面向工程教育專業(yè)認(rèn)證的機(jī)器人學(xué)課程教學(xué)改革與實(shí)踐

張彥斌 宋 磊 邱 明 張占立 田軍營

河南科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 河南洛陽 471003

面向工程教育專業(yè)認(rèn)證的機(jī)器人學(xué)課程教學(xué)改革與實(shí)踐

張彥斌 宋 磊 邱 明 張占立 田軍營

河南科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 河南洛陽 471003

工程教育專業(yè)認(rèn)證對于保障高校工程教育質(zhì)量、促進(jìn)我國工程教育教學(xué)改革、培養(yǎng)國際工程師具有非常重要的作用。結(jié)合學(xué)校機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動化專業(yè)的工程教育專業(yè)認(rèn)證要求和機(jī)器人學(xué)課程教學(xué)中存在的問題，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段、實(shí)驗(yàn)教學(xué)、科研與教學(xué)結(jié)合、教學(xué)評價(jià)體系等方面對該課程進(jìn)行教學(xué)改革，通過近兩年的課堂教學(xué)實(shí)踐顯示出改革方法的有效性。

機(jī)器人學(xué)；工程教育專業(yè)認(rèn)證；教學(xué)改革

機(jī)器人技術(shù)是目前國際上得到廣泛研究和重點(diǎn)發(fā)展的學(xué)科領(lǐng)域之一。無論是2015年頒布的《中國制造2025》國家戰(zhàn)略規(guī)劃或者2016年制定的國家“十三五”發(fā)展規(guī)劃中，我國都將機(jī)器人列為重點(diǎn)突破發(fā)展領(lǐng)域或高端裝備創(chuàng)新發(fā)展行業(yè)。在全球工業(yè)由“制造”向“智造”轉(zhuǎn)變的今天，機(jī)器人技術(shù)更是彰顯了其獨(dú)特的魅力和不可或缺的地位。機(jī)器人學(xué)是一門多學(xué)科高度交叉融合的前沿學(xué)科，代表了機(jī)電一體化的最高成就[1]，涉及機(jī)械學(xué)、生物學(xué)、人類學(xué)、社會學(xué)、人工智能、計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制工程學(xué)、電子工程學(xué)等。機(jī)器人學(xué)課程作為機(jī)械類本科專業(yè)的重要專業(yè)課，在各個高校都吸引了不少學(xué)生[2-4]，以河南科技大學(xué)為例，年均有超過百名的機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動化專業(yè)學(xué)生選修該課程。為進(jìn)一步適應(yīng)新形勢下的教學(xué)需要，轉(zhuǎn)變教學(xué)理念、改進(jìn)教學(xué)方法，筆者對機(jī)器人學(xué)課程進(jìn)行教學(xué)改革，并在最近兩年的課程教學(xué)中實(shí)踐，取得了良好的教學(xué)效果。

1 課程教學(xué)改革背景

工程教育專業(yè)認(rèn)證是目前國際上通行的工程教育質(zhì)量保證制度，也是實(shí)現(xiàn)工程教育的國際互認(rèn)和工程師資格國際互認(rèn)的重要基礎(chǔ)[5]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國工科專業(yè)在校生占在校學(xué)生總數(shù)的比例超過三分之一，畢業(yè)生占總體畢業(yè)生總量的比例接近三分之一，百分之九十以上的本科高校設(shè)置了工科專業(yè)。雖然我國已成為高等工程教育大國，但距離美歐高等工程教育強(qiáng)國還有不小差距。因此，如何提高我國工科學(xué)生的工程素養(yǎng)和國際競爭力成為當(dāng)下中國高等教育事業(yè)的迫切任務(wù)和亟待解決的問題之一。2016年6月，在馬來西亞吉隆坡舉行的國際工程聯(lián)盟大會上，中國正式被接納為《華盛頓協(xié)議》[6]的第18個成員，標(biāo)志著我國工程教育專業(yè)認(rèn)證體系得到了國際認(rèn)可，也意味著中國高等工程教育邁上了國際舞臺。工程教育專業(yè)認(rèn)證的核心理念為：以學(xué)生為中心(Student-Centered，簡稱SC)，以產(chǎn)出為導(dǎo)向(Outcome-Based Education，簡稱OBE)和持續(xù)改進(jìn)(Continuous Quality Improvement，簡稱CQI)。尤其是OBE模式完全顛覆了傳統(tǒng)的教學(xué)理念，將高等教育從以教師的“教”為中心轉(zhuǎn)變?yōu)橐詫W(xué)生的“學(xué)”為中心，將教學(xué)從教師的“理論知識體系”傳授轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)生的“能力達(dá)成目標(biāo)”實(shí)現(xiàn)。2016年11月，專家組對河南科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動化專業(yè)(包括機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械制造、軸承3個專業(yè)方向)的工程教育專業(yè)認(rèn)證申請進(jìn)行入校考查，全方位的對專業(yè)認(rèn)證自評報(bào)告內(nèi)容進(jìn)行核實(shí)和查驗(yàn)。從專家組的反饋情況看，肯定了本專業(yè)在工程教育方面所做的工作和努力以及所取得的成績，進(jìn)一步促進(jìn)了本專業(yè)按照新的教學(xué)理念和模式進(jìn)行各門課程的教學(xué)改革與實(shí)踐。

2 課程設(shè)置與教學(xué)環(huán)節(jié)存在問題

2014年，為提高學(xué)生工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力，增強(qiáng)學(xué)生課外素質(zhì)教育，以及向國際化工程教育理念轉(zhuǎn)變，學(xué)校對本科生的培養(yǎng)方案進(jìn)行修訂，降低了本科期間必修學(xué)分的總數(shù)量，直接導(dǎo)致部分專業(yè)課程的學(xué)時(shí)減少。其中《機(jī)器人學(xué)》課程由原來的48學(xué)時(shí)(含42理論學(xué)時(shí)和6實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí))降為40學(xué)時(shí)(含36理論學(xué)時(shí)和4實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí))，這就使得教學(xué)內(nèi)容變化不大與學(xué)時(shí)數(shù)目的減少產(chǎn)生沖突。目前，大多數(shù)教材是以機(jī)械臂式的工業(yè)機(jī)器人為依托，對其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)、控制方法等方面進(jìn)行講述，教學(xué)內(nèi)容較為陳舊，知識體系數(shù)十年變化不大，新理論、新方法在教材中很少(甚至完全沒有)得到體現(xiàn)，不能緊跟科技發(fā)展而更新。再加上該課程安排在大四第一學(xué)期，半數(shù)以上學(xué)生因忙于考研復(fù)習(xí)，對于課程學(xué)習(xí)興趣不大，甚至經(jīng)常缺席上課。因此，如果教師在教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法上缺乏足夠的吸引力，教學(xué)效果將更難以保證。同時(shí)，傳統(tǒng)的卷面考試不適宜于這種多學(xué)科交叉融合的專業(yè)課程，一套試卷無法體現(xiàn)出學(xué)生在分析和解決復(fù)雜機(jī)械工程問題方面的能力和創(chuàng)造力，不符合工程教育專業(yè)認(rèn)證的教學(xué)理念。

3 教學(xué)改革措施

根據(jù)學(xué)校2014版《機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化專業(yè)本科生培養(yǎng)方案》和機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化專業(yè)的工程教育專業(yè)認(rèn)證要求，筆者分別于2014年和2016年兩次對機(jī)器人學(xué)課程教學(xué)大綱進(jìn)行修訂，明確了課程教學(xué)目標(biāo)，規(guī)范了教學(xué)內(nèi)容，指明了對學(xué)生的重點(diǎn)能力培養(yǎng)方向。例如，2016版《工程教育專業(yè)認(rèn)證自評報(bào)告》的“畢業(yè)要求”部分共包含12項(xiàng)畢業(yè)生應(yīng)具備的能力(即指標(biāo)點(diǎn))，我校機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化專業(yè)根據(jù)本專業(yè)自身實(shí)際情況又將這12個指標(biāo)點(diǎn)分解為30個子指標(biāo)點(diǎn)，每一個子指標(biāo)點(diǎn)能否達(dá)成需要有相應(yīng)課程(包括理論課和實(shí)踐課)所支撐。而本課程對應(yīng)了其中3個子指標(biāo)點(diǎn)，分別為：(1)運(yùn)動機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化專業(yè)知識對復(fù)雜機(jī)械工程問題進(jìn)行建模、求解和分析，尋求最優(yōu)方案；(2)了解基本的創(chuàng)新方法，并能將其應(yīng)用在復(fù)雜機(jī)械工程問題的解決過程中；(3)了解本專業(yè)的新理論、新技術(shù)、新方法，自主學(xué)習(xí)，適應(yīng)發(fā)展。所以在教學(xué)大綱制訂、教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)、教學(xué)手段實(shí)施、教學(xué)效果評價(jià)時(shí)應(yīng)側(cè)重于這3項(xiàng)能力的培養(yǎng)。本課程具體采取的教學(xué)改革措施如下。

3.1 教學(xué)內(nèi)容改革

機(jī)器人學(xué)課程包含的內(nèi)容多、學(xué)科廣、知識點(diǎn)豐富，且部分內(nèi)容學(xué)習(xí)難度較大，為了引起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和重視，在總學(xué)時(shí)有限的情況下將緒論部分從2學(xué)時(shí)增加到4學(xué)時(shí)，并于2015-2016學(xué)年第一學(xué)期開始執(zhí)行。緒論從身邊的機(jī)器人入手，較為詳細(xì)介紹生活中接觸到的各類機(jī)器人，如服務(wù)機(jī)器人、醫(yī)療機(jī)器人、娛樂機(jī)器人、清潔機(jī)器人、排險(xiǎn)機(jī)器人、康復(fù)機(jī)器人、仿生機(jī)器人、農(nóng)業(yè)機(jī)器人和工業(yè)機(jī)器人等，采用視頻、圖、文等展示方式，直觀、生動地展現(xiàn)各式機(jī)器人，寓教于樂中增強(qiáng)學(xué)生課程學(xué)習(xí)的吸引力。對于課程的整體教學(xué)內(nèi)容則采取“深度”與“廣度”的結(jié)合，改變了以往過于偏重講解工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)、運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)和控制方法，而忽視了機(jī)器人技術(shù)中的其他重要知識，如傳感器技術(shù)和路徑規(guī)劃等，因此在新修訂的大綱中增加了相關(guān)內(nèi)容。教學(xué)內(nèi)容改革的目的是力求學(xué)生能通過課程學(xué)習(xí)，不僅掌握機(jī)器人技術(shù)重點(diǎn)基礎(chǔ)知識，還能了解與之相關(guān)的其他專業(yè)知識，為下一學(xué)期的畢業(yè)設(shè)計(jì)與未來的工作或深造學(xué)習(xí)做“深”且“廣”的知識儲備。

3.2 改進(jìn)教學(xué)手段

本課程采用多媒體為主、板書為輔的形式進(jìn)行課堂教學(xué)，一方面有效利用PPT等多媒體現(xiàn)代教學(xué)工具，以豐富教學(xué)內(nèi)容、增加課堂知識容量，提高講課效率；另一方面也充分發(fā)揮傳統(tǒng)教學(xué)方式的優(yōu)勢，將課堂重點(diǎn)內(nèi)容適當(dāng)板書，以引起學(xué)生的重視和增強(qiáng)知識接受過程。將微課引入課堂教學(xué)，起到改變課堂教學(xué)節(jié)奏、活躍課堂氣氛和簡化對抽象問題的理解的作用。例如，在引入并聯(lián)機(jī)器人概念時(shí)，基于筆者研發(fā)的一臺三自由度移動并聯(lián)機(jī)器人事先錄制了小段視頻，借助于具體實(shí)物講解并聯(lián)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)形式、工作原理、控制方式等內(nèi)容。學(xué)生可輕松地對結(jié)構(gòu)復(fù)雜的并聯(lián)機(jī)器人有了感性認(rèn)識，并能迅速理解其與機(jī)械臂式的工業(yè)機(jī)器人的不同之處。為預(yù)防學(xué)生在長時(shí)間的PPT授課過程中的聽覺和視覺疲勞，除增加師生互動提問交流外，還增加適量英文教學(xué)，既能有效提高學(xué)生的課堂專注度，又能增加學(xué)生專業(yè)英語的學(xué)習(xí)機(jī)會，尤其考研學(xué)生非常樂于這個環(huán)節(jié)。

3.3 增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)

課堂理論學(xué)習(xí)是學(xué)生對于系統(tǒng)知識接受和掌握的第一現(xiàn)場和首要環(huán)節(jié)，而實(shí)驗(yàn)教學(xué)則是將理論學(xué)習(xí)從“課堂”轉(zhuǎn)移到“現(xiàn)場”，同時(shí)通過學(xué)生的操作實(shí)踐加深對理論知識的理解和靈活應(yīng)用，并增強(qiáng)學(xué)生的動手操作能力和工程能力。因此，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是課堂教學(xué)的有益補(bǔ)充，也是不可取代的一環(huán)。為配合機(jī)器人學(xué)等課程建設(shè)，河南科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院專門成立了工業(yè)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室，配備專職實(shí)驗(yàn)教師1名，現(xiàn)有六自由度工業(yè)機(jī)器人5臺。實(shí)驗(yàn)時(shí)3人一組操作一臺機(jī)器人，通過編程進(jìn)行機(jī)器人空間運(yùn)動軌跡控制，完成預(yù)定的末端操作手的抓取物體動作，綜合應(yīng)用所學(xué)機(jī)器人運(yùn)動學(xué)、控制設(shè)計(jì)和軌跡規(guī)劃、編程等知識點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)教師現(xiàn)場指導(dǎo)，根據(jù)學(xué)生的操作能力和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行評價(jià)，激勵了學(xué)生對課堂理論知識學(xué)習(xí)的積極性和主動性。由于該實(shí)驗(yàn)室為完全開放式的實(shí)驗(yàn)室，除大綱規(guī)定的教學(xué)實(shí)驗(yàn)外，學(xué)生還可以在課外時(shí)間預(yù)約實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行個人開發(fā)的相關(guān)實(shí)驗(yàn)，促進(jìn)提高學(xué)生的動手操作能力和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力。

3.4 科研與教學(xué)相結(jié)合

一般而言，教材知識具有基礎(chǔ)性和通用性，教材內(nèi)容的更新速度遠(yuǎn)滯后于科學(xué)理論和技術(shù)水平的發(fā)展。因此，在課堂理論教學(xué)過程中，尤其是專業(yè)課，任課教師應(yīng)將個人的科研與課程內(nèi)容相融合，在講授教材基本理論知識的同時(shí)，適量加入相關(guān)的最新科技知識和學(xué)科前沿動態(tài)，以開闊學(xué)生的知識結(jié)構(gòu)和學(xué)術(shù)視野。目前，常見的工業(yè)機(jī)器人都是機(jī)械臂式的串聯(lián)結(jié)構(gòu)，而近些年來并聯(lián)機(jī)器人已在國內(nèi)外得到廣泛關(guān)注與研究，并得到越來越多的應(yīng)用，但絕大多數(shù)機(jī)器人學(xué)課程教材卻極少關(guān)注此類機(jī)器人。筆者的研究方向恰好為機(jī)構(gòu)學(xué)與并聯(lián)機(jī)器人理論，特別是在并聯(lián)機(jī)器人的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方面取得了較為顯著的成績，發(fā)表相關(guān)學(xué)術(shù)論文50余篇，申請國家發(fā)明專利15項(xiàng)。在課堂教學(xué)過程中，結(jié)合相關(guān)教學(xué)內(nèi)容中添加并聯(lián)機(jī)器人的創(chuàng)新設(shè)計(jì)理論與方法，分析筆者對HUST-I完全各向同性移動并聯(lián)機(jī)器人設(shè)計(jì)過程中遇到的問題和解決辦法，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維意識和科研興趣。同時(shí)，在授課過程中適時(shí)引入機(jī)器人技術(shù)的國內(nèi)外最新發(fā)展方向，如最近兩年才提出的“共融機(jī)器人”(Tri-Co Robots)，分析機(jī)器人“剛-柔-軟”結(jié)合的必要性和優(yōu)越性等，對于拓展學(xué)生的知識視野和點(diǎn)燃其未來潛在的研究方向起到拋磚引玉作用。

3.5 教學(xué)質(zhì)量評價(jià)體系改革

課程教學(xué)質(zhì)量評價(jià)是對教師的教學(xué)效果、教學(xué)水平和學(xué)生的對知識的理解、掌握和應(yīng)用的客觀評價(jià)。傳統(tǒng)的做法只是通過學(xué)生考試成績的高與低來衡量，而不關(guān)注學(xué)生的工程能力和工程素養(yǎng)。國際工程教育專業(yè)認(rèn)證對于“培養(yǎng)目標(biāo)”和“畢業(yè)要求”達(dá)成度評價(jià)的重點(diǎn)是落在學(xué)生身上而非教師，強(qiáng)調(diào)的是課程對所有學(xué)生工程能力和工程素質(zhì)的培養(yǎng)。上節(jié)中提到，機(jī)器人學(xué)課程主要培養(yǎng)學(xué)生三方面的能力，分別對應(yīng)了“畢業(yè)要求”中的3個子指標(biāo)點(diǎn)，因此教學(xué)質(zhì)量評價(jià)體系也緊緊圍繞這三方面進(jìn)行，且每一個子指標(biāo)點(diǎn)都要進(jìn)行達(dá)成度計(jì)算和評價(jià)。本課程的總成績由三部分組成：平時(shí)成績(20%)、實(shí)驗(yàn)成績(10%)和期末成績(70%)。期末成績采取課程論文的形式，改變了原來的試卷考試。課程論文的內(nèi)容由學(xué)生自己選擇，既可以對某一具體機(jī)器人進(jìn)行理論建模、分析和仿真，也可以進(jìn)行三維虛擬樣機(jī)建模和控制設(shè)計(jì)，或者是對某一類機(jī)器人技術(shù)進(jìn)行文獻(xiàn)綜述。為完成論文，學(xué)生需要查閱一定量的文獻(xiàn)資料，將本門課程知識與其他相關(guān)課程知識進(jìn)行綜合應(yīng)用，有助于訓(xùn)練和提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和知識綜合運(yùn)用能力。平時(shí)成績是根據(jù)作業(yè)成績給定，實(shí)驗(yàn)成績則是根據(jù)兩次實(shí)驗(yàn)過程和效果給定。需要特別強(qiáng)調(diào)的是，無論是作業(yè)成績、實(shí)驗(yàn)成績或者是課程論文成績，都要體現(xiàn)出對3個子指標(biāo)的培養(yǎng)，并分別給出具體的評價(jià)分值，然后再根據(jù)所設(shè)置課程達(dá)成度計(jì)算公式進(jìn)行綜合評價(jià)。2016-2017學(xué)年第一學(xué)期，機(jī)設(shè)131班學(xué)生機(jī)器人學(xué)課程的3個子指標(biāo)點(diǎn)課程達(dá)成度計(jì)算結(jié)果分別為79.2%，77.0%，78.5%，均超過了本專業(yè)規(guī)定的65%為合格的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)線，故認(rèn)為本課程達(dá)到了對學(xué)生能力培養(yǎng)的目標(biāo)。

4 教學(xué)改革效果

伴隨本專業(yè)的工程教育專業(yè)認(rèn)證的申請過程，所提出的教改思想和理念在最近兩年機(jī)器人學(xué)課程的教學(xué)中得到實(shí)施和執(zhí)行，并取得明顯的教學(xué)效果。首先，學(xué)生課堂出勤率明顯提升，很少再有學(xué)生無故缺課，這對于大四學(xué)生的課堂教學(xué)非常難得。其次，激發(fā)了學(xué)生的科研興趣，不少學(xué)生都積極參加教師的科研項(xiàng)目，或者主持申報(bào)校級科研項(xiàng)目和發(fā)表學(xué)術(shù)論文，如作者指導(dǎo)的學(xué)生分別于2015年獲得河南省機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽二等獎1項(xiàng)和2016年獲得河南科技大學(xué)大學(xué)生研究訓(xùn)練計(jì)劃(SRTP)項(xiàng)目資助1項(xiàng)(編號：201610464001)。第三，通過課程論文訓(xùn)練，為下一學(xué)期的畢業(yè)設(shè)計(jì)打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，提高了學(xué)生的整體寫作水平和分析、解決問題的能力，如筆者指導(dǎo)的學(xué)生2016年獲得河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)二等獎。最后，學(xué)生對作者的教學(xué)評教結(jié)果也從側(cè)面反映出本課程的教學(xué)改革效果，筆者最近幾年的教學(xué)評教均為優(yōu)秀，在一定程度上說明學(xué)生對本課程的教學(xué)手段和方法的認(rèn)可。

5 結(jié)束語

工程教育專業(yè)認(rèn)證的教育理念改變了傳統(tǒng)的高校教育思路，以學(xué)生為中心，以所培養(yǎng)的所有學(xué)生的能力為評價(jià)指標(biāo)，各門課程必須服務(wù)于專業(yè)制訂的“培養(yǎng)目標(biāo)”和“畢業(yè)要求”的能力指標(biāo)，并根據(jù)培養(yǎng)過程中存在的問題進(jìn)行“持續(xù)改進(jìn)”。機(jī)器人學(xué)課程作為機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化專業(yè)的一門重要專業(yè)課程，責(zé)無旁貸地承擔(dān)著對本專業(yè)學(xué)生綜合能力培養(yǎng)的重任，所提出和實(shí)施的課程教學(xué)改革措施也需要在不斷的實(shí)踐中進(jìn)行完善和持續(xù)改進(jìn)。最終目標(biāo)是為“中國夢”的早日實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)出更多高級工程技術(shù)人才，并具備一定的國際化視野和良好的終身學(xué)習(xí)能力。

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Teaching Revolution and Practice of Robotics Based on Higher Engineering Education Accreditation

Zhang Yanbin, Song Lei, Qiu Ming, Zhang Zhanli, Tian Junying

Henan University of Science and Technology, Luoyang, 471003, China

Higher engineering education accreditation plays an important role on supporting higher engineering education quality, improving teaching reform of engineering education and cultivating international engineers. According to the requirement of engineering education accreditation for specialty in machinery design manufacturing and automation, and the existing problems in the Robotics education, some teaching reform are performed by means of teaching contents, teaching methods, experiment education, research project, teaching evaluation, and so on. The class teaching practice shows that these reform measures proposed are effectiveness.

robotics; higher engineering education accreditation; teaching reform

張彥斌，教授，博士。

河南科技大學(xué)教育教學(xué)改革重點(diǎn)項(xiàng)目(編號：2015YBZD-021)；河南科技大學(xué)重大教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目(編號：2015ZD-004)。