黃晨華，李湘勤

(韶關(guān)學院智能工程學院，廣東韶關(guān)，512005)

一、引言

2015年，國務院正式印發(fā)《中國制造2025》，為我國制造業(yè)的發(fā)展指明了方向，推動了相關(guān)行業(yè)及技術(shù)的交叉融合。為應對新一輪的科技革命和產(chǎn)業(yè)需求，培養(yǎng)符合國家戰(zhàn)略和社會需求的人才，教育部于2017年發(fā)布了《關(guān)于開展新工科研究與實踐的通知》等一系列開展“新工科”建設的文件，掀起了全國高校專業(yè)設置和專業(yè)改革的高潮。[1]2016年，東南大學創(chuàng)建國內(nèi)第一個機器人工程專業(yè)，至2020年國內(nèi)共有249所高校獲批建設機器人工程專業(yè)。[2]同時，越來越多的高校在機械類專業(yè)中新開設工業(yè)機器人課程，培養(yǎng)符合現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)要求的人才。工業(yè)機器人是多學科交叉整合體，且在國內(nèi)機械類專業(yè)本科階段開設該課程的高校較少，開課質(zhì)量參差不齊，授課內(nèi)容千差萬別，因此，有必要對工業(yè)機器人課程教學內(nèi)容和方法進行深入研究。本文基于OBE(outcome-based education，基于成果導出的教育)教育理念，對工業(yè)機器人課程教學內(nèi)容和教學方法展開研究，以提高該課程的教學質(zhì)量。

二、工程教育認證與OBE教育理念

工程教育認證是按照認證機構(gòu)對工科類人才培養(yǎng)的認證協(xié)議標準進行認證，由相同認證機構(gòu)認證過的專業(yè)，其學位在國際上相互認可。目前，國際上被認可的工程認證協(xié)議標準主要有華盛頓協(xié)議、悉尼協(xié)議和都柏林協(xié)議。中國工程教育專業(yè)認證協(xié)會成立于2015年4月，于2016年6月正式加入華盛頓協(xié)議。[3]

OBE教育理念首先由William Spady提出，其核心思想是依據(jù)學生在學習結(jié)束時所要具備的能力，反向推導出必需的所有教學環(huán)節(jié)和教學活動，以支持學生所要具備的能力的培養(yǎng)形成。OBE教育主要包括以下四個環(huán)節(jié)。

第一，確定學習成果，即學習目標。這對教師而言是該課程的教學目標，教師的所有教學活動均基于這一目標開展；對學生而言是學完該課程后應獲得的能力。

第二，學習成果達成的方式，這對教師而言是如何使學生獲得學習成果，即各教學環(huán)節(jié)和教學活動。

第三，學習成果達成度評價，用合適的評價考核方法，以獲知學生學習成果的達成度。

第四，持續(xù)改進措施，對學習成果達成度進行分析，找出教學組織、教學活動中存在薄弱的地方加以改進。

以上四個環(huán)節(jié)構(gòu)成一個閉環(huán)，以持續(xù)提高教學質(zhì)量。

三、學情分析

(一)教學目標不明確

在機械工程、自動化、控制工程、計算機、電子信息等不同領域均有與機器人相關(guān)的研究與應用，但各領域的側(cè)重點不同。因此，不同專業(yè)的機器人課程的教學目標應有所不同。應用型本科機械類專業(yè)側(cè)重于應用，專業(yè)能力強調(diào)的是結(jié)構(gòu)的設計、分析、制造及機器人在制造行業(yè)的應用、集成等。應著重培養(yǎng)學生對機器人核心零部件的設計、分析、制造能力，如機器人本體的設計、分析、制造等。由于機械類專業(yè)的學生專業(yè)知識結(jié)構(gòu)所限，因此，機器人的控制系統(tǒng)研發(fā)不應為其學習的重點，但學生應該能理解其原理且能應用。目前，應用型本科機械類專業(yè)的機器人教學目標大多針對性不強，在實際實施中教學效果欠佳。

(二)教材建設相對滯后

近幾年來，國內(nèi)出版了很多工業(yè)機器人方面的教材，這些教材大致可以分為兩類。一類偏理論，機器人的相關(guān)理論內(nèi)容較深，對應用層次的機械類專業(yè)本科生而言比較“難消化”。另一類則過于強調(diào)應用，內(nèi)容側(cè)重于機器人操作，機器人的相關(guān)理論的內(nèi)容較少，對應用層次的機械類本科生而言，其理論內(nèi)容過于單薄，學生“吃不飽”，此類教材較為適合于職業(yè)院校。目前，適用于應用型機械類本科生教學的教材較少。

(三)師資結(jié)構(gòu)不合理

機器人是機械、電子、計算機、控制等技術(shù)的綜合體，同時其應用性也很強。目前，大多數(shù)高校開設工業(yè)機器人課程的主講教師，一些出自機械類專業(yè)，通過進修或培訓，轉(zhuǎn)為主講機器人課程，對機器人相關(guān)理論特別是對機器人控制等方面的理論知識掌握不深；一些出自自動化或電子或計算機專業(yè)，這類教師在機器人控制及編程方面理論知識豐富，但在機械結(jié)構(gòu)及應用場景等方面知識短板明顯。

(四)學生知識儲備不足

機械類專業(yè)課程以培養(yǎng)學生結(jié)構(gòu)設計與制造能力為主，主干課程主要包括理論力學、材料力學、機械原理、機械設計、機械制造技術(shù)等課程，雖然也有計算機類、電子類、控制類及算法類的課程，但往往課時較少，較難達到使學生具備運用這些知識解決問題的能力的目的。

四、基于OBE教育理念的工業(yè)機器人課程教學

(一)學習目標制訂

應用型本科高校應具備為區(qū)域經(jīng)濟社會發(fā)展服務的能力，為行業(yè)企業(yè)技術(shù)進步服務的能力，為學習者創(chuàng)造價值的能力。[4-5]因此，結(jié)合機械類專業(yè)特點和能力要求，工業(yè)機器人課程學生學習目標為以下幾點：了解工業(yè)機器人發(fā)展歷史、現(xiàn)狀及分類；學會工業(yè)機器人的結(jié)構(gòu)設計；理解機器人工作原理、控制方法；會編寫工業(yè)機器人應用程序；能根據(jù)現(xiàn)場要求，設計基于工業(yè)機器人的自動化生產(chǎn)方案。

(二)教學環(huán)節(jié)與活動設計

1.分解學習目標，確定教學模式

為使學生達到預定的學習目標，本文對學習目標相關(guān)知識點進行分解，設計相應的教學環(huán)節(jié)和活動。對“了解工業(yè)機器人發(fā)展歷史、現(xiàn)狀及分類”目標以學生自主查閱資料為主，教師只介紹機器人方面的最新成果和進展；“學會工業(yè)機器人的結(jié)構(gòu)設計”“理解機器人工作原理、控制方法”兩個目標主要通過理論授課，結(jié)合學生自主學習來實現(xiàn)；“會編寫工業(yè)機器人應用程序”“能根據(jù)現(xiàn)場要求，設計基于工業(yè)機器人的自動化生產(chǎn)方案”兩個目標通過完成相應的實驗和創(chuàng)新性課題來實現(xiàn)?？紤]到學情，在教學活動中還應對需要加強的知識點加以補充。教學環(huán)節(jié)與活動設計見表1。

表1 學習成果與教學模式對應關(guān)系

2.按學習目標安排教學內(nèi)容

適合機械類本科專業(yè)的教材較少，本文選用清華大學出版社出版，由戰(zhàn)強主編的《機器人學》[6]作為基本教材，建議學生在學習過程中參考John J.Craig著的機器人經(jīng)典教材《機器人學導論》[7]，教師在教學過程中補充教材中沒有，但學生在實際常用的內(nèi)容，如機器人本體結(jié)構(gòu)設計、機器人用減速器、軸承等，理論教學的主要內(nèi)容如表2所示，實驗教學內(nèi)容如表3所示。

表2 理論教學內(nèi)容與學時安排

表3 實驗教學內(nèi)容與學時

3.多種教學方法并舉，以提高學習成果達成度

一是自主學習。該方法主要應用在緒論部分，要求學生利用圖書館資料、網(wǎng)絡等，查閱有關(guān)工業(yè)機器人的國內(nèi)外發(fā)展歷史、現(xiàn)狀水平及發(fā)展趨勢的文獻資料，調(diào)研目前市場上主流產(chǎn)品及工業(yè)機器人在企業(yè)中的應用情況，然后撰寫不少于5000字的綜合報告。學生通過自主查閱資料，對工業(yè)機器人最新的現(xiàn)狀有比較全面的了解，而不僅限于教材介紹的知識。

二是采用課堂與現(xiàn)場相結(jié)合的授課方式，采用小班授課，把理論授課安排在實驗室。由于工業(yè)機器人重量較大且操作有一定的危險性，不適宜放在普通課室輔助上課，因此，把實驗室做相應的改造，使之符合理論課的要求，這樣大大降低了學生學習相關(guān)知識的難度，比如教師在講到機器人結(jié)構(gòu)時，可以現(xiàn)場指出并操作演示。機器人坐標系及其轉(zhuǎn)換、機器人D-H模型的建立等內(nèi)容是課程的重點，也是難點。學生因以前沒有接觸過實際的機器人，理解起來比較困難，采用現(xiàn)場教學后，學生的理解難度明顯降低，保障了教學效果。

三是采用部分翻轉(zhuǎn)課堂的形式，為了使學生更好地理解與運動相關(guān)的理論知識，教師除了利用工業(yè)機器人做相關(guān)的實驗，還提供機器人實驗箱，讓學生可以按自己的興趣搭建不同形式的機器人，并寫出相應的控制程序。這部分內(nèi)容只給出要求，學生利用課余時間完成大部分工作，并在課堂上提出存在的問題，全體師生一起討論解決，達到了很好的教學效果。

四是以專題講座的方式，解決師資力量不足、學生知識結(jié)構(gòu)欠缺的問題。對知識跨度較大或主講教師不熟悉的授課內(nèi)容，學院邀請專業(yè)教師以專題的形式講解，比如講到軌跡規(guī)劃時，其中牽涉路徑優(yōu)化算法及程序?qū)崿F(xiàn)，可以邀請計算機專業(yè)的教師，對這一主題開展講座。對學生知識結(jié)構(gòu)上的不足，授課教師應在課前布置相應的自主學習任務，比如，在機器人動力學部分，學生對拉格朗日公式很難理解，教師應課前先布置學生復習相應的高等數(shù)學知識和理論力學知識。

五、多方面評價學習成果達成度，推進教學方法的持續(xù)改進

以學習成果達成度為指標，對教學方法持續(xù)改進。學習成果評價從兩個方面進行。一方面是直接評價，主要包括課堂回答、討論問題、實驗報告成績、完成的作業(yè)質(zhì)量、結(jié)課考試成績等。其中，課堂回答、討論問題、實驗報告成績、完成的作業(yè)質(zhì)量屬于過程評價，反映某一階段學習成果的達成情況，結(jié)課考試則評價學習成果總體達成情況。另一方面通過問卷調(diào)查的形式進行間接評價，通過超星學習通平臺發(fā)放問卷，讓學生對自己學習成果的達成度打分。學生對教師的評價直接采用學院每學期組織的學生評教數(shù)據(jù)。每個評價環(huán)節(jié)均應圍繞對應的學習成果進行，特別是在結(jié)課考試中，試卷的內(nèi)容、題型應與學習成果的評價相對應。每次課程結(jié)束后，教師依據(jù)評價分數(shù)，分析教學活動中的各個環(huán)節(jié)，包括教學模式、教學內(nèi)容、教學方式，找出不足，加以改進，形成持續(xù)改進閉環(huán)。學習成果評價方式如表4所示。

表4 學習成果評價

六、結(jié)語

隨著國內(nèi)人力成本的上升，以工業(yè)機器人代替人的部分工作是大勢所趨。工業(yè)機器人在工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮的作用越來越大，加快中高端工業(yè)機器人人才的培養(yǎng)是社會所需。基于OBE教育理念開設的課程，學生學習時目標明確，有利于激發(fā)學生的學習興趣，促進學生自主學習。教師教學時目標也很明確，有利于教師確定合理的授課內(nèi)容，采用合適的教學模式。對專業(yè)而言，可以減少或消除“水課”，避免教學資源浪費，培養(yǎng)符合社會需求的高質(zhì)量人才。