機(jī)器人工程專業(yè)學(xué)生工程實踐能力培養(yǎng)研究

馮崇 宋黎明 丁梧秀

摘?要：機(jī)器人行業(yè)的快速發(fā)展導(dǎo)致相關(guān)行業(yè)急需具有較高工程實踐能力的機(jī)器人相關(guān)人才，現(xiàn)有普通本科培養(yǎng)模式對學(xué)生工程實踐能力的培養(yǎng)不能滿足企業(yè)需求。本文以洛陽理工學(xué)院機(jī)器人工程專業(yè)工程實踐能力培養(yǎng)為研究目標(biāo)，重構(gòu)課程體系，增加實踐教學(xué)比重，分別從興趣引導(dǎo)、項目式教學(xué)和創(chuàng)新促學(xué)等方面進(jìn)行了教學(xué)改革和實踐，實現(xiàn)了提升學(xué)生工程實踐能力的目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人工程;實踐教學(xué);工程實踐

隨著國內(nèi)外機(jī)器人行業(yè)的快速發(fā)展，用工業(yè)機(jī)器人代替人工勞動已成為必然趨勢，因此培養(yǎng)掌握機(jī)器人技術(shù)技能的人才已迫在眉睫。在“中國制造2025”戰(zhàn)略的推進(jìn)下，越來越多的高校開始開設(shè)機(jī)器人工程專業(yè)[1，2]，2016年只有1所高校獲批機(jī)器人工程專業(yè)，2017年有25所，2018年達(dá)到60所，而2019年有101所高校獲批機(jī)器人工程專業(yè)，這也表明高校已經(jīng)開始重視機(jī)器人相關(guān)人才的培養(yǎng)[3]。研究表明機(jī)器人工程專業(yè)大學(xué)生工程實踐能力的培養(yǎng)應(yīng)該成為應(yīng)用型人才培養(yǎng)的主要目標(biāo)[4，5]。本文以洛陽理工學(xué)院機(jī)器人工程專業(yè)為例，從加強(qiáng)機(jī)器人工程專業(yè)學(xué)生實踐能力的培養(yǎng)方面著手進(jìn)行教學(xué)改革，改善應(yīng)用型本科下機(jī)器人工程專業(yè)的培養(yǎng)模式。

一、現(xiàn)狀分析

目前不少高校的實踐教學(xué)主要以驗證為主，學(xué)生根據(jù)既定的實驗指導(dǎo)書按部就班地完成操作部分;對于使用大型設(shè)備的實驗，主要以教師操作演示學(xué)生參觀為主，有興趣的學(xué)生也只能在老師的指導(dǎo)下完成簡單的操作，幾乎不能有創(chuàng)新任務(wù)，實驗完成后學(xué)生幾乎沒有機(jī)會再次操作這些設(shè)備，這樣的教學(xué)模式很難引起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，也不利于對學(xué)生實踐能力的培養(yǎng)。上述方法對于以培養(yǎng)應(yīng)用型人才為目標(biāo)的機(jī)器人工程專業(yè)人才培養(yǎng)來說是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。為此對機(jī)器人工程專業(yè)人才培養(yǎng)方法進(jìn)行改革與探索：把專業(yè)培養(yǎng)貫穿學(xué)生的整個學(xué)習(xí)周期，以實際應(yīng)用為目標(biāo)，滿足基礎(chǔ)應(yīng)用為標(biāo)準(zhǔn)壓縮基礎(chǔ)理論課程，增加實踐教學(xué)課程，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣;實驗課和實踐課都貼近企業(yè)實際狀況或直接來源于企業(yè)，通過采用項目式教學(xué)和鼓勵學(xué)生參加創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)活動的方法，提升學(xué)生的工程實踐能力，進(jìn)而培養(yǎng)滿足企業(yè)實際需要的應(yīng)用型人才。

二、實施方案

洛陽理工學(xué)院是一所應(yīng)用型本科高校，洛陽理工學(xué)院機(jī)器人工程專業(yè)是以培養(yǎng)機(jī)器人相關(guān)應(yīng)用型人才為目標(biāo)，以下結(jié)合洛陽理工學(xué)院機(jī)器人工程專業(yè)學(xué)生的培養(yǎng)，探討提高學(xué)生工程實踐能力的教學(xué)方法。

（一）興趣引導(dǎo)

興趣是學(xué)生學(xué)習(xí)最好的老師，在原有先學(xué)習(xí)基礎(chǔ)課程、再學(xué)習(xí)專業(yè)基礎(chǔ)課程、最后學(xué)習(xí)專業(yè)課的課程體系下，學(xué)生在入學(xué)初期接觸到的專業(yè)知識較少，很難對了解不夠深入的所修專業(yè)有濃厚的興趣。為引起學(xué)生的興趣，本專業(yè)打亂原有課程體系，從第一學(xué)期開始就讓學(xué)生接觸專業(yè)知識，并動手操作與專業(yè)相關(guān)的設(shè)備，以此引起學(xué)生對本專業(yè)的興趣，擴(kuò)大學(xué)生對專業(yè)知識的需求，進(jìn)一步提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

對于第一學(xué)期的課程安排，削減部分理論學(xué)時，增加機(jī)器人認(rèn)知性課程。這些認(rèn)知性課程主要以實踐課為主，以實際操作引導(dǎo)學(xué)生初步認(rèn)識專業(yè)課，并激發(fā)學(xué)生對相關(guān)課程的學(xué)習(xí)興趣。為保證學(xué)生有足夠的操作時間，實驗室采用預(yù)約開放制度，在實驗室沒有課程安排的前提下所有學(xué)生都可以預(yù)約使用實驗室，并指派專門的老師指導(dǎo)，學(xué)生可以利用課余時間練習(xí)操作機(jī)器人，或者根據(jù)學(xué)生興趣自行設(shè)定目標(biāo)并完成。這樣不僅增強(qiáng)了學(xué)生對本專業(yè)的興趣，并且讓學(xué)生在實踐過程中發(fā)現(xiàn)問題并提出解決辦法，進(jìn)而引發(fā)學(xué)生對后續(xù)知識的需求和興趣。第二學(xué)期引入機(jī)器人系統(tǒng)集成應(yīng)用操作和軟件設(shè)計基礎(chǔ)課程，全部采用項目式或任務(wù)式教學(xué)，讓學(xué)生了解機(jī)器人相關(guān)項目的實施流程，進(jìn)一步提升學(xué)生的工程實踐能力。

學(xué)生在對機(jī)器人等相關(guān)設(shè)備有了興趣和初步認(rèn)識之后，渴望進(jìn)一步了解機(jī)器人的相關(guān)理論知識。因此第三四學(xué)期增加機(jī)器人機(jī)械工程基礎(chǔ)、機(jī)器人控制工程基礎(chǔ)、機(jī)器人學(xué)基礎(chǔ)、感知與傳感技術(shù)、電氣控制與PLC、電機(jī)及驅(qū)動技術(shù)等課程，同時整合課程內(nèi)容，重新修訂原有大綱，每一門課程都包含實踐課或?qū)嶒炚n，確保理論教學(xué)與實踐教學(xué)同步進(jìn)行。例如機(jī)器人機(jī)械工程基礎(chǔ)課程，傳統(tǒng)機(jī)械工程基礎(chǔ)主要講解各種機(jī)構(gòu)的原理與組成?，F(xiàn)在整個課程的開始就先讓同學(xué)們根據(jù)說明書拆解六自由度工業(yè)機(jī)器人，了解工業(yè)機(jī)器人的基本組成，之后提出問題：工業(yè)機(jī)器人為什么要這樣設(shè)計、減速機(jī)如何選型、為什么要用這么大的螺釘?shù)?，以此引出機(jī)器人機(jī)械工程基礎(chǔ)課程的課程目標(biāo)和課程內(nèi)容。再例如電機(jī)及驅(qū)動技術(shù)課程，原有電機(jī)相關(guān)理論課程都是從基礎(chǔ)理論講起，整個課程大部分學(xué)時都在推導(dǎo)電機(jī)的各種數(shù)學(xué)模型?，F(xiàn)在先把驅(qū)動六自由度工業(yè)機(jī)器人作為實踐任務(wù)對象，在此基礎(chǔ)上分別講解使用直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、伺服電機(jī)以及特種電機(jī)驅(qū)動六自由度工業(yè)機(jī)器人的方法和如何根據(jù)機(jī)器人需求選擇合適的電機(jī)，在此過程中講解電機(jī)的相關(guān)知識。

在了解工業(yè)機(jī)器人硬件結(jié)構(gòu)之后，學(xué)生開始需要掌握機(jī)器人控制系統(tǒng)方面的知識才能更好地控制機(jī)器人。因此第五六學(xué)期開設(shè)微控制器原理及接口技術(shù)、機(jī)器人運(yùn)動規(guī)劃與控制、ROS系統(tǒng)應(yīng)用、機(jī)器人末端執(zhí)行器設(shè)計與實踐等課程，分模塊講述機(jī)器人控制系統(tǒng)的各個組成部分。例如機(jī)器人運(yùn)動規(guī)劃與控制課程，學(xué)生在學(xué)習(xí)機(jī)器人學(xué)基礎(chǔ)課程之后已經(jīng)知道如何根據(jù)機(jī)器人的目標(biāo)位置求解機(jī)器人各個關(guān)節(jié)的運(yùn)動角度，但是如何保證機(jī)器人運(yùn)動的平穩(wěn)性，以此引出此課程的學(xué)習(xí)目標(biāo)和學(xué)習(xí)內(nèi)容。

第七八學(xué)期為企業(yè)實習(xí)和畢業(yè)設(shè)計階段。課堂的教學(xué)環(huán)境有限，不能為學(xué)生完整展現(xiàn)實際工業(yè)現(xiàn)場，因此第七學(xué)期把學(xué)生安排到機(jī)器人相關(guān)企業(yè)頂崗實習(xí)。在第六學(xué)期結(jié)束前，安排機(jī)器人相關(guān)企業(yè)到學(xué)校做企業(yè)宣講，學(xué)生可以根據(jù)自己的特長和興趣投遞簡歷，企業(yè)根據(jù)自己的需要選擇合適的學(xué)生到企業(yè)實習(xí)，并指派企業(yè)導(dǎo)師在企業(yè)輔導(dǎo)學(xué)生。學(xué)校根據(jù)學(xué)生實習(xí)情況和教師特長指派學(xué)校導(dǎo)師輔導(dǎo)學(xué)生，以雙導(dǎo)師指導(dǎo)模式引領(lǐng)學(xué)生完成企業(yè)實習(xí)。在企業(yè)實習(xí)過程中企業(yè)導(dǎo)師可以根據(jù)學(xué)生的實習(xí)情況和學(xué)生特點設(shè)計出相關(guān)課題作為學(xué)生的畢業(yè)設(shè)計，繼續(xù)由學(xué)校導(dǎo)師和企業(yè)導(dǎo)師共同指導(dǎo)完成學(xué)生的畢業(yè)設(shè)計。在這個過程中學(xué)生和企業(yè)還可以根據(jù)雙方意向簽訂就業(yè)協(xié)議，進(jìn)而達(dá)到服務(wù)企業(yè)和促進(jìn)學(xué)生就業(yè)的目標(biāo)。

（二）項目式教學(xué)

本專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)是培養(yǎng)機(jī)器人系統(tǒng)集成方向的應(yīng)用型人才，故培養(yǎng)方案中的專業(yè)課程都是為這個目標(biāo)服務(wù)的。

為增強(qiáng)學(xué)生學(xué)以致用的能力和實踐動手能力，在教學(xué)活動中多采用項目式教學(xué)。例如在第二學(xué)期開設(shè)的《機(jī)器人系統(tǒng)集成應(yīng)用操作》課程，此時學(xué)生專業(yè)基礎(chǔ)課學(xué)習(xí)的較少，課程目標(biāo)就是讓學(xué)生掌握簡單工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)集成方法，具有設(shè)計簡單機(jī)器人工作站的能力。因此，課程的所有內(nèi)容都是圍繞設(shè)計一個簡單工作站的項目展開。首先帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行項目分解，把整個項目分為機(jī)器人部分和運(yùn)動控制部分，再把這兩部分分成若干個子項目，同時把知識點融入子項目中，如右圖所示?！稒C(jī)器人系統(tǒng)集成應(yīng)用操作》課程全部在實驗室中完成，在具體教學(xué)中，由于學(xué)生對專業(yè)元器件認(rèn)識較少，每個子項目完成之前先由教師以滿足本次課程使用為度講解基礎(chǔ)知識，之后學(xué)生馬上完成相應(yīng)的實踐環(huán)節(jié)，達(dá)到隨學(xué)隨用的效果。完成試驗后由教師為學(xué)生現(xiàn)場答疑，解決學(xué)生在實驗過程中遇到的問題，再由教師并提出若干問題留作課下任務(wù)，引導(dǎo)學(xué)生課后復(fù)習(xí)和課前預(yù)習(xí)。如在利用機(jī)器人完成一個工件的搬運(yùn)后，提出“需要搬運(yùn)多個工件時怎么做？”留給學(xué)生思考，在下一次上課前提問學(xué)生，之后的課程任務(wù)就是在搬運(yùn)一個工件的基礎(chǔ)上搬運(yùn)多個工件，實現(xiàn)促使學(xué)生課后復(fù)習(xí)和課前預(yù)習(xí)的效果，引導(dǎo)學(xué)生對后續(xù)課程的思考和后續(xù)知識的需求，逐步推進(jìn)，進(jìn)而完成課程目標(biāo)。

（三）創(chuàng)新促學(xué)

競賽可以增強(qiáng)學(xué)生理論聯(lián)系實際解決實際工程問題的能力，進(jìn)一步提高學(xué)生的工程實踐能力，同時培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊協(xié)作意識和創(chuàng)新意識。為督促學(xué)生積極參加創(chuàng)新比賽，在培養(yǎng)方案中設(shè)置2學(xué)分的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學(xué)分，激勵全員參與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)活動。

在做好創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)服務(wù)方面，首先，指導(dǎo)學(xué)生成立創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)社團(tuán)，搭建學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實驗室，積極組織學(xué)生參加各種創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)比賽，然后組織一些簡單入門類比賽，通過舉辦創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽，模擬實踐等方式，豐富學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)知識和體驗，提升學(xué)生的創(chuàng)新精神和創(chuàng)業(yè)能力。例如把AGV小車簡化為循跡小車組建賽事，讓學(xué)生利用傳感器相關(guān)課程所學(xué)知識自主選擇合適的傳感器檢測既定軌跡，利用物理知識根據(jù)既定場地材質(zhì)確定車輪材質(zhì)，利用電機(jī)相關(guān)課程所學(xué)知識選擇合適的驅(qū)動電機(jī)，利用微機(jī)原理相關(guān)課程搭建小車控制系統(tǒng)控制小車運(yùn)動等，利用賽事讓學(xué)生所學(xué)知識得以應(yīng)用;最后根據(jù)比賽成績發(fā)放獲獎證書，以此增強(qiáng)學(xué)生的成就感，促進(jìn)其參加其他比賽，形成良性循環(huán)。

其次，組建創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教學(xué)體系和第二課堂等，把創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)與課程教學(xué)內(nèi)容結(jié)合起來。例如機(jī)器人末端執(zhí)行器設(shè)計課程，把設(shè)計機(jī)器人末端執(zhí)行器作為課程內(nèi)容考核任務(wù)，同時選取部分優(yōu)秀設(shè)計案例由學(xué)生進(jìn)行加工制作，之后把學(xué)生設(shè)計制作的末端執(zhí)行器裝載到實驗室設(shè)備上使用，用實際應(yīng)用效果來驗證學(xué)生設(shè)計的可行性，并發(fā)現(xiàn)學(xué)生設(shè)計的不足，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和工程實踐能力，為將來的工作積累經(jīng)驗。同時學(xué)生制作的末端執(zhí)行器還可以作為下一屆學(xué)生的教具，后續(xù)學(xué)生可以借鑒往屆學(xué)生的經(jīng)驗，在他們基礎(chǔ)不斷完善這些末端執(zhí)行器，形成良性循環(huán)。

最后，帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)入企業(yè)參觀學(xué)習(xí)，邀請一線工人針對自己的工位介紹自己的工作內(nèi)容和設(shè)備使用情況，同時讓一線工人指出部分設(shè)備的優(yōu)化需求，學(xué)生分組討論優(yōu)化方案，達(dá)到讓學(xué)生主動了解相關(guān)知識，并發(fā)現(xiàn)自身不足的目的，進(jìn)而在以后根據(jù)自己興趣有目標(biāo)的學(xué)習(xí)。邀請企業(yè)優(yōu)秀項目經(jīng)理利用實際項目為學(xué)生開展創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)講座，讓學(xué)生了解完整項目的實施過程和注意事項，增強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)意識，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的工程實踐能力。

三、結(jié)語

洛陽理工學(xué)院從2016年開始在機(jī)械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)和自動化專業(yè)設(shè)置機(jī)器人方向，2018年開始正式招收機(jī)器人工程專業(yè)學(xué)生，通過持續(xù)不斷提升工程實踐能力培養(yǎng)的嘗試和改進(jìn)，學(xué)生整體的工程實踐能力得到大幅度提升，獲得企業(yè)高度評價。

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基金項目：本文系河南省新工科研究與實踐立項項目（2020JGLX078）、河南省高等教育教學(xué)改革研究與實踐立項重點項目（2019SJGLX150）和洛陽理工學(xué)院教學(xué)研究項目（17JY33）的研究成果

作者簡介：馮崇，男，河南駐馬店人，碩士，助教，研究方向：機(jī)器人工程;宋黎明，男，河南孟州人，助教，研究方向：人機(jī)工程;丁梧秀，女，山西運(yùn)城人，博士，教授，研究方向：教育教學(xué)管理。