摘" 要" 新工科背景下，專業(yè)課程教學(xué)對(duì)于學(xué)生工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)提出新的要求。以專業(yè)導(dǎo)論課程為例，對(duì)教學(xué)模式和考核方式進(jìn)行改革，通過項(xiàng)目制的工程實(shí)踐訓(xùn)練，開啟專業(yè)實(shí)踐的啟蒙教育，能夠加深學(xué)生對(duì)所學(xué)專業(yè)和職業(yè)發(fā)展前景的了解，明確努力方向，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和協(xié)作能力。

關(guān)鍵詞" 新工科；專業(yè)導(dǎo)論；項(xiàng)目制教學(xué)；TinkerCAD；機(jī)器人

中圖分類號(hào)：G642.0" " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2022）10-0089-03

0" 引言

隨著“中國(guó)制造2025”戰(zhàn)略的實(shí)施，為加快工程教育改革進(jìn)程，推進(jìn)新工科建設(shè)與發(fā)展，教育部啟動(dòng)開展新工科研究與實(shí)踐項(xiàng)目。由河南科技大學(xué)牽頭的“‘新工科’背景下地方院校校企協(xié)同育人模式創(chuàng)新與實(shí)踐——以機(jī)械類專業(yè)為例”成功入選教育部首批新工科研究與實(shí)踐地方高校項(xiàng)目，并從2018級(jí)開始實(shí)施“固高機(jī)器人技術(shù)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)班”計(jì)劃。機(jī)器人實(shí)驗(yàn)班項(xiàng)目的實(shí)施目的在于主動(dòng)優(yōu)化自身學(xué)科專業(yè)布局，促進(jìn)多學(xué)科交叉，實(shí)現(xiàn)工科與其他學(xué)科的交叉融合，對(duì)接地方經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需要和企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新要求。

根據(jù)新工科建設(shè)培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際工程問題和創(chuàng)新能力的要求，對(duì)專業(yè)培養(yǎng)計(jì)劃進(jìn)行修訂，在大一的專業(yè)導(dǎo)論課程中設(shè)置專業(yè)實(shí)踐項(xiàng)目環(huán)節(jié)[1]。通過增加專業(yè)實(shí)踐項(xiàng)目，開啟機(jī)器人實(shí)驗(yàn)班專業(yè)實(shí)踐的啟蒙教育。目前已經(jīng)進(jìn)行兩輪實(shí)踐教學(xué)，以下就教學(xué)過程中的一些做法進(jìn)行介紹總結(jié)。

1" 教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)置

專業(yè)導(dǎo)論課程的主要目的在于讓大一新生在入學(xué)伊始，就對(duì)機(jī)電工程學(xué)科的前沿知識(shí)、行業(yè)現(xiàn)狀、熱點(diǎn)問題和未來發(fā)展趨勢(shì)有明晰和整體的了解，通過本專業(yè)的培養(yǎng)計(jì)劃介紹，做好個(gè)人學(xué)業(yè)規(guī)劃，明確職業(yè)發(fā)展前景和努力方向[2]。目前，導(dǎo)論課的教學(xué)內(nèi)容主要分成專題講座和實(shí)踐環(huán)節(jié)兩部分。專題講座主要是邀請(qǐng)校外專家、知名校友進(jìn)行的有關(guān)機(jī)電工程領(lǐng)域?qū)W科前沿知識(shí)專題講座，同時(shí)對(duì)專業(yè)培養(yǎng)計(jì)劃、課程設(shè)置、人才培養(yǎng)目標(biāo)和畢業(yè)要求進(jìn)行介紹。此外，基于工程教育認(rèn)證“學(xué)生為中心、成果為導(dǎo)向、持續(xù)改進(jìn)”的基本理念，導(dǎo)論課程專門增加實(shí)踐項(xiàng)目環(huán)節(jié)，旨在通過一個(gè)具體的機(jī)器人控制項(xiàng)目，揭開專業(yè)的神秘面紗，培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)認(rèn)同感和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。

對(duì)于實(shí)踐項(xiàng)目環(huán)節(jié)主要從以下三個(gè)方面考慮進(jìn)行設(shè)置：

1）能調(diào)動(dòng)學(xué)生對(duì)專業(yè)學(xué)習(xí)的興趣，專業(yè)方向特征明顯；

2）符合大一新生知識(shí)背景和專業(yè)認(rèn)知水平，培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力，并且難度適中、易于推廣；

3）以此為起點(diǎn)，開展機(jī)器人專業(yè)實(shí)踐的啟蒙教育[3]，并且能夠與本專業(yè)的后續(xù)實(shí)踐環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)相互銜接。

經(jīng)過教研室討論決定專門設(shè)置“巡線機(jī)器人設(shè)計(jì)制作”項(xiàng)目來開展項(xiàng)目制實(shí)踐教學(xué)，期望利用機(jī)電學(xué)院“雙創(chuàng)”基地的硬件平臺(tái)，給學(xué)生提供實(shí)踐場(chǎng)所，開展相關(guān)機(jī)械設(shè)計(jì)、加工、裝配、調(diào)試等工程實(shí)踐能力訓(xùn)練，使得學(xué)生通過典型的巡線移動(dòng)機(jī)器人項(xiàng)目，對(duì)機(jī)電一體化系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)、軟硬件控制有最初步的認(rèn)知和體驗(yàn)。從大學(xué)一年級(jí)開始培養(yǎng)學(xué)生機(jī)器人控制的大系統(tǒng)概念，在基礎(chǔ)知識(shí)培養(yǎng)階段著力解決學(xué)生工程能力缺乏的核心問題，隨著專業(yè)課程的學(xué)習(xí)，逐步加深學(xué)生對(duì)工程教育的認(rèn)知。比如在大三、大四學(xué)期專門設(shè)置有機(jī)電測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)、機(jī)器人結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)等課程設(shè)計(jì)任務(wù)，多個(gè)實(shí)踐項(xiàng)目前后銜接，共同打造全周期范圍內(nèi)的工程能力訓(xùn)練培養(yǎng)環(huán)節(jié)。

2" 課程實(shí)踐項(xiàng)目實(shí)施

如今人工智能、機(jī)器人等方向非常熱門，新入校的學(xué)生在機(jī)器人創(chuàng)新班選拔報(bào)名時(shí)非常積極，對(duì)于選擇機(jī)器人方向有比較高的學(xué)習(xí)興趣。但是由于高考學(xué)業(yè)壓力大，多數(shù)學(xué)生在高中階段沒有進(jìn)行信息技術(shù)課程有關(guān)軟件編程內(nèi)容的學(xué)習(xí)，缺乏專門的編程訓(xùn)練，加上教學(xué)學(xué)時(shí)、師資限制，無法手把手地專門進(jìn)行編程能力的教學(xué)。因此，導(dǎo)論課的實(shí)踐環(huán)節(jié)要結(jié)合學(xué)生特點(diǎn)，選擇一個(gè)學(xué)習(xí)難度合適的軟硬件學(xué)習(xí)平臺(tái)開展項(xiàng)目制教學(xué)，目的是著重培養(yǎng)學(xué)生解決工程問題的初步能力。

TinkerCAD是由Autodesk公司開發(fā)的集3D建模、電子電路設(shè)計(jì)以及編程等功能為一體的在線免費(fèi)平臺(tái)，用戶可以通過瀏覽器登錄網(wǎng)站，在線實(shí)現(xiàn)3D打印建模、電子電路仿真調(diào)試、Arduino程序仿真等功能[4]。系統(tǒng)還提供網(wǎng)上教室功能，教師可以創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)課堂并分享課堂鏈接代碼邀請(qǐng)學(xué)生加入，可以在線發(fā)布作業(yè)、查看和修改學(xué)生設(shè)計(jì)、管理學(xué)生活動(dòng)。其中Arduino控制電路仿真提供Scratch代碼塊拖動(dòng)編程和文本代碼兩種模式選擇，降低了學(xué)習(xí)門檻。

在導(dǎo)論課程教學(xué)過程中，課程實(shí)踐分成平時(shí)項(xiàng)目制教學(xué)項(xiàng)目作業(yè)和最終巡線小車項(xiàng)目考核兩大部分，所有任務(wù)都借助超星學(xué)習(xí)通系統(tǒng)進(jìn)行發(fā)布。平時(shí)項(xiàng)目制教學(xué)項(xiàng)目主要由表1所示六個(gè)基礎(chǔ)任務(wù)組成，主要目的是通過Arduino相關(guān)外圍模塊的使用，讓學(xué)生快速掌握機(jī)器人控制的實(shí)質(zhì)，重點(diǎn)是激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新應(yīng)用能力并提高軟硬件調(diào)試水平，感受機(jī)器人專業(yè)方向的魅力。要求利用TinkerCAD系統(tǒng)的Arduino仿真調(diào)試環(huán)境，完成項(xiàng)目制教學(xué)項(xiàng)目作業(yè)，學(xué)生可以根據(jù)自身編程能力實(shí)際，分別選用Scratch或者文本代碼模式實(shí)現(xiàn)，并提交報(bào)告和錄制視頻，上傳學(xué)習(xí)通系統(tǒng)。

最終的巡線移動(dòng)小車實(shí)踐項(xiàng)目根據(jù)項(xiàng)目機(jī)電一體化特征，分成機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)兩個(gè)任務(wù)分別進(jìn)行考核，各自任務(wù)指標(biāo)要點(diǎn)及資料提交要求如表2所示。

本項(xiàng)目任務(wù)要求：3～4名學(xué)生組隊(duì)分工合作，協(xié)同配合完成智能巡線小車的自主設(shè)計(jì)、組裝、調(diào)試，實(shí)現(xiàn)巡線移動(dòng)的功能，并可以創(chuàng)新功能實(shí)現(xiàn)。學(xué)生利用TinkerCAD平臺(tái)或者SolidWorks軟件，進(jìn)行小車底盤及外形設(shè)計(jì)，完成Arduino控制電路的搭建和模擬調(diào)試，提交設(shè)計(jì)報(bào)告等項(xiàng)目資料。

項(xiàng)目機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及制作時(shí)，學(xué)生根據(jù)小組項(xiàng)目的實(shí)際情況，提交設(shè)備使用申請(qǐng)報(bào)告，申請(qǐng)使用學(xué)院“雙創(chuàng)”基地的激光切割、線切割、3D打印機(jī)等設(shè)備，同時(shí)申請(qǐng)?zhí)峁┕び?xùn)大賽的賽場(chǎng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試。項(xiàng)目實(shí)施過程中提出價(jià)格與性能兼顧的工程實(shí)現(xiàn)思想，要求學(xué)生統(tǒng)籌考慮，并在最終的報(bào)告中說明項(xiàng)目的最終成本。

提交控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的目的在于考查學(xué)生對(duì)于智能小車電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制基本原理的理解，能夠分析傳感器布局的不同形式和性能特點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上創(chuàng)新發(fā)揮，添加其他傳感器，實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能（如音樂播放、走迷宮、障礙識(shí)別、定點(diǎn)停車），并在項(xiàng)目考核時(shí)進(jìn)行特別展示說明。

項(xiàng)目實(shí)施前，教師將任務(wù)及實(shí)施方案發(fā)給學(xué)生，所有這些訓(xùn)練任務(wù)大多放到課外，讓學(xué)生自主完成。通過項(xiàng)目制教學(xué)實(shí)踐，將機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和軟硬件編程控制的高度融合實(shí)質(zhì)理念傳遞給大一新生，并且能夠與后續(xù)的Python課程、ROS機(jī)器人控制、機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計(jì)等專業(yè)課程及實(shí)踐環(huán)節(jié)有效銜接起來，充分體會(huì)機(jī)器人控制的實(shí)質(zhì)內(nèi)涵，激發(fā)、培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)機(jī)器人編程調(diào)試的興趣。通過一系列相關(guān)課程學(xué)習(xí)和實(shí)踐環(huán)節(jié)的導(dǎo)入，實(shí)現(xiàn)對(duì)新工科機(jī)器人方向?qū)W生的控制思維啟蒙，激發(fā)學(xué)生對(duì)機(jī)器人專業(yè)的學(xué)習(xí)興趣。

3" 課程考核

課程考核環(huán)節(jié)分兩個(gè)部分：平時(shí)作業(yè)和項(xiàng)目答辯現(xiàn)場(chǎng)考核，各占50%。

平時(shí)作業(yè)成績(jī)?cè)u(píng)定主要通過提交的報(bào)告和小視頻來考查學(xué)生對(duì)于機(jī)器人控制的理解，教師可以直接在線進(jìn)入學(xué)生TinkerCAD賬戶，根據(jù)學(xué)生仿真電路功能實(shí)現(xiàn)和軟件代碼編寫情況，完成平時(shí)成績(jī)的考核。

最終的項(xiàng)目答辯考核，要求學(xué)生通過PPT形式介紹各小組的設(shè)計(jì)思路，分別從機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制功能調(diào)試兩個(gè)方面匯報(bào)零部件3D設(shè)計(jì)、虛擬裝配、材料選擇及加工制作、控制電路調(diào)試等主要過程。同時(shí)，以小車巡線追蹤比賽的形式進(jìn)行實(shí)戰(zhàn)演示，由任課教師和教研室教師觀摩現(xiàn)場(chǎng)比賽，最終根據(jù)小車設(shè)計(jì)方案的合理性和創(chuàng)新性、成本造價(jià)以及實(shí)際比賽成績(jī)進(jìn)行點(diǎn)評(píng)打分。

根據(jù)河南科技大學(xué)“一系一賽”的特色，2022年的專業(yè)導(dǎo)論課程實(shí)踐環(huán)節(jié)還是以“機(jī)電杯智能小車大賽比賽”的形式，開放報(bào)名活動(dòng)，吸引全院學(xué)生參加。通過導(dǎo)論課程的項(xiàng)目制教學(xué)環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的意識(shí)，提升工程設(shè)計(jì)能力水平，使學(xué)生在團(tuán)隊(duì)協(xié)作中感受作為團(tuán)隊(duì)成員的責(zé)任與義務(wù)，深刻體會(huì)團(tuán)隊(duì)協(xié)作的重要性，為學(xué)生今后參加“工程訓(xùn)練大賽”“RoboMaster大賽”等科技創(chuàng)新競(jìng)賽打好基礎(chǔ)。

4" 結(jié)束語(yǔ)

兩年的新工科專業(yè)導(dǎo)論課程教學(xué)實(shí)踐證明，大學(xué)生工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)要在大學(xué)四年全周期范圍內(nèi)設(shè)置，隨著專業(yè)課程的學(xué)習(xí)進(jìn)展逐步加深完善。實(shí)踐項(xiàng)目的設(shè)置要與創(chuàng)新能力培養(yǎng)相結(jié)合，提供切合專業(yè)特色的訓(xùn)練方式，與后續(xù)專業(yè)課程體系有效銜接，融入整個(gè)培養(yǎng)計(jì)劃內(nèi)，保證所設(shè)置環(huán)節(jié)的連貫性，為新興經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供人才和智力保障。今后的教學(xué)實(shí)踐應(yīng)發(fā)揮好導(dǎo)論課程對(duì)專業(yè)啟蒙教育的作用，繼續(xù)貫徹OBE（成果導(dǎo)向教育）理念，不斷持續(xù)改進(jìn)。

參考文獻(xiàn)

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[2] 張穎，喬貴方，黃家才.機(jī)器人學(xué)導(dǎo)論跨專業(yè)選修課程教學(xué)改革與實(shí)踐[J].中國(guó)教育技術(shù)裝備，2018（20）：72-74.

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*項(xiàng)目來源：河南省高等教育教學(xué)改革研究與實(shí)踐項(xiàng)目“地方高校機(jī)械類新工科的歐林項(xiàng)目制校企協(xié)同創(chuàng)新型人才培養(yǎng)改革與實(shí)踐”（基金編號(hào)：2019SJGLX075）；河南省新工科研究與實(shí)踐項(xiàng)目“立足辦學(xué)優(yōu)勢(shì)與特色探索與實(shí)踐傳統(tǒng)機(jī)械類專業(yè)改造升級(jí)建設(shè)路徑”（基金編號(hào)：2020JGLX022）；河南科技大學(xué)教學(xué)研究改革與實(shí)踐項(xiàng)目“基于項(xiàng)目導(dǎo)向與任務(wù)驅(qū)動(dòng)的專業(yè)核心課程群建設(shè)與改革”（基金編號(hào)：2019YB-015）；河南科技大學(xué)教育教學(xué)改革研究與實(shí)踐項(xiàng)目（創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育）“‘新工科’建設(shè)背景下的機(jī)械類卓越創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式的研究與實(shí)踐”（基金編號(hào)：2020CX-01）。

作者：李向攀，河南科技大學(xué)，講師，研究方向?yàn)榭祻?fù)/輔助機(jī)器人與人機(jī)交互技術(shù)；彭建軍，河南科技大學(xué)，講師，研究方向?yàn)榱黧w傳動(dòng)與控制；王軍華，河南科技大學(xué)，講師，研究方向?yàn)榻饘俨牧显霾闹圃?；仲志丹，河南科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院副院長(zhǎng)，副教授，研究方向?yàn)楣I(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)與先進(jìn)能源技術(shù)（471003）。