基于國家創(chuàng)新驅(qū)動戰(zhàn)略下高校創(chuàng)新人才培養(yǎng)的要求,結(jié)合學(xué)校堅持培養(yǎng)適應(yīng)現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)發(fā)展需要的高素質(zhì)應(yīng)用型創(chuàng)新人才的宗旨,在機(jī)器人創(chuàng)新實訓(xùn)教學(xué)中,以產(chǎn)業(yè)需求為導(dǎo)向,構(gòu)建以師資培訓(xùn)交流、理論與實踐教學(xué)、學(xué)生創(chuàng)新能力提升為主的培養(yǎng)體系,如圖1所示。
圖1 機(jī)器人創(chuàng)新實訓(xùn)教學(xué)的培養(yǎng)體系
東莞理工學(xué)院工科專業(yè)工程訓(xùn)練培養(yǎng)方案以應(yīng)用型人才培養(yǎng)為目的,面向企業(yè)實際應(yīng)用,著重強(qiáng)調(diào)學(xué)生在工程實踐的應(yīng)用能力,掌握各門工種的實踐技能。而機(jī)器人創(chuàng)新實訓(xùn)教學(xué)是一門綜合性較強(qiáng)的科目,它結(jié)合了電子、通信、機(jī)械等知識內(nèi)容,通過搭建機(jī)器人主體機(jī)械結(jié)構(gòu),借助軟件編程開發(fā)和數(shù)字通訊來開展教學(xué)活動。因此,在多學(xué)科融合的實踐教學(xué)中,如何激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、增強(qiáng)學(xué)習(xí)自信心、鍛煉動手能力、提高創(chuàng)新能力,是機(jī)器人創(chuàng)新實訓(xùn)教學(xué)改革的重要研究內(nèi)容。
根據(jù)東莞理工學(xué)院工程訓(xùn)練中心目前已有的實驗條件、師資團(tuán)隊教學(xué)水平等實際情況,結(jié)合工科專業(yè)工程訓(xùn)練培養(yǎng)方案,優(yōu)化教學(xué)體系,建立理工科大學(xué)生理論知識能力培養(yǎng)與工程實踐能力提升協(xié)調(diào)發(fā)展的教學(xué)實踐平臺。主要的實施方案有:1)完善人才培養(yǎng)方案,采用基本理論教學(xué)、項目化訓(xùn)練、企業(yè)實戰(zhàn)課題等形式,快速將理論知識運用到生產(chǎn)實踐中;采取整個師資團(tuán)隊指導(dǎo)實訓(xùn)教學(xué),實現(xiàn)每次3~4名指導(dǎo)教師輔導(dǎo)10~15名學(xué)生的小組化教學(xué),制作完成的機(jī)器人進(jìn)行課堂競技,提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和教學(xué)效果。2)完善課程體系構(gòu)建,堅持以創(chuàng)新實踐教學(xué)與實際生產(chǎn)需求相結(jié)合,堅持以增強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新發(fā)展意識和提高工程實踐能力為目的。學(xué)生根據(jù)企業(yè)經(jīng)典課題,能深入了解企業(yè)在產(chǎn)品研發(fā)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、程序編寫、調(diào)試與應(yīng)用等多方面的實踐內(nèi)容,實現(xiàn)理論與實踐的緊密結(jié)合。3)加強(qiáng)實踐平臺建設(shè),引入互聯(lián)網(wǎng)+、挑戰(zhàn)杯、全國大學(xué)工程訓(xùn)練綜合能力競賽、中國機(jī)器人大賽等學(xué)科競賽的歷年比賽命題,讓學(xué)生在課程實踐中以學(xué)科競賽的命題完成作品制作,并根據(jù)大賽的評分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行該門課程的成績考核。增加實訓(xùn)設(shè)備,保證學(xué)生人手一套設(shè)備,提高學(xué)生的工程實訓(xùn)參與度。4)加強(qiáng)師資隊伍建設(shè),每個學(xué)期選派若干名實訓(xùn)教師到企業(yè)進(jìn)行交流實習(xí),與企業(yè)簽訂橫向課題共同開發(fā)項目,增加教師自身的實際工程項目經(jīng)驗。構(gòu)建校企合作的培養(yǎng)方式,聯(lián)合企業(yè)有經(jīng)驗的工程開發(fā)人員進(jìn)行線上實訓(xùn)教學(xué),通過企業(yè)經(jīng)典項目案例與學(xué)生進(jìn)行課堂互動,深入實施大學(xué)生工程創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。
近年來,國內(nèi)部分高校也開始將機(jī)器人創(chuàng)新實訓(xùn)教學(xué)引入工程訓(xùn)練進(jìn)行探索[4],如:上海交通大學(xué)工程訓(xùn)練中心開設(shè)“機(jī)器人創(chuàng)新控制基礎(chǔ)與實踐”、華中科技大學(xué)工程訓(xùn)練中心開設(shè)“機(jī)器人控制實訓(xùn)”、貴州大學(xué)工程訓(xùn)練中心開設(shè)“機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用創(chuàng)新訓(xùn)練”、武漢理工大學(xué)工程訓(xùn)練中心開設(shè)“機(jī)器人創(chuàng)新控制基礎(chǔ)與實踐”……因此,東莞理工學(xué)院工程訓(xùn)練中心旨在依托學(xué)科競賽,引入教育機(jī)器人進(jìn)一步改革現(xiàn)有實踐教學(xué)體系,結(jié)合工程訓(xùn)練中機(jī)器人課程的理論教學(xué)和實訓(xùn)教學(xué),提升學(xué)科競賽在實踐教學(xué)中的比例,在新的層面提升大學(xué)生創(chuàng)業(yè)創(chuàng)新的能力。通過多方調(diào)研,決定選擇30套OpenBot2教育機(jī)器人和4套機(jī)器時代“探索者”機(jī)器人制作包高級版作為教學(xué)設(shè)備。課程開設(shè)的內(nèi)容主要是依據(jù)歷年學(xué)科競賽命題及企業(yè)部分實戰(zhàn)課題,開設(shè)了全地形越障競賽、智能物料分揀機(jī)器人、智能搬運機(jī)器人、碼垛機(jī)器人等項目,學(xué)生掌握各類元器件的工作原理后,通過對標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)件、傳感器、執(zhí)行件等的任意組合,既能完成課程設(shè)定的實訓(xùn)內(nèi)容,后期通過強(qiáng)化訓(xùn)練,又能參加相關(guān)機(jī)器人的學(xué)科競賽(如全國大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競賽智能物料分揀機(jī)器人項目、廣東省工科大學(xué)生實驗綜合技能競賽全地形越障機(jī)器人項目等),達(dá)到“以賽促學(xué)、以賽促教”的目的,相關(guān)實戰(zhàn)課題又能為企業(yè)提供相應(yīng)的技術(shù)方案參考,從而提高大學(xué)生的創(chuàng)新實踐能力[5]。
機(jī)器人創(chuàng)新實驗室成立至今,每年接受約5 000名學(xué)生進(jìn)行工程訓(xùn)練。經(jīng)過5年的實踐探索,這種創(chuàng)新教學(xué)模式的成效已經(jīng)初步顯現(xiàn),學(xué)生的綜合實踐能力和創(chuàng)新能力均獲得較大的提高,課程教學(xué)改革效果明顯,學(xué)生參加多個學(xué)科競賽取得佳績,如表1所示;學(xué)生課堂作品競技及參加校外學(xué)科競賽情況如圖2所示。
表1 近5年通過機(jī)器人課程教學(xué)改革取得的部分學(xué)科競賽成果
圖2 學(xué)生課堂作品競技及參加校外學(xué)科競賽
根據(jù)“廣東省高等學(xué)校創(chuàng)新強(qiáng)效工程”和廣東省“高等學(xué)校創(chuàng)新能力提升計劃”的戰(zhàn)略要求,結(jié)合當(dāng)前機(jī)器人創(chuàng)新實訓(xùn)教學(xué)的現(xiàn)狀和存在的問題,對其教學(xué)理念、教學(xué)體系、教師思政育人能力、實訓(xùn)教學(xué)思政資源、實訓(xùn)平臺進(jìn)行改革,以提高教學(xué)質(zhì)量為核心,以深化教學(xué)改革為動力,以課程教學(xué)模式改革為重點,逐步加大對學(xué)生的創(chuàng)新實踐能力和綜合工程素養(yǎng)的培養(yǎng)。
1)建立“以賽促學(xué)、以賽促教”的教學(xué)模式。教師改變教學(xué)理念,改變以往單一的“填鴨式”教學(xué)方式,逐步轉(zhuǎn)變?yōu)椤袄碚?、實?xùn)、競賽三位一體”教學(xué)方式。實訓(xùn)課程開設(shè)理論教學(xué),使學(xué)生掌握實訓(xùn)基本原理;結(jié)合實訓(xùn)教學(xué),將書面上的理論知識以實驗方式進(jìn)行驗證;以學(xué)科競賽為拓展方式,進(jìn)一步將學(xué)生掌握的理論基礎(chǔ)和實踐能力進(jìn)行綜合運用,針對學(xué)科競賽命題進(jìn)行自主創(chuàng)新、學(xué)以致用[6]。理論教學(xué)、實訓(xùn)教學(xué)與學(xué)科競賽的相輔相成關(guān)系如圖 3所示。
圖3 理論教學(xué)、實訓(xùn)教學(xué)與學(xué)科競賽的相輔相成關(guān)系
2)優(yōu)化教學(xué)體系,增加專業(yè)拓展模塊。通過調(diào)研國內(nèi)各大高校工程訓(xùn)練中機(jī)器人創(chuàng)新實訓(xùn)課程和相關(guān)機(jī)器人類別的學(xué)科競賽,整合目前已有的相關(guān)的理論教學(xué)基礎(chǔ)課、實訓(xùn)內(nèi)容和課程考核機(jī)制。在課程體系中適當(dāng)增加培養(yǎng)學(xué)生綜合運用知識能力應(yīng)對多類學(xué)科競賽命題的實訓(xùn)課程比重,除了設(shè)置了機(jī)器人原理講解、程序編寫和組裝調(diào)試等模塊外,打造獨特的“專業(yè)拓展”模塊[7]。具體操作如下:根據(jù)《全國普通高校大學(xué)生競賽白皮書(2012-2017)》和近幾年全國大學(xué)生機(jī)器人類別的學(xué)科競賽,組建導(dǎo)師組并布置多個課內(nèi)機(jī)器人比拼競賽命題,由學(xué)生建立團(tuán)隊,根據(jù)各自的綜合實踐能力和興趣愛好自主選擇命題。最后由導(dǎo)師組根據(jù)學(xué)生的課堂表現(xiàn)、團(tuán)隊協(xié)作精神、作品創(chuàng)新點及競技成績等因素,綜合評定學(xué)生機(jī)器人創(chuàng)新實訓(xùn)課程的總評成績。
3)提高教師思政育人能力,發(fā)揮示范引領(lǐng)作用。課程思政的核心在于提升教師的思政教育,通過不斷強(qiáng)化教師自身的師德師風(fēng)建設(shè),能有效保證課程思政的順利實施。在機(jī)器人創(chuàng)新實訓(xùn)教學(xué)中融入課程思政,積極打造雙師型教師隊伍,堅持立德樹人,明確教師在創(chuàng)新實踐教學(xué)中的德育責(zé)任,自身作則,為人師表,不斷提升教師自身的思想道德水平。在課程教學(xué)團(tuán)隊中,三名教師均為黨員身份,其具有堅定的共產(chǎn)主義理想和中國特色社會主義共同理想,并且具備多年機(jī)器人實踐教學(xué)經(jīng)驗,能幫助學(xué)生樹立正確的世界觀、人生觀、價值觀,提高時代責(zé)任感和歷史使命感,并使其掌握機(jī)器人實訓(xùn)課程專業(yè)知識和提升工程實踐創(chuàng)新能力。
4)挖掘課程思政元素,融入課內(nèi)競賽式實訓(xùn)教學(xué)。針對工程訓(xùn)練機(jī)器人實訓(xùn)教學(xué),根據(jù)每個實訓(xùn)環(huán)節(jié)內(nèi)容逐一挖掘其蘊含的思政資源,提煉實踐教學(xué)內(nèi)容中蘊藏的價值典范,形成生動形象、易于吸收的教學(xué)素材,實現(xiàn)實踐過程的理論教學(xué)、動手實踐、思政育人的相互融合的教學(xué)體系,最終達(dá)到實踐育人的目的。工程訓(xùn)練和專業(yè)課程實驗課是我國高校中實施工程教育的實踐性教學(xué)平臺,是學(xué)生學(xué)習(xí)機(jī)械工程知識,提高綜合工程能力,培養(yǎng)工程情感、態(tài)度和價值觀不可缺少的實踐環(huán)節(jié)。在教學(xué)過程中,學(xué)生能充分體現(xiàn)“精益求精”、“嚴(yán)謹(jǐn)專注”、“持續(xù)創(chuàng)新”等工匠精神,以及樹立和養(yǎng)成良好的工作習(xí)慣、安全責(zé)任意識等。通過挖掘課程中教學(xué)各環(huán)節(jié)和教學(xué)內(nèi)容蘊含的思政元素,將教書育人落到實處,實現(xiàn)立德樹人潤物無聲。
機(jī)器人創(chuàng)新實訓(xùn)課程方案面向全校學(xué)生開設(shè)8課時,共分為教師授課與學(xué)生實踐2個部分,整個課程分組教學(xué)。機(jī)械基礎(chǔ)讓學(xué)生掌握機(jī)器人機(jī)械和組裝相關(guān)內(nèi)容,如:探索者零件種類及用途、模塊化設(shè)計應(yīng)用、基礎(chǔ)模塊搭建等;電子基礎(chǔ)讓學(xué)生掌握電子相關(guān)知識,比如主控板的使用、基礎(chǔ)的編程、傳感器的簡單使用。實踐項目階段將學(xué)生所學(xué)知識應(yīng)用到創(chuàng)新或競賽中,培養(yǎng)大學(xué)生自主創(chuàng)新、精益求精的工作作風(fēng)。
機(jī)器人創(chuàng)新實訓(xùn)教學(xué)內(nèi)容主要分成三部分:基礎(chǔ)知識、實踐教學(xué)、課內(nèi)競賽,其中基礎(chǔ)知識與實踐教學(xué)穿插進(jìn)行[8]。課程內(nèi)容及安排如表2所示。
表2 機(jī)器人創(chuàng)新實訓(xùn)教學(xué)課程內(nèi)容安排
5)加強(qiáng)實訓(xùn)平臺建設(shè)和管理,提升機(jī)器人創(chuàng)新實訓(xùn)課程的“質(zhì)”和“量”。通過申請質(zhì)量工程教學(xué)改革項目和學(xué)校實驗室建設(shè)經(jīng)費、專業(yè)建設(shè)費等,多方籌集基金,完善實驗室實訓(xùn)環(huán)境,增加多批教育機(jī)器人,從而改善實訓(xùn)學(xué)生人數(shù)眾多、設(shè)備不夠使用的問題。保證每一名實訓(xùn)學(xué)生人均一套教學(xué)設(shè)備,可以提高他們的學(xué)習(xí)興趣,杜絕了課堂學(xué)生玩手機(jī)的情況發(fā)生。同時推行實訓(xùn)平臺5S管理體系,將實訓(xùn)平臺打造成與行業(yè)上一致的真實生產(chǎn)場景,提前讓實訓(xùn)學(xué)生融入社會生產(chǎn),提高實訓(xùn)過程中的安全生產(chǎn)意識,養(yǎng)成良好的時間觀念和工作作風(fēng),為以后步入社會打下良好的工作基礎(chǔ)。根據(jù)應(yīng)用型人才培養(yǎng)需要,完善教學(xué)內(nèi)容、課程體系、課程考核和反饋機(jī)制等方面,將機(jī)器人創(chuàng)新實訓(xùn)課程的“質(zhì)”和“量”都得以明顯提升[9]。
在工程訓(xùn)練機(jī)器人實訓(xùn)教學(xué)環(huán)節(jié)中有效地融入課程思政內(nèi)容,主要介紹隨著我國人工成本的逐年遞增,企業(yè)為節(jié)省成本來實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級而采取“機(jī)器換人”的重要舉措;介紹美的集團(tuán)近年來進(jìn)軍機(jī)器人和工業(yè)自動化領(lǐng)域的整體布局,展示部分家電產(chǎn)品機(jī)器人生產(chǎn)線的柔性制造;介紹中國自主品牌吉利集團(tuán)旗下的全自動高效汽車鈑金沖壓、焊接、組裝生產(chǎn)線。通過以上幾個案例分析,使學(xué)生懂得民族品牌的崛起、制造強(qiáng)國的建設(shè),需要每個人的努力,少年強(qiáng)則國強(qiáng),增強(qiáng)了大學(xué)生的使命感責(zé)任感。在實訓(xùn)環(huán)節(jié)中引入機(jī)器人程序編寫、各部件組裝和競技比賽等教學(xué)模塊,激發(fā)了學(xué)生動手、動腦和勇于拼搏的積極性,課程考核方案與競賽內(nèi)容一致,從而提升學(xué)生的主觀能動性和應(yīng)變能力,真正達(dá)到“以賽促學(xué),以賽促教”的目的。
課程實施的具體教學(xué)內(nèi)容,以分組形式,對課堂實訓(xùn)學(xué)生進(jìn)行分組,開展三個具有代表性的機(jī)器人創(chuàng)新實訓(xùn)教學(xué)課程,如表3所示。通過以下三個課程學(xué)習(xí),學(xué)生能掌握使用簡單傳感器的數(shù)字量(即開關(guān)量,0或1)檢測功能;掌握觸碰傳感器的特性和使用方法;通過搭建檢測電路,掌握“探索者”基本檢測電路的連接方法;通過編寫觸碰開關(guān)程序,掌握圖形化編程,C語言編程;學(xué)會使用“如果/否則”邏輯[10]。
表3 學(xué)生創(chuàng)新實踐課程
1)機(jī)器人創(chuàng)新實驗室為全校學(xué)生提供教學(xué)實訓(xùn)使用。作為工程訓(xùn)練中心主要實驗室之一,每年開出實驗課約540學(xué)時,每年接受約5 000名學(xué)生進(jìn)行機(jī)器人創(chuàng)新實習(xí),逐步建設(shè)成各類大學(xué)生課外學(xué)科競賽、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)活動的交流推廣平臺,營造創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)文化氛圍。
2)借鑒全國部分高校在工程訓(xùn)練中納入機(jī)器人創(chuàng)新實訓(xùn)教學(xué)的經(jīng)驗,構(gòu)建“以賽促學(xué)、以賽促教”的教學(xué)理念;改變以往單一的“填鴨式”教學(xué)方式,逐步轉(zhuǎn)變?yōu)椤袄碚?、實?xùn)、競賽三位一體”教學(xué)方式,提高教師的思政育人能力,將課程思政元素融入到機(jī)器人創(chuàng)新實訓(xùn)教學(xué)中,共同提高學(xué)生的創(chuàng)新實踐能力和綜合工程素養(yǎng),這對于同類型高校都具有極大的推廣和借鑒意義。
3)與時俱進(jìn),不斷完善教學(xué)理念、教學(xué)體系、教師思政育人能力、實訓(xùn)教學(xué)思政資源和實訓(xùn)平臺,培養(yǎng)出具備創(chuàng)新型和應(yīng)用型素質(zhì)的卓越工程師,從而提高本科教育水平和人才培養(yǎng)質(zhì)量。