基于工程教育認(rèn)證的《工業(yè)機(jī)器人項目綜合訓(xùn)練》課程改革與探索

沈紅芳 印松 王廷軍

摘? ?要：基于工程教育認(rèn)證，學(xué)生能力的培養(yǎng)如何實現(xiàn)？文章以《工業(yè)機(jī)器人項目綜合訓(xùn)練》課程為例，通過調(diào)研企業(yè)的需求和需要解決的問題，以工程認(rèn)證畢業(yè)要求為標(biāo)準(zhǔn)，制定了課程培養(yǎng)目標(biāo)，選取幾種典型的工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用場景，構(gòu)建以真實“工業(yè)現(xiàn)場”情境再現(xiàn)為特色的機(jī)器人綜合實訓(xùn)平臺，并從課程目標(biāo)、教學(xué)實施、考核方式等方面對該課程進(jìn)行了改革與探索。

關(guān)鍵詞：工程教育認(rèn)證;工業(yè)現(xiàn)場;綜合訓(xùn)練;實踐平臺

中圖分類號：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號：1673-8454（2021）12-0073-04

一、引言

工程教育為全面建成小康社會提供了基礎(chǔ)支撐平臺，為全面建成現(xiàn)代化強(qiáng)國提供了戰(zhàn)略引領(lǐng)力量，也為人類命運(yùn)共同體的發(fā)展提供了中國經(jīng)驗[1]。工程教育認(rèn)證的目標(biāo)體現(xiàn)在教育改革方面就是：產(chǎn)出導(dǎo)向、持續(xù)改進(jìn)、學(xué)生中心，并由此形成畢業(yè)標(biāo)準(zhǔn)12條要求[2]，主要任務(wù)是培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。而解決復(fù)雜工程問題能力的培養(yǎng)，關(guān)鍵字是“能力培養(yǎng)”。那么，如何實現(xiàn)上述能力的培養(yǎng)？這就要求課程教學(xué)能實現(xiàn)對畢業(yè)要求的支撐，考核評價能證明對畢業(yè)要求的支撐。本文以《工業(yè)機(jī)器人項目綜合訓(xùn)練》課程為例，對該課程現(xiàn)狀、課程目標(biāo)、課程教學(xué)、考核評價等方面進(jìn)行了一系列的改革和探索。

二、課程現(xiàn)狀及需要解決的問題

《工業(yè)機(jī)器人項目綜合訓(xùn)練》課程是我校機(jī)械電子工程專業(yè)重點建設(shè)課程，目前已申報成功“2019年度上海市教委本科重點建設(shè)課程”，是一門多專業(yè)基礎(chǔ)和多知識領(lǐng)域融通型的將經(jīng)典理論學(xué)習(xí)與項目實踐及產(chǎn)業(yè)技術(shù)深度結(jié)合的課程[3]。本課程是在完成《機(jī)械設(shè)計》《液壓與氣壓傳動》《機(jī)電傳動控制》《機(jī)械工程測試技術(shù)》《機(jī)電控制技術(shù)》《工業(yè)機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用》等課程的學(xué)習(xí)，并完成了“生產(chǎn)實習(xí)”之后進(jìn)行的以實踐為主的綜合性的教學(xué)環(huán)節(jié)。

通過對工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用行業(yè)相關(guān)企業(yè)和用人單位的調(diào)查和反饋，我們整理出高校畢業(yè)生在實際崗位中遇到的一些問題：①缺乏行業(yè)特點的專業(yè)背景知識;②技術(shù)知識不扎實;③所學(xué)專業(yè)知識與工作需要脫節(jié);④不了解相關(guān)行業(yè)法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)知識;⑤動手實踐能力薄弱;⑥自我管理能力較差;⑦上崗培訓(xùn)周期長。

上述問題反映出在教育實踐中，學(xué)生的能力培養(yǎng)沒有滿足現(xiàn)代工業(yè)要求，學(xué)生的工程能力以及自主性、創(chuàng)造性沒有得到充分的發(fā)展。究其原因，一是相較于近年來國內(nèi)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)所表現(xiàn)出來的爆發(fā)性發(fā)展態(tài)勢，高校、職校等機(jī)構(gòu)的課程教學(xué)相對滯后。二是忽視了工業(yè)機(jī)器人在工業(yè)現(xiàn)場的實際應(yīng)用場景，以及對工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用能力和技術(shù)的培養(yǎng)。三是單一課程實驗由于時間的限制，演示性、驗證性較多，且過多依賴?yán)碚摰慕虒W(xué)方式，嚴(yán)重影響了學(xué)生學(xué)習(xí)積極性和主觀能動性的發(fā)揮。[4]

三、課程目標(biāo)設(shè)定

根據(jù)上述企業(yè)調(diào)查結(jié)果，對照《工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)（2017年11月修訂）》中畢業(yè)標(biāo)準(zhǔn)12條要求，圍繞培養(yǎng)目標(biāo)和全體學(xué)生畢業(yè)要求的達(dá)成，設(shè)定本課程所要達(dá)成的目標(biāo)，具體如表1所示。

四、課程教學(xué)改革

課程教學(xué)是實現(xiàn)畢業(yè)要求強(qiáng)有力的支撐，圍繞表1中6項課程目標(biāo)的要求，在課程教學(xué)設(shè)計上，以項目為中心，選取了幾種典型的機(jī)器人應(yīng)用場景，創(chuàng)建以“工業(yè)現(xiàn)場”為特色的實踐教學(xué)平臺開展項目設(shè)計，以學(xué)生為主體、成果為導(dǎo)向、教師為引導(dǎo)實施教學(xué)過程。

1.教學(xué)內(nèi)容持續(xù)改進(jìn)

作為一門工程性、綜合設(shè)計性強(qiáng)的實踐課程，《工業(yè)機(jī)器人項目綜合訓(xùn)練》課程融合了前期所學(xué)的多門專業(yè)課程知識。比如，一套三工位物料分揀流水線的系統(tǒng)集成了以機(jī)器人為主體、流水線、傳感器、驅(qū)動及傳動裝置、氣動系統(tǒng)等為外圍設(shè)備的多門相關(guān)專業(yè)課程的知識。通過完成項目任務(wù)，可以將單一的知識點進(jìn)行有機(jī)融合，形成一個有效的知識體系，培養(yǎng)學(xué)生專業(yè)知識能力和工程實踐能力。

通過搭建典型的工業(yè)機(jī)器人工業(yè)現(xiàn)場的實踐平臺，使學(xué)生了解真實的行業(yè)背景及相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，培養(yǎng)其工程素養(yǎng)，使其能盡快適應(yīng)崗位要求。隨著學(xué)生規(guī)模的擴(kuò)大，對設(shè)備臺套數(shù)的需求增加以及對真實場景再現(xiàn)的需求，需要指導(dǎo)教師不斷學(xué)習(xí)和跟蹤現(xiàn)代企業(yè)生產(chǎn)過程，改進(jìn)和增設(shè)項目平臺。目前，除了原有的三工位物料分揀流水線系統(tǒng)：主體由兩臺Fanuc機(jī)器人和一臺ABB機(jī)器人組成（見圖1）和雙協(xié)作裝配機(jī)器人（見圖2）：主體由兩臺ABB機(jī)器人組成的實踐平臺外，又在原來一套單一的Fanuc并聯(lián)機(jī)器人搬運(yùn)平臺的基礎(chǔ)上[5]，增加了另一臺UR機(jī)器人及視覺系統(tǒng)的應(yīng)用，改建成雙協(xié)作鍵帽裝配機(jī)器人（見圖3）的實踐平臺。

以雙協(xié)作鍵帽裝配機(jī)器人實踐平臺為例，平臺硬件構(gòu)件、項目要求和需要完成的任務(wù)如下：

（1）平臺硬件構(gòu)成：如圖3所示，該平臺由一臺Fanuc并聯(lián)機(jī)器人與一臺UR機(jī)器人、西門子PLC1500控制器、流水線、待裝配的鍵盤、鍵帽、電源、機(jī)械架構(gòu)等組成。

（2）項目描述：將傳送帶上送來的鍵帽安裝到鍵盤相應(yīng)位置。

（3）具體任務(wù)要求：在連續(xù)工作模式下，人工將鍵帽上料于傳送帶;待傳送到位后，機(jī)器人A（Fanuc）啟動視覺系統(tǒng)，識別鍵帽字母;將傳送帶上的鍵帽拾取并放置于指定位置的槽中;待機(jī)器人A回歸原位后，機(jī)器人B（UR）取下鍵帽，并將其壓裝入鍵盤的相應(yīng)位置;重復(fù)以上任務(wù);采用機(jī)器人對以上任務(wù)進(jìn)行操作，執(zhí)行器為吸盤;采用PLC+機(jī)器人的控制結(jié)構(gòu)，PLC通過IO并口與機(jī)器人A通信，通過Profinet總線與機(jī)器人U機(jī)器人B進(jìn)行通訊;通過觸摸屏編程實現(xiàn)人機(jī)界面，要求包括啟動、停止、轉(zhuǎn)速顯示、當(dāng)前狀態(tài)等信息;利用仿真軟件對機(jī)器人的工作過程進(jìn)行仿真。

2.教學(xué)過程實施

以完成上述任務(wù)為例，學(xué)生首先要對項目進(jìn)行分析、方案設(shè)計;其次需要以團(tuán)隊的形式在3周內(nèi)分工合作完成：①工業(yè)機(jī)器人的操作和運(yùn)動軌跡示教編程及調(diào)試;②利用虛擬仿真軟件Robot Studio對上述運(yùn)動過程進(jìn)行運(yùn)動仿真;③西門子PLC1200/1500控制器程序編寫及調(diào)試;④與HMI組態(tài)、編程調(diào)試;⑤末端執(zhí)行器的選擇和安裝;⑥氣動系統(tǒng)的設(shè)計;⑦流水線機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計等，最終要完成項目報告并參加答辯考核。

具體實施措施：

（1）以學(xué)生為主體：建立課程網(wǎng)站，通過課程網(wǎng)站的建設(shè)，實現(xiàn)將豐富的課程資源通過網(wǎng)絡(luò)信息平臺進(jìn)行共享;向?qū)W生提供錄像與視頻觀看課程資源;進(jìn)行相關(guān)知識準(zhǔn)備。

（2）以教師為引導(dǎo)，實行過程跟蹤：本課程安排在大四上學(xué)期的后半段，為期3周。實訓(xùn)開始前，各項目組要先進(jìn)行項目方案的預(yù)答辯，以保證項目的順利開展。在實訓(xùn)期間，每天都由具有工程背景的專業(yè)教師跟蹤學(xué)生在實驗室的實踐過程，以便實時處理各種應(yīng)急狀況，進(jìn)行實踐指導(dǎo)，保障操作安全。

（3）以成果為導(dǎo)向：在項目完成后，完成項目報告，進(jìn)行項目匯報，答辯考核。

（4）評選驗收成績高的團(tuán)隊為全體學(xué)生演示設(shè)計的成果，促進(jìn)全體學(xué)生持續(xù)改進(jìn)。

以上教學(xué)過程的實施，有助于培養(yǎng)學(xué)生基于項目和任務(wù)的主動學(xué)習(xí)方法以及進(jìn)行問題分析、設(shè)計開發(fā)和使用工具的專業(yè)能力;培養(yǎng)其安全意識、責(zé)任等工程素養(yǎng)以及溝通、團(tuán)隊合作、終身學(xué)習(xí)的發(fā)展能力。

3.課程考核改革

成果導(dǎo)向教育（Outcomes-Based Education，縮寫為OBE），強(qiáng)調(diào)以學(xué)生的預(yù)期學(xué)習(xí)成果為核心，關(guān)注教育的產(chǎn)出結(jié)果和產(chǎn)出[6]?；诿嫦虍a(chǎn)出的理念，課程考核由原來簡單的“平時考勤+答辯+實驗報告”的方式改為采用工程實踐方法，結(jié)合項目要求，采用全程跟蹤與進(jìn)程式評估，注重過程考核及成果導(dǎo)向評價。主要考核全體學(xué)生獨立鉆研、團(tuán)隊合作、分析問題和解決問題的工程實踐能力及全面的綜合素質(zhì)能力[7]。

（1）建立考核預(yù)審機(jī)制，確?？己藘?nèi)容和方式與課程目標(biāo)有效關(guān)聯(lián)。

（2）考核評分：以成果為導(dǎo)向，對學(xué)生最終實踐成績給予評價?？己嗽u分由平時成績、實驗報告和項目匯報三部分組成。

①平時成績：通過平時跟蹤，考察學(xué)生在設(shè)計開發(fā)方案、操作技能、使用工具、獨立完成及團(tuán)隊合作等方面的能力。

②實驗報告：考察學(xué)生獲取相關(guān)技術(shù)資料，撰寫實驗報告和系統(tǒng)操作說明書，利用工程項目管理的思想進(jìn)行方案設(shè)計、任務(wù)分工與協(xié)作、進(jìn)度控制及項目調(diào)試與驗收等的能力。

③項目匯報：在規(guī)定時間完成實訓(xùn)任務(wù)后，每位學(xué)生需要提交一份設(shè)計方案及詳細(xì)的實施報告，以團(tuán)隊為單位考核其完成一個完整項目任務(wù)的情況。同時對每位學(xué)生分工負(fù)責(zé)的部分進(jìn)行現(xiàn)場答辯，考查其對專業(yè)知識的掌握程度、對指定任務(wù)的完成程度、對完整任務(wù)的貢獻(xiàn)度以及表達(dá)能力和創(chuàng)新能力的程度。

考核最終結(jié)果將根據(jù)學(xué)生講解設(shè)計思路、現(xiàn)場答辯及項目報告等，由多名指導(dǎo)教師給出驗收成績。

（3）考核評分構(gòu)成見表2，以表2中個人與團(tuán)隊評價為例，考核評分標(biāo)準(zhǔn)如表3所示。

五、結(jié)語

本課程自2014年起開設(shè)，隨著實踐平臺的不斷開發(fā)與建設(shè)，學(xué)生可以接觸到更多的應(yīng)用場景。由于工業(yè)現(xiàn)場特色的場景更接近工程實際，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動性得到充分發(fā)揮，尤其是需要綜合應(yīng)用前面所學(xué)的各單科知識以及獲取新的知識，往往表現(xiàn)出較強(qiáng)的進(jìn)取心、好奇心、求知欲以及獨立思維能力、邏輯判斷能力和舉一反三、觸類旁通的能力。

在學(xué)生們的項目總結(jié)報告中，往往都用了 “獲益匪淺”“雖然很累，但是很值得”“感謝這次實踐，感謝老師”“團(tuán)隊成員給了我很大幫助”“堅持不懈、有勇氣和信心去解決遇到的問題”等詞語表達(dá)自己內(nèi)心的感受，也證實了開展以學(xué)生為中心、以成果為導(dǎo)向、以項目為主線的教學(xué)方法，有助于課程目標(biāo)的達(dá)成。后續(xù)將考慮企業(yè)的深度參與，創(chuàng)建更多的實用情境，使課程質(zhì)量得到持續(xù)改進(jìn)和提升。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳巖.新工科：高等工程教育的未來——對高等教育未來的戰(zhàn)略思考[J].高等工程教育研究，2018（6）：1-3.

[2]顧佩華.新工科與新范式：概念、框架和實施路徑[J].高等工程教育研究，2017（6）：1-13.

[3]周萌，曹政才，吳啟迪.新工科背景下基于“五位一體”的機(jī)器人技術(shù)教學(xué)改革研究[J].高等工程教育研究，2020（4）：66-70.

[4]王曉華，王杰，李海燕，等.高校開放實驗室建設(shè)的探索[J].實驗室研究與探索，2013，32（9）：219-221+254.

[5]印松，唐矯燕.工業(yè)機(jī)器人綜合訓(xùn)練平臺[J].實驗室研究與探索，2016，35（2）：55-58.

[6]邱竹，張根華，錢斌.OBE視角下地方應(yīng)用型本科專業(yè)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)體系研究[J].大學(xué)教育， 2020（12）：17-19.

[7]王常順，潘為剛，張廣淵，等.新工科背景下應(yīng)用型本科院校電類專業(yè)實踐教學(xué)體系改革[J].科技風(fēng)，2020（20）：43-44.

（編輯：李曉萍）