桂偉 聶晶晶 周浩

摘要：本文主要從初級認(rèn)知、中級提升及高級強化等三個階段探究實施了機器人工程專業(yè)“CDIOKSQA型”雙主線項目層進式實踐教學(xué)體系。構(gòu)建了三級項目化教學(xué)，一級項目以建設(shè)機器人工作站為主線，貫穿整個教育階段，二級項目基于實踐教學(xué)課程群，三級項目基于課程理論實踐教學(xué)。項目主線式一體化教學(xué)，打破了知識邊界，有效促進機器人工程專業(yè)各模塊知識連續(xù)性的學(xué)習(xí)，助推機器人專業(yè)學(xué)生實踐能力的培養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：雙主線項目層進式；項目主線式；CDIOKSQA

1緒論

機器人工程專業(yè)雙主線項目層進式實踐教學(xué)，基于CDIO理念，遵循實踐教學(xué)“從工程中來，到工程中去”，以項目為主線，以學(xué)生為中心，以實踐為主導(dǎo)，貫徹全過程、全方位“教學(xué)做”項目化實踐教學(xué)的思路，著力解決傳統(tǒng)實踐教學(xué)與理論教學(xué)未能有效融合、實踐教學(xué)模塊連續(xù)性弱、實驗教學(xué)知識碎片化、學(xué)生抽象理論難以聯(lián)系工程實踐、對系統(tǒng)缺乏整體性認(rèn)識、缺乏創(chuàng)新實踐意識、實驗參與的自主性與積極性不高等實踐教學(xué)問題。

由于機器人是一個復(fù)雜系統(tǒng)，涉及的課程知識繁雜，例如，機械設(shè)計、夾具設(shè)計、機器視覺、路徑規(guī)劃、自動控制和嵌入式系統(tǒng)等。只有通過機器人應(yīng)用案例作為課程內(nèi)容引導(dǎo)，串聯(lián)課程知識點，把整個機器人系統(tǒng)進行拆解，結(jié)合每門課程內(nèi)容進行重點講解，學(xué)生才可以更加透徹理解機器人這個大系統(tǒng)。

2“CDIOKSQA型”實踐教學(xué)體系實施過程

機器人工程專業(yè)雙主線項目層進式實踐教學(xué)體系由三個階段、五個層級的實踐課程群進行組成，每個階段每個層級課程群的教學(xué)內(nèi)容以“項目引導(dǎo)、學(xué)科交叉、夯實基礎(chǔ)”為原則，基于“產(chǎn)、學(xué)、研、創(chuàng)”的思路，將機器人產(chǎn)品設(shè)計項目、教師科研成果有機融入實踐教學(xué)中，使實踐教學(xué)貼近機器人項目研發(fā)實際需求，引導(dǎo)學(xué)生探究，啟發(fā)學(xué)生思考，讓學(xué)生通過全方位實踐訓(xùn)練實現(xiàn)做中學(xué)、學(xué)中做，循環(huán)推進。

機器人教研團隊對機器人實踐教學(xué)體系進行不斷的優(yōu)化設(shè)計，并進行了初步實施教學(xué)。

2.1初級認(rèn)知階段實踐教學(xué)實施

工業(yè)機器人初級階段主要開展學(xué)生基本技能、基本理論的訓(xùn)練，主要包括工業(yè)機器人基本技能實踐層和工業(yè)機器人基本理論實踐層兩個實踐教學(xué)層。

其中由“專業(yè)認(rèn)知實習(xí)”“制圖實踐”“工程實訓(xùn)”“電子工藝實訓(xùn)”及“電路分析”等基礎(chǔ)課程實驗構(gòu)成的工業(yè)機器人基本技能實踐課程群，主要培養(yǎng)學(xué)生的工程認(rèn)知能力，幫助學(xué)生理解和鞏固相應(yīng)的工程基礎(chǔ)知識，初步掌握工程基本技能。

“專業(yè)認(rèn)知實習(xí)”教學(xué)以機器人產(chǎn)學(xué)研中心校企合作項目弧焊機器人工作站、柔性打磨機器人工作站、視覺抓取歸類轉(zhuǎn)運機器人工作站、裝配機器人工作站、搬運碼垛機器人工作站、柔性生產(chǎn)流水線及導(dǎo)覽引導(dǎo)智能機器人為對象，給學(xué)生演示機器人運動、操控、視覺以及軌跡規(guī)劃，讓學(xué)生具有學(xué)習(xí)興趣的同時也產(chǎn)生疑惑，例如，機器人控制的本質(zhì)是什么？機器人數(shù)學(xué)模型是怎么樣？學(xué)生帶著問題去學(xué)習(xí)后續(xù)課程，可有效提高上課質(zhì)量與學(xué)習(xí)效果。

“工程實訓(xùn)”以ABB桌面搬運碼垛機器人工作站、安川書法桌面機器人工作站為訓(xùn)練平臺及智能娛樂跳舞機器人進行學(xué)生組裝、搭建和調(diào)試能力訓(xùn)練，目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生安裝調(diào)試工業(yè)機器人及智能機器人能力。

“制圖實踐”以搬運碼垛機器人工作站的夾具零件為測繪畫圖載體，開展機器人夾具零部件測繪工作，并在CAXA軟件中繪制夾具零件圖，使學(xué)生既掌握CAXA繪圖的基本技能，又初步了解機器人末端夾具結(jié)構(gòu)及功用。

“電子工藝實訓(xùn)”以模塊化智能循跡機器人為對象，進行電子元器件的識別、電路板的焊接使用基本技能訓(xùn)練，使學(xué)生既掌握電子元器件焊接技能，又通過循跡機器人的運動，初步認(rèn)識智能機器人的設(shè)計。

2.2中級提升階段實踐教學(xué)實施

由“機械設(shè)計基礎(chǔ)課程設(shè)計”“機器人編程實訓(xùn)”“機械設(shè)計基礎(chǔ)”課內(nèi)實驗及“機器人工裝設(shè)計實驗”等獨立實驗課構(gòu)成的工業(yè)機器人工作站機械設(shè)計實踐課程群，主要培養(yǎng)學(xué)生具備利用機械設(shè)計常用軟件開展機器人工作站機械本體結(jié)構(gòu)設(shè)計、工裝夾具等非標(biāo)零部件設(shè)計的工程設(shè)計，以及機器人工作站運動仿真能力。

“機械設(shè)計基礎(chǔ)課程設(shè)計”改變傳統(tǒng)的一級圓柱齒輪減速器設(shè)計內(nèi)容，以機器人產(chǎn)學(xué)研中安川六自由度搬運碼垛機器人的減速機為設(shè)計對象，讓同學(xué)們根據(jù)說明書拆解六自由度工業(yè)機器人，了解工業(yè)機器人的基本組成后提出工業(yè)機器人為什么要這樣設(shè)計，減速機如何設(shè)計選型，以及為什么要用這么大螺釘?shù)葐栴}，以此引出機器人機械設(shè)計基礎(chǔ)課程設(shè)計的課程目標(biāo)和課程內(nèi)容，開展六自由度機器人減速機的結(jié)構(gòu)設(shè)計。通過機器人減速機設(shè)計，既夯實了學(xué)生機械設(shè)計課程的相關(guān)理論相關(guān)知識，又提高了學(xué)生對于工業(yè)機器人核心零部件減速機的結(jié)構(gòu)及功用的掌握。以智能娛樂機器人為設(shè)計對象，利用機械設(shè)計基本原理與方法，開展娛樂機器人結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。

“機器人編程實訓(xùn)”借助產(chǎn)學(xué)研中心虛擬仿真實驗室和搬運碼垛機器人工作站項目，開展虛實結(jié)合、理實一體的項目化教學(xué)。學(xué)生在虛擬仿真實驗室，先基于RobotStudio仿真軟件，分組開展搬運小型紙類包裝盒等物體的機器人工作站項目的虛擬仿真系統(tǒng)搭建工作，然后利用產(chǎn)學(xué)研中心搬運碼垛機器人工作站對虛擬仿真搭建的工作站進行運動規(guī)劃路徑實踐驗證，通過虛實結(jié)合的項目化實踐教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生機器人工作站虛擬仿真設(shè)計能力，為后續(xù)開展機器人綜合設(shè)計應(yīng)用實踐項目訓(xùn)練及畢業(yè)設(shè)計奠定良好基礎(chǔ)。

“電氣控制課程設(shè)計”以驅(qū)動六自由度搬運碼垛工業(yè)機器人作為實踐任務(wù)對象，基于西門子1200PLC開展機器人工作站電氣控制系統(tǒng)設(shè)計，通過課程設(shè)計學(xué)生掌握機器人工作站電氣系統(tǒng)設(shè)計原理，應(yīng)用博圖軟件進行編程仿真、分析和調(diào)試仿真結(jié)果。掌握使用直流電機、步進電機、伺服電機及特種電機驅(qū)動六自由度工業(yè)機器人的方法，以及如何根據(jù)機器人需求選擇合適的電機，為后續(xù)開展智能制造綜合設(shè)計夯實基礎(chǔ)。

“單片機技術(shù)課程設(shè)計”以機器人應(yīng)用技術(shù)實驗室的AGV智能搬運機器人為對象，基于STM32單片機開展智能搬運機器人的目標(biāo)定位、手臂路徑與運動規(guī)劃及移動平臺避障軟件設(shè)計。通過本課程設(shè)計，學(xué)生掌握基于單片機控制智能機器人運動的設(shè)計思路，為后續(xù)開展智能機器人綜合設(shè)計夯實基礎(chǔ)。

工業(yè)機器人中級階段實踐教學(xué)利用智能機器人實踐項目，通過課程設(shè)計、綜合實訓(xùn)課程及獨立實驗課，指導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)使用機器人基本硬件設(shè)備，包括電機、單片機及傳感器等，掌握控制原理和方法，培養(yǎng)具備利用嵌入式處理器，實現(xiàn)對機器人的傳感系統(tǒng)、控制電路、電源管理系統(tǒng)及通信接口電路等硬件系統(tǒng)設(shè)計與測試能力。

2.3高級強化階段實踐教學(xué)實施

由“生產(chǎn)實習(xí)”“畢業(yè)實習(xí)”“智能制造綜合課程設(shè)計”“畢業(yè)設(shè)計”“計算機輔助設(shè)計”獨立實踐課及“MES系統(tǒng)實驗”等獨立實驗課組成的工業(yè)機器人綜合設(shè)計應(yīng)用實踐層主要培養(yǎng)具有智能裝備及典型行業(yè)自動化生產(chǎn)線的集成設(shè)計、技術(shù)改造及運行管理的工程應(yīng)用能力。

高級強化階段是在完成初級認(rèn)知、中級提升階段學(xué)習(xí)之后，按照學(xué)生工業(yè)機器人發(fā)展方向和崗位能力需求，強化實踐動手能力，加深對智能制造行業(yè)中工業(yè)機器人系統(tǒng)集成應(yīng)用的理解，并嘗試比較復(fù)雜的工業(yè)機器人工作站系統(tǒng)集成設(shè)計。

機器人工程專業(yè)的工業(yè)機器人方向的“智能制造綜合課程設(shè)計”是對本專業(yè)方向?qū)嵺`技能的綜合訓(xùn)練，基于初級認(rèn)知階段“專業(yè)認(rèn)知實習(xí)”的搬運碼垛機器人工作站的認(rèn)知實訓(xùn)，“工程實訓(xùn)”的搬運碼垛機器人工作站的組裝實訓(xùn)及中級提升階段“機械設(shè)計基礎(chǔ)”的搬運碼垛機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計訓(xùn)練，“機器人編程實訓(xùn)”的搬運碼垛機器人工作站的仿真設(shè)計實訓(xùn)，以及“電氣控制課程設(shè)計”的搬運碼垛機器人的電氣設(shè)計實訓(xùn)進行工業(yè)機器人工作站系統(tǒng)集成應(yīng)用綜合設(shè)計。該綜合課程設(shè)計按照設(shè)計任務(wù)，5人一組設(shè)計一個工業(yè)機器人工作站，分上、下兩段在線上線下混合式教學(xué)微課堂平臺中進行。

微課堂實踐教學(xué)上階段以創(chuàng)新思維培養(yǎng)為主，主要開展機器人機械機構(gòu)設(shè)計，下階段以培養(yǎng)學(xué)生解決工程問題能力為主，綜合電氣控制、機器視覺及運動規(guī)劃等技術(shù)完成工業(yè)機器人工作站系統(tǒng)集成設(shè)計項目。

機器人工程專業(yè)的智能機器人方向的“智能機器人控制綜合課程設(shè)計”是對本專業(yè)方向?qū)嵺`技能的綜合訓(xùn)練，基于初級認(rèn)知階段“專業(yè)認(rèn)知實習(xí)”的導(dǎo)覽引導(dǎo)智能機器人的認(rèn)知實訓(xùn)、“工程實訓(xùn)”的智能娛樂跳舞機器人的組裝實訓(xùn)，以及“電子工藝實訓(xùn)”的智能循跡機器人、中級提升階段“機械設(shè)計基礎(chǔ)”的智能娛樂機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計訓(xùn)練、“單片機技術(shù)課程設(shè)計”的AGV智能搬運碼垛機器人的軟件設(shè)計實訓(xùn)進行的智能機器人綜合課程設(shè)計。該綜合課程設(shè)計按照設(shè)計任務(wù)，5人一組設(shè)計一個智能機器人，分上下兩段在線上線下混合式教學(xué)微課堂平臺中進行。上階段以創(chuàng)新思維培養(yǎng)為主，開展機器人結(jié)構(gòu)的創(chuàng)意設(shè)計，下階段以培養(yǎng)學(xué)生解決工程問題能力為主，綜合智能控制、機器視覺、導(dǎo)航與運動規(guī)劃等技術(shù)完成中高級智能機器人的應(yīng)用設(shè)計項目。

3“CDIOKSQA型”實踐教學(xué)體系實施效果

機器人工程專業(yè)人才培養(yǎng)經(jīng)歷了“211”（2017—2018級）階段、“211+N”雛形（2019—2020級）和“211+N”（2021級以后）三個階段，本文對“211+N”人才培養(yǎng)中的“CDIOKSQA型”實踐教學(xué)體系實施效果開展了調(diào)研，從多方面掌握機器人工程專業(yè)在實施“CDIOKSQA型”實踐教學(xué)體系后，學(xué)生實踐動手能力及綜合素質(zhì)培養(yǎng)的效果。

3.1集中實踐教學(xué)對職業(yè)發(fā)展效果

針對“機器人工程專業(yè)‘211+N’培養(yǎng)中，哪些集中實踐教學(xué)環(huán)節(jié)對自己職業(yè)發(fā)展最有利”的調(diào)查中，58.54%調(diào)查學(xué)生認(rèn)為“智能機器人控制綜合課程設(shè)計”最有利于自己的職業(yè)發(fā)展，“單片機技術(shù)課程設(shè)計”排序第二，“智能制造綜合課程設(shè)計”排序第三，“電子工藝實訓(xùn)”排序最后，如下圖所示。

以上數(shù)據(jù)說明機器人工程專業(yè)的兩大綜合性課程設(shè)計實踐教學(xué)對學(xué)生的職業(yè)發(fā)展能力培養(yǎng)效果最好，學(xué)生對于智能機器人方向的綜合性實踐教學(xué)興趣最大，期望最高，機器人工程專業(yè)后續(xù)要根據(jù)學(xué)生的職業(yè)發(fā)展需求，加強對智能機器人方向硬件及軟件建設(shè)投入。對于學(xué)生反饋的“電子工藝實訓(xùn)”對職業(yè)發(fā)展最為不好的情況，要剖析本課程教學(xué)反饋不好的原因，制訂課程教學(xué)改革方案，促進課程改革向有利于學(xué)生職業(yè)發(fā)展的方向進行。

3.2“CDIOKSQA型”實踐教學(xué)體系對綜合能力培養(yǎng)效果

針對“機器人工程專業(yè)‘211+N’培養(yǎng)中，‘CDIOKSQA型’雙主線項目層進式實踐教學(xué)體系對自己哪些方面能力培養(yǎng)最大”的調(diào)查中，24.93%的被調(diào)查學(xué)生認(rèn)為對自己的創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)作用最大，排在后面的依次是專業(yè)基礎(chǔ)能力、工程應(yīng)用能力和職業(yè)發(fā)展能力。從對學(xué)生能力培養(yǎng)的作用程度分析看，雙主線項目層進式實踐教學(xué)體系實現(xiàn)了對學(xué)生能力培養(yǎng)的目標(biāo)要求，特別是實現(xiàn)了對學(xué)生創(chuàng)新能力和實踐能力培養(yǎng)。只有1.68%的被調(diào)查學(xué)生認(rèn)為對于項目管理能力作用最大，排在所有能力作用的最后，說明機器人專業(yè)后面還需加強學(xué)生項目管理能力的培養(yǎng)，以滿足機器人系統(tǒng)集成應(yīng)用管理崗位能力需求。

結(jié)語

機器人工程專業(yè)借鑒CDIO工程教育理念，構(gòu)建的理論及實踐課程教學(xué)體系，按照一體化課程設(shè)計，實施項目化教學(xué)。以一級項目建設(shè)工業(yè)機器人工作站、智能機器人設(shè)計項目為主線，貫穿于整個本科教育階段，通過項目設(shè)計將整個課程體系教學(xué)有機、系統(tǒng)地結(jié)合起來。二級項目是基于理論教學(xué)課程群和實踐教學(xué)課程群，每個課程群都設(shè)有一個綜合性設(shè)計項目。三級項目是基于每門課程的理論實踐教學(xué)。項目主線式一體化教學(xué)，打破了知識的邊界，有效促進機器人專業(yè)各模塊知識連續(xù)性的學(xué)習(xí)，助推機器人專業(yè)學(xué)生基礎(chǔ)能力、工程能力、創(chuàng)新能力及職業(yè)職業(yè)能力的培養(yǎng)。

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基金項目：1.2018教育部首批“新工科”研究與實踐項目“機器人工程專業(yè)一主雙站式工程實踐育人體系構(gòu)建與實踐”（項目序號：18）;2.武漢市市屬高校教學(xué)研究項目“校企深度融合機制下機器人工程專業(yè)實踐教學(xué)平臺構(gòu)建研究”（項目編號：2019015）;3.教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項目“工科專業(yè)《工程實訓(xùn)》線上線下混合式教學(xué)體系構(gòu)建研究”（項目編號：202102292025）

作者簡介：桂偉（1980—），男，漢族，湖北黃岡人，碩士研究生，副教授，研究方向：機器人結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計、系統(tǒng)集成技術(shù)等。