基于OBE教育理念的工業(yè)機(jī)器人課程教學(xué)研究
——以應(yīng)用型本科機(jī)械類專業(yè)為例

黃晨華，李湘勤

(韶關(guān)學(xué)院智能工程學(xué)院，廣東韶關(guān)，512005)

一、引言

2015年，國務(wù)院正式印發(fā)《中國制造2025》，為我國制造業(yè)的發(fā)展指明了方向，推動(dòng)了相關(guān)行業(yè)及技術(shù)的交叉融合。為應(yīng)對(duì)新一輪的科技革命和產(chǎn)業(yè)需求，培養(yǎng)符合國家戰(zhàn)略和社會(huì)需求的人才，教育部于2017年發(fā)布了《關(guān)于開展新工科研究與實(shí)踐的通知》等一系列開展“新工科”建設(shè)的文件，掀起了全國高校專業(yè)設(shè)置和專業(yè)改革的高潮。[1]2016年，東南大學(xué)創(chuàng)建國內(nèi)第一個(gè)機(jī)器人工程專業(yè)，至2020年國內(nèi)共有249所高校獲批建設(shè)機(jī)器人工程專業(yè)。[2]同時(shí)，越來越多的高校在機(jī)械類專業(yè)中新開設(shè)工業(yè)機(jī)器人課程，培養(yǎng)符合現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)要求的人才。工業(yè)機(jī)器人是多學(xué)科交叉整合體，且在國內(nèi)機(jī)械類專業(yè)本科階段開設(shè)該課程的高校較少，開課質(zhì)量參差不齊，授課內(nèi)容千差萬別，因此，有必要對(duì)工業(yè)機(jī)器人課程教學(xué)內(nèi)容和方法進(jìn)行深入研究。本文基于OBE(outcome-based education，基于成果導(dǎo)出的教育)教育理念，對(duì)工業(yè)機(jī)器人課程教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法展開研究，以提高該課程的教學(xué)質(zhì)量。

二、工程教育認(rèn)證與OBE教育理念

工程教育認(rèn)證是按照認(rèn)證機(jī)構(gòu)對(duì)工科類人才培養(yǎng)的認(rèn)證協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行認(rèn)證，由相同認(rèn)證機(jī)構(gòu)認(rèn)證過的專業(yè)，其學(xué)位在國際上相互認(rèn)可。目前，國際上被認(rèn)可的工程認(rèn)證協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)主要有華盛頓協(xié)議、悉尼協(xié)議和都柏林協(xié)議。中國工程教育專業(yè)認(rèn)證協(xié)會(huì)成立于2015年4月，于2016年6月正式加入華盛頓協(xié)議。[3]

OBE教育理念首先由William Spady提出，其核心思想是依據(jù)學(xué)生在學(xué)習(xí)結(jié)束時(shí)所要具備的能力，反向推導(dǎo)出必需的所有教學(xué)環(huán)節(jié)和教學(xué)活動(dòng)，以支持學(xué)生所要具備的能力的培養(yǎng)形成。OBE教育主要包括以下四個(gè)環(huán)節(jié)。

第一，確定學(xué)習(xí)成果，即學(xué)習(xí)目標(biāo)。這對(duì)教師而言是該課程的教學(xué)目標(biāo)，教師的所有教學(xué)活動(dòng)均基于這一目標(biāo)開展；對(duì)學(xué)生而言是學(xué)完該課程后應(yīng)獲得的能力。

第二，學(xué)習(xí)成果達(dá)成的方式，這對(duì)教師而言是如何使學(xué)生獲得學(xué)習(xí)成果，即各教學(xué)環(huán)節(jié)和教學(xué)活動(dòng)。

第三，學(xué)習(xí)成果達(dá)成度評(píng)價(jià)，用合適的評(píng)價(jià)考核方法，以獲知學(xué)生學(xué)習(xí)成果的達(dá)成度。

第四，持續(xù)改進(jìn)措施，對(duì)學(xué)習(xí)成果達(dá)成度進(jìn)行分析，找出教學(xué)組織、教學(xué)活動(dòng)中存在薄弱的地方加以改進(jìn)。

以上四個(gè)環(huán)節(jié)構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)，以持續(xù)提高教學(xué)質(zhì)量。

三、學(xué)情分析

(一)教學(xué)目標(biāo)不明確

在機(jī)械工程、自動(dòng)化、控制工程、計(jì)算機(jī)、電子信息等不同領(lǐng)域均有與機(jī)器人相關(guān)的研究與應(yīng)用，但各領(lǐng)域的側(cè)重點(diǎn)不同。因此，不同專業(yè)的機(jī)器人課程的教學(xué)目標(biāo)應(yīng)有所不同。應(yīng)用型本科機(jī)械類專業(yè)側(cè)重于應(yīng)用，專業(yè)能力強(qiáng)調(diào)的是結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、分析、制造及機(jī)器人在制造行業(yè)的應(yīng)用、集成等。應(yīng)著重培養(yǎng)學(xué)生對(duì)機(jī)器人核心零部件的設(shè)計(jì)、分析、制造能力，如機(jī)器人本體的設(shè)計(jì)、分析、制造等。由于機(jī)械類專業(yè)的學(xué)生專業(yè)知識(shí)結(jié)構(gòu)所限，因此，機(jī)器人的控制系統(tǒng)研發(fā)不應(yīng)為其學(xué)習(xí)的重點(diǎn)，但學(xué)生應(yīng)該能理解其原理且能應(yīng)用。目前，應(yīng)用型本科機(jī)械類專業(yè)的機(jī)器人教學(xué)目標(biāo)大多針對(duì)性不強(qiáng)，在實(shí)際實(shí)施中教學(xué)效果欠佳。

(二)教材建設(shè)相對(duì)滯后

近幾年來，國內(nèi)出版了很多工業(yè)機(jī)器人方面的教材，這些教材大致可以分為兩類。一類偏理論，機(jī)器人的相關(guān)理論內(nèi)容較深，對(duì)應(yīng)用層次的機(jī)械類專業(yè)本科生而言比較“難消化”。另一類則過于強(qiáng)調(diào)應(yīng)用，內(nèi)容側(cè)重于機(jī)器人操作，機(jī)器人的相關(guān)理論的內(nèi)容較少，對(duì)應(yīng)用層次的機(jī)械類本科生而言，其理論內(nèi)容過于單薄，學(xué)生“吃不飽”，此類教材較為適合于職業(yè)院校。目前，適用于應(yīng)用型機(jī)械類本科生教學(xué)的教材較少。

(三)師資結(jié)構(gòu)不合理

機(jī)器人是機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)、控制等技術(shù)的綜合體，同時(shí)其應(yīng)用性也很強(qiáng)。目前，大多數(shù)高校開設(shè)工業(yè)機(jī)器人課程的主講教師，一些出自機(jī)械類專業(yè)，通過進(jìn)修或培訓(xùn)，轉(zhuǎn)為主講機(jī)器人課程，對(duì)機(jī)器人相關(guān)理論特別是對(duì)機(jī)器人控制等方面的理論知識(shí)掌握不深；一些出自自動(dòng)化或電子或計(jì)算機(jī)專業(yè)，這類教師在機(jī)器人控制及編程方面理論知識(shí)豐富，但在機(jī)械結(jié)構(gòu)及應(yīng)用場(chǎng)景等方面知識(shí)短板明顯。

(四)學(xué)生知識(shí)儲(chǔ)備不足

機(jī)械類專業(yè)課程以培養(yǎng)學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造能力為主，主干課程主要包括理論力學(xué)、材料力學(xué)、機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械制造技術(shù)等課程，雖然也有計(jì)算機(jī)類、電子類、控制類及算法類的課程，但往往課時(shí)較少，較難達(dá)到使學(xué)生具備運(yùn)用這些知識(shí)解決問題的能力的目的。

四、基于OBE教育理念的工業(yè)機(jī)器人課程教學(xué)

(一)學(xué)習(xí)目標(biāo)制訂

應(yīng)用型本科高校應(yīng)具備為區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展服務(wù)的能力，為行業(yè)企業(yè)技術(shù)進(jìn)步服務(wù)的能力，為學(xué)習(xí)者創(chuàng)造價(jià)值的能力。[4-5]因此，結(jié)合機(jī)械類專業(yè)特點(diǎn)和能力要求，工業(yè)機(jī)器人課程學(xué)生學(xué)習(xí)目標(biāo)為以下幾點(diǎn)：了解工業(yè)機(jī)器人發(fā)展歷史、現(xiàn)狀及分類；學(xué)會(huì)工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；理解機(jī)器人工作原理、控制方法；會(huì)編寫工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用程序；能根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)要求，設(shè)計(jì)基于工業(yè)機(jī)器人的自動(dòng)化生產(chǎn)方案。

(二)教學(xué)環(huán)節(jié)與活動(dòng)設(shè)計(jì)

1.分解學(xué)習(xí)目標(biāo)，確定教學(xué)模式

為使學(xué)生達(dá)到預(yù)定的學(xué)習(xí)目標(biāo)，本文對(duì)學(xué)習(xí)目標(biāo)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行分解，設(shè)計(jì)相應(yīng)的教學(xué)環(huán)節(jié)和活動(dòng)。對(duì)“了解工業(yè)機(jī)器人發(fā)展歷史、現(xiàn)狀及分類”目標(biāo)以學(xué)生自主查閱資料為主，教師只介紹機(jī)器人方面的最新成果和進(jìn)展；“學(xué)會(huì)工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)”“理解機(jī)器人工作原理、控制方法”兩個(gè)目標(biāo)主要通過理論授課，結(jié)合學(xué)生自主學(xué)習(xí)來實(shí)現(xiàn)；“會(huì)編寫工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用程序”“能根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)要求，設(shè)計(jì)基于工業(yè)機(jī)器人的自動(dòng)化生產(chǎn)方案”兩個(gè)目標(biāo)通過完成相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新性課題來實(shí)現(xiàn)?？紤]到學(xué)情，在教學(xué)活動(dòng)中還應(yīng)對(duì)需要加強(qiáng)的知識(shí)點(diǎn)加以補(bǔ)充。教學(xué)環(huán)節(jié)與活動(dòng)設(shè)計(jì)見表1。

表1 學(xué)習(xí)成果與教學(xué)模式對(duì)應(yīng)關(guān)系

2.按學(xué)習(xí)目標(biāo)安排教學(xué)內(nèi)容

適合機(jī)械類本科專業(yè)的教材較少，本文選用清華大學(xué)出版社出版，由戰(zhàn)強(qiáng)主編的《機(jī)器人學(xué)》[6]作為基本教材，建議學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中參考John J.Craig著的機(jī)器人經(jīng)典教材《機(jī)器人學(xué)導(dǎo)論》[7]，教師在教學(xué)過程中補(bǔ)充教材中沒有，但學(xué)生在實(shí)際常用的內(nèi)容，如機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、機(jī)器人用減速器、軸承等，理論教學(xué)的主要內(nèi)容如表2所示，實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容如表3所示。

表2 理論教學(xué)內(nèi)容與學(xué)時(shí)安排

表3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容與學(xué)時(shí)

3.多種教學(xué)方法并舉，以提高學(xué)習(xí)成果達(dá)成度

一是自主學(xué)習(xí)。該方法主要應(yīng)用在緒論部分，要求學(xué)生利用圖書館資料、網(wǎng)絡(luò)等，查閱有關(guān)工業(yè)機(jī)器人的國內(nèi)外發(fā)展歷史、現(xiàn)狀水平及發(fā)展趨勢(shì)的文獻(xiàn)資料，調(diào)研目前市場(chǎng)上主流產(chǎn)品及工業(yè)機(jī)器人在企業(yè)中的應(yīng)用情況，然后撰寫不少于5000字的綜合報(bào)告。學(xué)生通過自主查閱資料，對(duì)工業(yè)機(jī)器人最新的現(xiàn)狀有比較全面的了解，而不僅限于教材介紹的知識(shí)。

二是采用課堂與現(xiàn)場(chǎng)相結(jié)合的授課方式，采用小班授課，把理論授課安排在實(shí)驗(yàn)室。由于工業(yè)機(jī)器人重量較大且操作有一定的危險(xiǎn)性，不適宜放在普通課室輔助上課，因此，把實(shí)驗(yàn)室做相應(yīng)的改造，使之符合理論課的要求，這樣大大降低了學(xué)生學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)的難度，比如教師在講到機(jī)器人結(jié)構(gòu)時(shí)，可以現(xiàn)場(chǎng)指出并操作演示。機(jī)器人坐標(biāo)系及其轉(zhuǎn)換、機(jī)器人D-H模型的建立等內(nèi)容是課程的重點(diǎn)，也是難點(diǎn)。學(xué)生因以前沒有接觸過實(shí)際的機(jī)器人，理解起來比較困難，采用現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)后，學(xué)生的理解難度明顯降低，保障了教學(xué)效果。

三是采用部分翻轉(zhuǎn)課堂的形式，為了使學(xué)生更好地理解與運(yùn)動(dòng)相關(guān)的理論知識(shí)，教師除了利用工業(yè)機(jī)器人做相關(guān)的實(shí)驗(yàn)，還提供機(jī)器人實(shí)驗(yàn)箱，讓學(xué)生可以按自己的興趣搭建不同形式的機(jī)器人，并寫出相應(yīng)的控制程序。這部分內(nèi)容只給出要求，學(xué)生利用課余時(shí)間完成大部分工作，并在課堂上提出存在的問題，全體師生一起討論解決，達(dá)到了很好的教學(xué)效果。

四是以專題講座的方式，解決師資力量不足、學(xué)生知識(shí)結(jié)構(gòu)欠缺的問題。對(duì)知識(shí)跨度較大或主講教師不熟悉的授課內(nèi)容，學(xué)院邀請(qǐng)專業(yè)教師以專題的形式講解，比如講到軌跡規(guī)劃時(shí)，其中牽涉路徑優(yōu)化算法及程序?qū)崿F(xiàn)，可以邀請(qǐng)計(jì)算機(jī)專業(yè)的教師，對(duì)這一主題開展講座。對(duì)學(xué)生知識(shí)結(jié)構(gòu)上的不足，授課教師應(yīng)在課前布置相應(yīng)的自主學(xué)習(xí)任務(wù)，比如，在機(jī)器人動(dòng)力學(xué)部分，學(xué)生對(duì)拉格朗日公式很難理解，教師應(yīng)課前先布置學(xué)生復(fù)習(xí)相應(yīng)的高等數(shù)學(xué)知識(shí)和理論力學(xué)知識(shí)。

五、多方面評(píng)價(jià)學(xué)習(xí)成果達(dá)成度，推進(jìn)教學(xué)方法的持續(xù)改進(jìn)

以學(xué)習(xí)成果達(dá)成度為指標(biāo)，對(duì)教學(xué)方法持續(xù)改進(jìn)。學(xué)習(xí)成果評(píng)價(jià)從兩個(gè)方面進(jìn)行。一方面是直接評(píng)價(jià)，主要包括課堂回答、討論問題、實(shí)驗(yàn)報(bào)告成績(jī)、完成的作業(yè)質(zhì)量、結(jié)課考試成績(jī)等。其中，課堂回答、討論問題、實(shí)驗(yàn)報(bào)告成績(jī)、完成的作業(yè)質(zhì)量屬于過程評(píng)價(jià)，反映某一階段學(xué)習(xí)成果的達(dá)成情況，結(jié)課考試則評(píng)價(jià)學(xué)習(xí)成果總體達(dá)成情況。另一方面通過問卷調(diào)查的形式進(jìn)行間接評(píng)價(jià)，通過超星學(xué)習(xí)通平臺(tái)發(fā)放問卷，讓學(xué)生對(duì)自己學(xué)習(xí)成果的達(dá)成度打分。學(xué)生對(duì)教師的評(píng)價(jià)直接采用學(xué)院每學(xué)期組織的學(xué)生評(píng)教數(shù)據(jù)。每個(gè)評(píng)價(jià)環(huán)節(jié)均應(yīng)圍繞對(duì)應(yīng)的學(xué)習(xí)成果進(jìn)行，特別是在結(jié)課考試中，試卷的內(nèi)容、題型應(yīng)與學(xué)習(xí)成果的評(píng)價(jià)相對(duì)應(yīng)。每次課程結(jié)束后，教師依據(jù)評(píng)價(jià)分?jǐn)?shù)，分析教學(xué)活動(dòng)中的各個(gè)環(huán)節(jié)，包括教學(xué)模式、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式，找出不足，加以改進(jìn)，形成持續(xù)改進(jìn)閉環(huán)。學(xué)習(xí)成果評(píng)價(jià)方式如表4所示。

表4 學(xué)習(xí)成果評(píng)價(jià)

六、結(jié)語

隨著國內(nèi)人力成本的上升，以工業(yè)機(jī)器人代替人的部分工作是大勢(shì)所趨。工業(yè)機(jī)器人在工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮的作用越來越大，加快中高端工業(yè)機(jī)器人人才的培養(yǎng)是社會(huì)所需?；贠BE教育理念開設(shè)的課程，學(xué)生學(xué)習(xí)時(shí)目標(biāo)明確，有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，促進(jìn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)。教師教學(xué)時(shí)目標(biāo)也很明確，有利于教師確定合理的授課內(nèi)容，采用合適的教學(xué)模式。對(duì)專業(yè)而言，可以減少或消除“水課”，避免教學(xué)資源浪費(fèi)，培養(yǎng)符合社會(huì)需求的高質(zhì)量人才。