應(yīng)用型本科機(jī)器人工程專業(yè)課程教學(xué)改革實(shí)施方案探索

竇耀，張玉鳳，玉尖香，朱慧

（江蘇師范大學(xué)科文學(xué)院，江蘇徐州 221000）

隨著我國經(jīng)濟(jì)社會快速發(fā)展，為應(yīng)對技術(shù)革新，各行業(yè)都處于產(chǎn)業(yè)升級和技術(shù)突破階段。2021年12月，工信部、國家發(fā)展改革委等15個部門印發(fā)《“十四五”機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》，提出到2025年，我國將成為全球機(jī)器人技術(shù)創(chuàng)新策源地、高端制造集聚地和集成應(yīng)用新高地；2021年12月，工信部、國家發(fā)展改革委等8部門印發(fā)《“十四五”智能制造發(fā)展規(guī)劃》，提出到2035年，規(guī)模以上制造業(yè)企業(yè)全面普及數(shù)字化。機(jī)器人工程專業(yè)為社會提供專業(yè)的復(fù)合型技術(shù)人才，兼具工程實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力，各高校在新工科背景下，積極推動機(jī)器人工程專業(yè)建設(shè)，促進(jìn)我國產(chǎn)業(yè)技術(shù)升級，具有重要意義。

機(jī)器人工程專業(yè)涉及不同學(xué)科知識，是融合電氣、機(jī)械、控制、通信、傳感等于一體的交叉學(xué)科。在此過程中，需要將傳統(tǒng)的自動化專業(yè)課程與機(jī)器人行業(yè)知識相結(jié)合，建立完整的面向?qū)嵺`、面向工程、面向企業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用的課程教學(xué)體系。該體系中專業(yè)基礎(chǔ)課程理論要求高、課程綜合性強(qiáng)、難度系數(shù)大[1]。目前各高校對于機(jī)器人工程專業(yè)的課程教學(xué)和人才培養(yǎng)仍然處探索階段，在實(shí)際教學(xué)過程中存在如下問題：

（1）培養(yǎng)目標(biāo)不夠明確。機(jī)器人工程肩負(fù)著新工科建設(shè)和交叉學(xué)科建設(shè)“內(nèi)涵和外延協(xié)同發(fā)展”的重要任務(wù)，其研究定勢、學(xué)科定位、課程邊界、知識結(jié)構(gòu)均沒有規(guī)范化，不僅如此，各高?；趯I(yè)特色及學(xué)科發(fā)展，對于機(jī)器人工程的專業(yè)定位也不盡相同，其分屬院系包括機(jī)械學(xué)院、自動化學(xué)院、計(jì)算機(jī)學(xué)院，甚至以該專業(yè)主體單獨(dú)作為一個二級學(xué)院，專業(yè)特色不夠明晰，培養(yǎng)目標(biāo)凝練不足。

（2）課程結(jié)構(gòu)不成體系。各高校對于機(jī)器人工程培養(yǎng)目標(biāo)定位不同，導(dǎo)致課程設(shè)置大相徑庭，人才培養(yǎng)方案中的通識課、專業(yè)基礎(chǔ)課、專業(yè)主干課、專業(yè)選修課、實(shí)踐課設(shè)置不合理，課程學(xué)分及課時設(shè)置比例不協(xié)調(diào)，部分課程與企業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐脫鉤。

（3）師資力量和教學(xué)資源不夠集中。目前部分開設(shè)機(jī)器人工程專業(yè)的高校在專業(yè)建設(shè)中基本采用其他相近專業(yè)的師資力量與教學(xué)資源，如各類實(shí)踐課程教學(xué)平臺與其他專業(yè)共用、師資配比不足、專業(yè)教材不成體系、教學(xué)管理制度不夠完善，難以完成既定人才培養(yǎng)目標(biāo)。

本文以應(yīng)用型本科院校機(jī)器人工程專業(yè)及相近學(xué)科專業(yè)人才培養(yǎng)方案為理論支撐，以培養(yǎng)新工科高等教育人才為目標(biāo)，遵循學(xué)科發(fā)展和人才培養(yǎng)規(guī)律，積極探索機(jī)器人專業(yè)課程教學(xué)改革實(shí)施方案，提出加強(qiáng)項(xiàng)目驅(qū)動式課程的學(xué)生實(shí)踐能力培養(yǎng)、形成具有鮮明特色的專業(yè)課程體系、通過多元化教學(xué)方式改善機(jī)器人專業(yè)課程教學(xué)效果三項(xiàng)課程教學(xué)改革方案，為促進(jìn)應(yīng)用型本科技術(shù)人才教育提供理論依據(jù)。

1 各高校機(jī)器人工程人才培養(yǎng)目標(biāo)

根據(jù)各工程類企業(yè)人事聘用相關(guān)要求，對研究型本科院校、應(yīng)用型本科院校、高職高專院校的人才培養(yǎng)目標(biāo)和內(nèi)容作了不同界定，具體見表1，其中，應(yīng)用型本科院校機(jī)器人工程專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)為既要完成研究型人才的部分學(xué)習(xí)研究能力培養(yǎng)，又要兼顧技能型人才的部分相關(guān)技能提高[2]?；诖?，應(yīng)用型本科院校機(jī)器人工程專業(yè)人才培養(yǎng)定位下的學(xué)生在畢業(yè)時預(yù)期應(yīng)達(dá)到如下目標(biāo)：

表1 不同類型高校針對機(jī)器人工程專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)區(qū)別

（1）具備較強(qiáng)的人文知識素養(yǎng)，遵守企業(yè)制定的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和職業(yè)道德，積極參與生產(chǎn)勞動，了解與本專業(yè)相關(guān)的法律、法規(guī)知識，熟悉各相關(guān)部門出臺的有關(guān)方針、政策。

（2）能在生產(chǎn)、操作、運(yùn)維等方面，通過自身所學(xué)的專業(yè)知識和實(shí)踐技能，解決崗位面臨的工程應(yīng)用問題，掌握設(shè)備及生產(chǎn)運(yùn)行原理，能夠提煉出新知識、新方法，具有核心競爭力。

（3）基本掌握一門外國語，能夠緊跟本專業(yè)領(lǐng)域的前沿科技，具有一定的文字功底和語言表達(dá)能力，可以熟練操作計(jì)算機(jī)，至少掌握一種仿真工具的實(shí)用技能[3]。

（4）掌握檢索國內(nèi)外文獻(xiàn)、查詢書籍資料及運(yùn)用現(xiàn)代信息技術(shù)獲取行業(yè)知識的基本方法，能夠應(yīng)對行業(yè)和企業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)升級的挑戰(zhàn)，具有終生學(xué)習(xí)能力，不斷提高自身的理論水平和實(shí)踐能力。

基于此，應(yīng)用型高校在修訂機(jī)器人工程專業(yè)的人才培養(yǎng)方案時，應(yīng)根據(jù)專業(yè)特色、教學(xué)大綱、學(xué)生基礎(chǔ)等因素優(yōu)化教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法等方面的細(xì)則，以適應(yīng)市場需求變化，具體人才培養(yǎng)目標(biāo)如下：以培養(yǎng)應(yīng)用復(fù)合型人才為主導(dǎo)，兼顧創(chuàng)新型人才培養(yǎng)目標(biāo)，具有良好的職業(yè)道德，具有較強(qiáng)的身體和心理素質(zhì)，富有進(jìn)取精神與創(chuàng)新能力。能夠使用數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)等工程類輔助工具，具備扎實(shí)的機(jī)械、電氣、信息、控制、計(jì)算機(jī)、人工智能算法等多學(xué)科交叉基礎(chǔ)知識，系統(tǒng)地掌握機(jī)器人有關(guān)技術(shù)的基礎(chǔ)理論和專業(yè)技能，憑借查閱文獻(xiàn)及實(shí)地調(diào)研等手段，可以對復(fù)雜工程實(shí)踐問題進(jìn)行系統(tǒng)化建模和仿真處理，并獲得有效結(jié)論[4]。

2 應(yīng)用型本科高校機(jī)器人工程專業(yè)課程教學(xué)改革具體方案

2.1 加強(qiáng)項(xiàng)目驅(qū)動式課程的學(xué)生實(shí)踐能力培養(yǎng)

在實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)、課程設(shè)計(jì)、實(shí)習(xí)等實(shí)踐類課程中，充分發(fā)揮實(shí)踐課程對學(xué)生專業(yè)素質(zhì)和實(shí)踐能力培養(yǎng)的作用，樹立“面向?qū)嵺`、面向生產(chǎn)、面向企業(yè)”“以企業(yè)生產(chǎn)為導(dǎo)向”“增強(qiáng)服務(wù)意識、加強(qiáng)專業(yè)能力”等相關(guān)教育理念，提高項(xiàng)目驅(qū)動式課程的含金量，即參照企業(yè)項(xiàng)目工程進(jìn)度和管理要求，進(jìn)一步明確學(xué)習(xí)目標(biāo)[5]，如表2所示，以某一機(jī)器人本體為研究目標(biāo)，將其中具體的研究對象如機(jī)械設(shè)備、控制器、傳感器、編譯程序等課程內(nèi)容分解到各課程項(xiàng)目中，形成一系列具有項(xiàng)目驅(qū)動式課程的課程群，最終達(dá)到提升學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)目標(biāo)。

表2 項(xiàng)目驅(qū)動式課程項(xiàng)目設(shè)計(jì)范例

以理論教學(xué)為基礎(chǔ)和以實(shí)踐操作為載體的創(chuàng)新能力培養(yǎng)是高等院校新工科教學(xué)改革的重要特征，課程群的建立增強(qiáng)了理論和實(shí)踐教學(xué)之間的知識結(jié)構(gòu)連接關(guān)系，使不同課程之間的知識體系銜接得更加緊密，課程資源更加豐富，達(dá)到理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)相互滲透、融合并重的教學(xué)效果，通過完成一系列課程項(xiàng)目，提升了學(xué)生對理論知識的理解，同時也培養(yǎng)了學(xué)生的職業(yè)素養(yǎng)。

2.2 形成具有鮮明特色的專業(yè)課程體系

專業(yè)課程體系的建立，需要滿足一系列的軟硬件條件并通過專家的審議及評估，這其中包括課程大綱的編寫和修訂、企業(yè)參與人才培養(yǎng)方案的設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)室提供配套設(shè)施、畢業(yè)條件中對于各課程的具體要求等，同時，還需要考慮各課程之間的連接關(guān)系和知識邊界，形成分層次、有內(nèi)容、相互協(xié)同的知識體系，如圖1所示，機(jī)器人工程專業(yè)相比傳統(tǒng)相近專業(yè)的知識邊界，其具體內(nèi)容更加豐富，應(yīng)用場景更加廣泛，最終形成由“通識課、專業(yè)基礎(chǔ)課、專業(yè)主干課、專業(yè)選修課”構(gòu)成的理論課程體系[6-7]，形成由“實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)、課程設(shè)計(jì)、生產(chǎn)實(shí)習(xí)”構(gòu)成的實(shí)踐課程體系，形成包含“項(xiàng)目驅(qū)動式課程教學(xué)、企業(yè)參與過程培養(yǎng)、豐富的課程群建設(shè)”的人才培養(yǎng)課程體系，構(gòu)建出“專業(yè)知識、學(xué)習(xí)能力、綜合素養(yǎng)”協(xié)調(diào)發(fā)展的人才培養(yǎng)目標(biāo)。

圖1 機(jī)器人專業(yè)與傳統(tǒng)相近專業(yè)知識邊界對比

2.3 通過多元化教學(xué)方式改善機(jī)器人專業(yè)課程教學(xué)效果

2.3.1 利用數(shù)智化課程資源，提升理實(shí)一體化教學(xué)效果

引入虛擬教學(xué)場景、VR虛擬樣機(jī)、AR遠(yuǎn)程專家系統(tǒng)等數(shù)智化教學(xué)系統(tǒng)，不斷加強(qiáng)現(xiàn)實(shí)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（AR/VR）在高校機(jī)器人專業(yè)實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用。采用“網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源+教學(xué)平臺直播+學(xué)生教學(xué)效果反饋數(shù)據(jù)”相結(jié)合方式，活躍課堂氛圍，提升機(jī)器人專業(yè)課程理實(shí)一體化教學(xué)效果[8]。運(yùn)用在線教學(xué)平臺收集的教學(xué)過程大數(shù)據(jù)資源，分析機(jī)器人專業(yè)教學(xué)過程中的重難點(diǎn)，在線上教學(xué)期間，線上教學(xué)成為常態(tài)化教學(xué)的一種模式，微課、慕課等數(shù)智化課程資源更是被充分運(yùn)用在各類課程的教學(xué)環(huán)節(jié)中，體現(xiàn)了現(xiàn)代信息技術(shù)在機(jī)器人專業(yè)教學(xué)過程中的發(fā)展和應(yīng)用。

2.3.2 加強(qiáng)專業(yè)課程教學(xué)模式改革，推動創(chuàng)新能力發(fā)展

當(dāng)前機(jī)器人專業(yè)教學(xué)模式還在探索階段，各高校需進(jìn)一步整合資源，加大對專業(yè)建設(shè)的投入，立足地方實(shí)體經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)，依照地方產(chǎn)業(yè)需求，積極開展校企合作共建，加強(qiáng)產(chǎn)教研實(shí)習(xí)基地建設(shè)，構(gòu)建具有企業(yè)生產(chǎn)特征的專業(yè)課程體系，形成應(yīng)用型企業(yè)合作辦學(xué)培養(yǎng)模式,如圖2所示，該課程體系以機(jī)電類課程為知識架構(gòu)基礎(chǔ)，以機(jī)器人系統(tǒng)集成為專業(yè)方向，形成帶有鮮明機(jī)器人元素的課程體系。同時，在人才培養(yǎng)方案中增加科研訓(xùn)練、創(chuàng)新活動課程及相應(yīng)學(xué)分，打破學(xué)科專業(yè)限制，開展大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計(jì)劃，讓學(xué)生不斷樹立創(chuàng)新意識，培養(yǎng)創(chuàng)新實(shí)踐能力。

圖2 機(jī)器人工程專業(yè)課程體系簡圖

2.3.3 改進(jìn)課程考核標(biāo)準(zhǔn)，增強(qiáng)學(xué)生綜合能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力

參照企業(yè)項(xiàng)目生產(chǎn)和研發(fā)流程，建立較為完善的課程考核標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)“市場需求分析-可行性分析-技術(shù)報(bào)告-產(chǎn)品說明書”項(xiàng)目生產(chǎn)研發(fā)過程整體思路[9]，綜合評價學(xué)生在教學(xué)過程中的學(xué)習(xí)能力，提高實(shí)踐教學(xué)過程中學(xué)生“實(shí)際作品完成度”考核占比，增加“團(tuán)隊(duì)協(xié)作”考核模塊占比，鼓勵學(xué)生積極爭取“思維創(chuàng)新”考核分?jǐn)?shù)，形成“構(gòu)思-設(shè)計(jì)-實(shí)踐-檢驗(yàn)”的教學(xué)理念。不斷加強(qiáng)專業(yè)課程內(nèi)容配套實(shí)踐訓(xùn)練，如單片機(jī)及嵌入式系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)、電氣控制及PLC技術(shù)綜合實(shí)訓(xùn)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件實(shí)訓(xùn)、工業(yè)機(jī)器人裝調(diào)實(shí)訓(xùn)、機(jī)器人集成應(yīng)用綜合實(shí)訓(xùn)、電子技術(shù)綜合實(shí)訓(xùn)、機(jī)電系統(tǒng)綜合實(shí)訓(xùn)[10-11]等，切實(shí)符合行業(yè)生產(chǎn)要求。

2.3.4 完善實(shí)踐教學(xué)平臺，夯實(shí)“機(jī)器人+”智能化資源基礎(chǔ)

對機(jī)器人工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行充實(shí)和拓展，依托無人機(jī)、AlphaGo、機(jī)械手臂、3D打印機(jī)、特種加工機(jī)器人、機(jī)器視覺設(shè)備等具備智能化控制技術(shù)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備[12]，使教學(xué)實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐環(huán)節(jié)符合實(shí)際應(yīng)用場景，完善工業(yè)機(jī)器人實(shí)踐教學(xué)環(huán)境，同時通過“機(jī)器人+”智能化基礎(chǔ)，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)科競賽能力，鼓勵學(xué)生參加高質(zhì)量大賽，如全國大學(xué)生機(jī)器人大賽、中國高校智能機(jī)器人創(chuàng)意大賽、“西門子杯”中國智能制造挑戰(zhàn)賽、“圓夢天使”杯國際空中機(jī)器人大賽[13-14]等，引導(dǎo)學(xué)生了解機(jī)器人系統(tǒng)代碼編譯開源化、機(jī)器人硬件設(shè)備控制模塊化，提高學(xué)生就業(yè)核心競爭力。

3 結(jié)語

綜上所述，應(yīng)用型本科高校應(yīng)積極探索適合本校專業(yè)特色的課程教學(xué)改革實(shí)施方案，面對培養(yǎng)目標(biāo)不夠明確、課程結(jié)構(gòu)不成體系、師資力量和教學(xué)資源不夠集中等教學(xué)問題，應(yīng)大力推動機(jī)器人工程專業(yè)建設(shè)，努力構(gòu)建面向?qū)嵺`、面向工程、面向企業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用的課程教學(xué)體系，大膽嘗試如以項(xiàng)目驅(qū)動式課程促進(jìn)學(xué)生實(shí)踐能力培養(yǎng)、形成具有鮮明特色的專業(yè)課程體系、通過多元化教學(xué)方式改善機(jī)器人專業(yè)課程教學(xué)效果等課程教學(xué)改革方案，促進(jìn)學(xué)生專業(yè)能力和綜合素質(zhì)全面發(fā)展，為社會培養(yǎng)具有專業(yè)實(shí)踐能力的優(yōu)秀人才。