張萌 沈莉 盧耀暉 肖令

基金項目：2022年湖南省普通高等學(xué)校教學(xué)改革研究項目“強(qiáng)軍新工科視域下工程技術(shù)訓(xùn)練‘兩融化改革與實踐”（項目編號：HNJG-2022-0415）。

作者簡介：張萌（1984—），男，博士，國防科技大學(xué)智能科學(xué)學(xué)院副教授，研究方向為數(shù)字化制造與智能制造；沈莉（1992—），女，碩士，國防科技大學(xué)智能科學(xué)學(xué)院助理實驗師，研究方向為機(jī)器人；盧耀暉（1975—），女，碩士，國防科技大學(xué)智能科學(xué)學(xué)院副教授，研究方向為3D打印與智能制造；肖令（1971—），男，學(xué)士，國防科技大學(xué)智能科學(xué)學(xué)院高級工程師，研究方向為數(shù)控加工。

摘? 要：文章瞄準(zhǔn)新時代高等院校大學(xué)生工程實踐能力與工程創(chuàng)新素質(zhì)的培養(yǎng)需求，以工程技術(shù)訓(xùn)練課程為主要對象，分析了課程當(dāng)前存在的問題和不足，提出了以機(jī)器人為牽引的課程建設(shè)總體思路，給出了機(jī)器人制造工程實訓(xùn)單元和機(jī)器人機(jī)電系統(tǒng)實訓(xùn)單元的具體建設(shè)內(nèi)容，描述了課程的預(yù)期建設(shè)效益，對工程技術(shù)訓(xùn)練教學(xué)改革和工程訓(xùn)練中心升級建設(shè)具有一定的參考意義。

關(guān)鍵詞：工程技術(shù)訓(xùn)練；機(jī)器人；制造工程；機(jī)電系統(tǒng)；課程建設(shè)

中圖分類號：E251.3；G642? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? 文章編號：1673-7164（2024）14-0047-04

一、研究背景

工程技術(shù)訓(xùn)練課程是以工程實踐為主要載體的技術(shù)基礎(chǔ)課，是我國高等教育院校廣泛開設(shè)的一門通識類、基礎(chǔ)型、實踐性教學(xué)課程，主要授課對象為大學(xué)工科類學(xué)生，旨在通過系統(tǒng)的工程技術(shù)學(xué)習(xí)與實踐訓(xùn)練提高學(xué)生的工程實踐能力與工程創(chuàng)新意識，對于夯實學(xué)生基本工程素養(yǎng)、提升學(xué)生綜合素質(zhì)起著非常重要的作用。［1-3］

自“九五”以來，全國各大高校都在投入力量建設(shè)工程技術(shù)訓(xùn)練課程，［4］在當(dāng)時以及之后相當(dāng)長的一段時期內(nèi)，課程的名稱大都是金工實習(xí)或者機(jī)械制造實踐，課程的主要內(nèi)容是通過車、銑、刨、磨、鉗、鑄、鍛、焊等傳統(tǒng)機(jī)械制造訓(xùn)練，讓學(xué)生了解各類金屬加工工藝和各種機(jī)床設(shè)備等，對學(xué)生掌握金工技能、支撐后續(xù)實踐課程學(xué)習(xí)等發(fā)揮了積極作用，許多學(xué)生甚至在畢業(yè)多年以后仍舊有著加工了一把錘子的深刻記憶。［5-6］這樣的課程設(shè)置符合當(dāng)時工業(yè)3.0的時代定位，而如今世界科技飛速發(fā)展、日新月異，世界已經(jīng)進(jìn)入了以現(xiàn)代制造、智能制造為主體的工業(yè)4.0時代，進(jìn)入了以機(jī)器人、人工智能為特點的“機(jī)器人+”時代和“人工智能+”時代。新時代對高校學(xué)生的工程能力、工程素養(yǎng)和創(chuàng)新精神有著完全不同的、更高階的要求，依靠傳統(tǒng)的以金工為主的課程內(nèi)容已然不能滿足時代需要。

自2017年以來，教育部積極推進(jìn)新工科建設(shè)，要求高校加快推進(jìn)新產(chǎn)業(yè)、新技術(shù)的多學(xué)科交叉融合發(fā)展。［7-8］以前的“金工實習(xí)”課程工程技術(shù)陳舊、實訓(xùn)面狹窄、內(nèi)涵深度淺，不能適應(yīng)新時代的需求，因此課程均逐步更名為工程技術(shù)訓(xùn)練、工程技術(shù)實踐等，其內(nèi)涵也在逐步拓展與深化。經(jīng)過廣泛調(diào)研發(fā)現(xiàn)，課程名稱雖然做了改變更換，卻并未對實訓(xùn)內(nèi)容體系進(jìn)行根本性重塑，部分高校仍舊以錘子作為實訓(xùn)載體，只是加工手段從傳統(tǒng)加工走向了數(shù)控加工，或者更換了實訓(xùn)載體，但實訓(xùn)重點仍舊落在工種上，以工種來牽引實訓(xùn)過程。這與新時代的工程技術(shù)訓(xùn)練需求相去甚遠(yuǎn)，設(shè)置的課程內(nèi)容不能滿足以現(xiàn)代制造、智能制造、機(jī)器人乃至人工智能等為代表的高新技術(shù)對人才工程能力和創(chuàng)新能力的需求，未立足時代的發(fā)展和未來的市場需求開展工程訓(xùn)練。［9-11］

因此，為適應(yīng)新時代工程實踐教育的需要，有必要對占基礎(chǔ)性地位的工程技術(shù)訓(xùn)練課程進(jìn)行改革建設(shè)，梳理新的實踐教學(xué)理念，探究新的實踐訓(xùn)練內(nèi)容體系，以提高對人才培養(yǎng)的支撐力度。

二、建設(shè)總體思路

機(jī)器人的廣泛應(yīng)用是工業(yè)4.0時代的一個典型特征，機(jī)器人深度介入到工業(yè)、軍事以及生活等場景將是未來機(jī)器人技術(shù)和人工智能技術(shù)發(fā)展的必然趨勢，即“+機(jī)器人”“機(jī)器人+”以及智能機(jī)器人將逐步成為主流，與之相關(guān)的基礎(chǔ)理論、關(guān)鍵技術(shù)將是各個國家發(fā)展的重點領(lǐng)域。圍繞機(jī)器人開展工程技術(shù)訓(xùn)練對學(xué)生開展后續(xù)以機(jī)器人和人工智能等為主的課程打下良好基礎(chǔ)，同時也契合新時代的特征，并有助于培養(yǎng)滿足未來市場需要的工程技術(shù)人才。

遵循“聚焦機(jī)器人裝備、突出機(jī)電特色、訓(xùn)練工程實踐能力”的教學(xué)理念和總體思路進(jìn)行“工程技術(shù)訓(xùn)練”課程的重塑建設(shè)，圍繞機(jī)器人機(jī)電系統(tǒng)認(rèn)知與設(shè)計、機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)制造與檢測、機(jī)器人機(jī)電裝調(diào)與試驗開展基本的機(jī)器人認(rèn)知解構(gòu)能力、創(chuàng)新設(shè)計能力、加工制作能力、精度檢測能力、機(jī)電裝調(diào)能力和試驗測試能力等的訓(xùn)練，建設(shè)以機(jī)器人牽引、機(jī)電特色顯著、能力訓(xùn)練為主的“工程技術(shù)訓(xùn)練”課程，為后續(xù)相關(guān)專業(yè)課程、綜合設(shè)計課程的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)，培養(yǎng)高素質(zhì)專業(yè)化人才。

三、具體建設(shè)內(nèi)容

以機(jī)器人為牽引，構(gòu)建以機(jī)器人裝備貫穿的機(jī)電工程實踐訓(xùn)練體系，以機(jī)器人整機(jī)加工制造能力訓(xùn)練、機(jī)器人機(jī)電系統(tǒng)集成能力訓(xùn)練為主，擬建設(shè)兩個工程技術(shù)訓(xùn)練實訓(xùn)單元，分別為機(jī)器人制造工程實訓(xùn)單元和機(jī)器人機(jī)電系統(tǒng)實訓(xùn)單元，前者側(cè)重于機(jī)器人物理實體的加工制造，目標(biāo)是實現(xiàn)機(jī)器人“想得出、造得了”，后者側(cè)重于對機(jī)器人機(jī)電系統(tǒng)的控制與調(diào)試，目標(biāo)是實現(xiàn)機(jī)器人“動得了、動得好”。

（一）機(jī)器人制造工程實訓(xùn)單元

按照“了解制造基礎(chǔ)技術(shù)、掌握現(xiàn)代制造方法、強(qiáng)化工程綜合素養(yǎng)”的思路進(jìn)行建設(shè)，圍繞機(jī)器人認(rèn)知與設(shè)計、機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)制造與檢測開展基本的裝備認(rèn)知解構(gòu)能力、創(chuàng)新設(shè)計能力、加工制作能力的訓(xùn)練與生成，目的是讓學(xué)生掌握機(jī)器人典型零部件（如軸、車架、輪、薄壁件、盤套件等）的工作原理、設(shè)計方法和制造過程，會運用各類數(shù)字化、智能化的制造設(shè)備、制造工藝，完成機(jī)器人典型零部件的研制，為機(jī)器人結(jié)構(gòu)本體制造奠定基礎(chǔ)。具體建設(shè)內(nèi)容包括機(jī)器人本體材料成形實訓(xùn)平臺、機(jī)器人仿生結(jié)構(gòu)快速原型實訓(xùn)平臺、機(jī)器人關(guān)鍵零件切削加工實訓(xùn)平臺、機(jī)器人整機(jī)機(jī)械裝調(diào)實訓(xùn)平臺等，如圖1所示。

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圖1? 機(jī)器人制造工程實訓(xùn)單元

機(jī)器人本體材料成形實訓(xùn)平臺重點建設(shè)移動機(jī)器人、固定機(jī)器人等本體結(jié)構(gòu)的工程材料成形數(shù)字化、精密化的實訓(xùn)條件，包括材料熱成形教學(xué)系統(tǒng)、復(fù)合材料成形系統(tǒng)、熱處理系統(tǒng)、光譜儀等，從機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)的工程材料成形、材料改性、材料觀測等方面建設(shè)較為完備的實訓(xùn)內(nèi)容與條件。

機(jī)器人仿生結(jié)構(gòu)快速原型實訓(xùn)平臺重點建設(shè)基于3D打印、激光加工、刻蝕腐蝕的機(jī)器人功構(gòu)一體化仿生結(jié)構(gòu)的快速制備與驗證環(huán)境，包括工業(yè)級3D打印機(jī)、激光切割機(jī)、光刻顯影、薄膜沉積、刻蝕腐蝕、鍵合封裝、測試表征等加工工藝模塊，為移動機(jī)器人仿生驅(qū)動器、仿生行走部件、仿生執(zhí)行器制作提供環(huán)境支撐。

機(jī)器人關(guān)鍵零件切削加工實訓(xùn)平臺主要針對機(jī)器人上軸、架等較高加工精度要求、較高工作能力要求的零件，建設(shè)基礎(chǔ)制造綜合組件、數(shù)控機(jī)床、多軸加工中心、復(fù)合加工中心、精密雕銑機(jī)等，支撐關(guān)鍵零件的金屬切削半精加工、精加工，為實現(xiàn)精確的機(jī)器人運動控制奠定結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

機(jī)器人整機(jī)機(jī)械裝調(diào)實訓(xùn)平臺位于機(jī)器人制造工程實訓(xùn)子環(huán)境的末端，主要是將前面三個實訓(xùn)平臺得到的本體框架、仿生結(jié)構(gòu)件、關(guān)鍵零件以及電源、電機(jī)、驅(qū)動器、控制器等部組件裝配起來，并進(jìn)行機(jī)械裝調(diào)，實現(xiàn)對機(jī)器人整機(jī)機(jī)械系統(tǒng)的搭建。

依托上述四個子平臺，機(jī)器人制造工程實訓(xùn)單元可以開設(shè)的實訓(xùn)模塊包括機(jī)器人拆裝認(rèn)知實訓(xùn)、材料成形實訓(xùn)、機(jī)器人復(fù)雜結(jié)構(gòu)件逆向工程實訓(xùn)、機(jī)器人復(fù)雜結(jié)構(gòu)3D打印實訓(xùn)、機(jī)器人薄板結(jié)構(gòu)激光切割實訓(xùn)、機(jī)器人核心零部件數(shù)控加工實訓(xùn)、微小型機(jī)器人制造實訓(xùn)、機(jī)器人機(jī)械裝調(diào)實訓(xùn)等。

（二）機(jī)器人機(jī)電系統(tǒng)實訓(xùn)單元

機(jī)器人機(jī)電系統(tǒng)實訓(xùn)單元以各類先進(jìn)機(jī)器人為實踐對象，培養(yǎng)學(xué)生的大工程觀和大系統(tǒng)觀，鍛煉學(xué)生機(jī)器人軟硬件設(shè)計、調(diào)試、檢測、維修能力，鼓勵學(xué)生根據(jù)應(yīng)用需求開展創(chuàng)新研究，為培養(yǎng)高素質(zhì)新型軍事人才奠定基礎(chǔ)。實訓(xùn)單元的教學(xué)目標(biāo)為：1. 強(qiáng)化學(xué)生工程學(xué)思維和方法，提高學(xué)生對機(jī)器人運用、維護(hù)及維修的實踐能力；2. 培養(yǎng)學(xué)生綜合實踐能力，促進(jìn)學(xué)生掌握機(jī)器人機(jī)電控制和系統(tǒng)集成能力；3. 提升學(xué)生創(chuàng)新能力，促進(jìn)學(xué)生掌握機(jī)器人軟硬件系統(tǒng)整體設(shè)計、調(diào)試方法，加強(qiáng)學(xué)生面對典型應(yīng)用場景，進(jìn)行機(jī)器人改裝、升級、創(chuàng)新等創(chuàng)造性工作的能力，為培養(yǎng)機(jī)器人等機(jī)電裝備創(chuàng)新人才奠定基礎(chǔ)。

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圖2? 機(jī)器人機(jī)電系統(tǒng)實訓(xùn)單元

在有序銜接機(jī)器人制造工程實訓(xùn)單元的基礎(chǔ)上，按照機(jī)器人“系統(tǒng)認(rèn)知、創(chuàng)新設(shè)計、系統(tǒng)集成、調(diào)試檢測、機(jī)電控制、綜合應(yīng)用”的思路建設(shè)課程，鍛煉學(xué)生對機(jī)器人機(jī)電系統(tǒng)的設(shè)計、拆裝、調(diào)試、檢測、維修等工程實踐能力，培養(yǎng)學(xué)生根據(jù)軍事應(yīng)用需求設(shè)計和優(yōu)化機(jī)器人的創(chuàng)新能力。具體建設(shè)內(nèi)容包括機(jī)器人移動模塊實訓(xùn)平臺、機(jī)器人執(zhí)行模塊實訓(xùn)平臺、仿生機(jī)器人創(chuàng)新實訓(xùn)平臺、機(jī)器人設(shè)計與測試平臺等，如圖2所示。

機(jī)器人運動功能模塊實訓(xùn)平臺主要針對工業(yè)、軍事、生活場景下的各類機(jī)器人移動方式，聚焦各類型機(jī)器人移動底盤的機(jī)電控制特性，分析輪式、履帶式、足式、輪/履/足復(fù)合式機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計、軌跡規(guī)劃、運動控制等特性，重點加強(qiáng)學(xué)生對足式機(jī)器人的學(xué)習(xí)、理解和研究深度，加強(qiáng)學(xué)生“拆—裝—維—修—調(diào)—改－創(chuàng)”等工程實踐活動，豐富教學(xué)對象和教學(xué)手段，提升學(xué)習(xí)的參與度和認(rèn)知度。

機(jī)器人操作功能模塊實訓(xùn)平臺主要針對各類機(jī)器人搭載的載荷開展建設(shè)，聚焦仿人上肢機(jī)器人、“靈巧手”、并聯(lián)型機(jī)器人等多種類型機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)，開展機(jī)構(gòu)設(shè)計、運動學(xué)分析、高精度軌跡跟蹤控制、機(jī)器人動力學(xué)與控制等內(nèi)容學(xué)習(xí)，重點加強(qiáng)學(xué)生對仿人上肢機(jī)器人的學(xué)習(xí)、理解和研究深度，豐富工程技術(shù)訓(xùn)練課程教學(xué)實踐手段，提升學(xué)生學(xué)習(xí)的廣度和深度。

仿生機(jī)器人創(chuàng)新實訓(xùn)平臺主要開展新機(jī)理、新形態(tài)、新構(gòu)型仿生機(jī)器人研究，通常基于建設(shè)高校的相關(guān)科研實現(xiàn)教研融合，充分激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力。

機(jī)器人設(shè)計與測試平臺主要針對機(jī)器人設(shè)計和測試相關(guān)環(huán)境建設(shè)，聚焦虛擬設(shè)計、力學(xué)采集、運動捕捉、運動與操控等機(jī)器人設(shè)計與測試典型條件，提升學(xué)生對機(jī)器人設(shè)計、加工、控制與創(chuàng)新的學(xué)習(xí)深度，為學(xué)生的深入研究和創(chuàng)新提供條件。

機(jī)器人機(jī)電系統(tǒng)實訓(xùn)單元以機(jī)電系統(tǒng)為核心，融合智能科學(xué)與技術(shù)，強(qiáng)化工程實踐能力，提升前沿創(chuàng)新能力，有利于幫助學(xué)生夯實學(xué)科知識，強(qiáng)化工程思維，提升實踐能力和創(chuàng)新能力。

四、建設(shè)效益

通過構(gòu)建以機(jī)器人裝備牽引的“工程技術(shù)訓(xùn)練”課程內(nèi)容體系，將改變該課程當(dāng)前以“金工實習(xí)”或“機(jī)械制造工程實踐”為主的實訓(xùn)內(nèi)容和實踐條件，強(qiáng)調(diào)以機(jī)器人整機(jī)加工制造能力和機(jī)器人機(jī)電系統(tǒng)集成能力的訓(xùn)練與生產(chǎn)為主，將有效支撐學(xué)員工程素養(yǎng)、工程思維、工程實踐能力、工程創(chuàng)新意識等的培養(yǎng)，契合工業(yè)4.0時代以及新工科建設(shè)對大學(xué)生的培養(yǎng)需求。從建設(shè)的預(yù)期效益上進(jìn)行分析，這種新的“工程技術(shù)訓(xùn)練”課程建設(shè)將在以下幾個方面帶來顯著效益。

課程建設(shè)后可直接服務(wù)于機(jī)械類專業(yè)、近機(jī)類專業(yè)以及其他工科專業(yè)的工程訓(xùn)練實踐教學(xué)，可覆蓋機(jī)器人認(rèn)知實踐訓(xùn)練、機(jī)器人機(jī)械綜合設(shè)計訓(xùn)練、機(jī)器人機(jī)械制造實踐訓(xùn)練、機(jī)器人機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計實驗、機(jī)器人綜合控制實踐等，開展“認(rèn)知訓(xùn)練—基礎(chǔ)訓(xùn)練—綜合訓(xùn)練—創(chuàng)新訓(xùn)練”的多層次實踐教學(xué)。

能夠有效支撐全國先進(jìn)成圖與信息建模技術(shù)大賽、全國大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計大賽、全國大學(xué)生工程實踐與創(chuàng)新能力競賽、ICAN競賽等各類省級、國家級學(xué)科競賽，以及大學(xué)生創(chuàng)新項目等，對大學(xué)生“雙創(chuàng)”實踐具有很好的支撐作用。

進(jìn)一步加強(qiáng)新興專業(yè)建設(shè)，尤其是對于機(jī)器人工程、人工智能等新工科專業(yè)具有強(qiáng)大助力作用。新工科強(qiáng)調(diào)多專業(yè)之間的交叉融合，在新材料、新應(yīng)用、新融合等方面可能衍生出的新興領(lǐng)域和專業(yè)，機(jī)器人更是多專業(yè)融合的典型代表，產(chǎn)生了機(jī)器人工程、智能機(jī)器人系統(tǒng)等新興專業(yè)，以機(jī)器人牽引的“工程技術(shù)訓(xùn)練”課程對支撐新興專業(yè)建設(shè)具有積極的作用。

五、結(jié)語

針對當(dāng)前工程技術(shù)訓(xùn)練課程對新時代需求支撐度不高的問題，考慮改變傳統(tǒng)以工種主導(dǎo)或金工側(cè)重的實訓(xùn)模式，以機(jī)器人牽引工程技術(shù)實踐訓(xùn)練過程，建設(shè)覆蓋機(jī)器人認(rèn)知、機(jī)器人結(jié)構(gòu)方案創(chuàng)新設(shè)計、機(jī)器人零部件加工制造、機(jī)器人機(jī)械裝調(diào)、機(jī)器人機(jī)電系統(tǒng)調(diào)試、機(jī)器人功能測試等相關(guān)工程技術(shù)訓(xùn)練的新內(nèi)容體系，形成機(jī)器人制造工程實訓(xùn)、機(jī)器人機(jī)電系統(tǒng)實訓(xùn)兩個進(jìn)階式單元，有助于培養(yǎng)學(xué)生的機(jī)器人整機(jī)加工制造能力和機(jī)器人機(jī)電系統(tǒng)集成能力。

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（責(zé)任編輯：邵秋露）