機(jī)器人工程專業(yè)“CDIO-KSQA型”實踐教學(xué)體系的構(gòu)建研究

桂 偉 聶晶晶 周 浩

武漢商學(xué)院 湖北武漢 430056

1 概述

機(jī)器人工程專業(yè)的實踐教學(xué)在機(jī)器人工程專業(yè)應(yīng)用型人才培養(yǎng)中有著重要地位,針對機(jī)器人工程專業(yè)實踐教學(xué)創(chuàng)新性強(qiáng)、多技術(shù)綜合及產(chǎn)教高度融合特點,構(gòu)建形成具有“層次性、遞進(jìn)性和綜合性”特點的機(jī)器人工程專業(yè)實踐教學(xué)體系。通過實踐教學(xué)與工程項目的無縫對接,拉近教育與工程的距離,實現(xiàn)實踐教學(xué)內(nèi)容與技術(shù)更新相結(jié)合,拓展實驗內(nèi)容的深度和廣度,使學(xué)生盡早接觸先進(jìn)技術(shù),凸顯機(jī)器人工程專業(yè)多學(xué)科交叉融合的特點。

2 CDIO-KSQA內(nèi)涵

一般意義上的“協(xié)同育人”是指多方協(xié)同合作共同培養(yǎng)學(xué)生,落腳點主要在學(xué)校的人才培養(yǎng)上。而本文涉及的“校企協(xié)同育人”是指校企雙方基于“互惠互利、雙向共贏”的思路開展合作,以實現(xiàn)人才培養(yǎng)與企業(yè)發(fā)展的雙向共贏。

“CDIO”是指企業(yè)產(chǎn)品項目的構(gòu)思(Conceive)、設(shè)計(Design)、實現(xiàn)(Implement)和運作(Operate)的整個生命周期,本文主要是基于CDIO的項目化教學(xué)理念,研究校企合作開展項目化實踐教學(xué)的思路與措施,以實現(xiàn)校企協(xié)同育人的目的;“KSQA”是指應(yīng)用型人才所必須具備的:專業(yè)知識(Professional Knowledge)、實踐技能(Practical Skills)、職業(yè)素質(zhì)(Professional Quality)、工程能力(Engineering Ability)。

本文結(jié)合國內(nèi)機(jī)器人工程專業(yè)人才培養(yǎng)的實際情況,探討將應(yīng)用型人才培養(yǎng)與CDIO四大能力相結(jié)合的思路,構(gòu)建以CDIO教育理念為指引、以校企協(xié)同育人為手段、以企業(yè)實際項目為依托,以項目化教學(xué)為途徑,以專業(yè)知識的傳授、實踐技能的提升、職業(yè)素質(zhì)的培養(yǎng)、工程能力的形成為核心目標(biāo)的“CDIO-KSQA型”機(jī)器人工程專業(yè)應(yīng)用型人才培養(yǎng)的實踐教學(xué)體系。

3 “CDIO-KSQA型”實踐教學(xué)體系構(gòu)建

3.1 實踐教學(xué)體系構(gòu)建調(diào)研

3.1.1 機(jī)器人工程專業(yè)活動對畢業(yè)生工作/學(xué)習(xí)影響的較大情況

從隨機(jī)調(diào)研的機(jī)器人工程專業(yè)畢業(yè)生來看,90%以上的學(xué)生認(rèn)為機(jī)器人工程專業(yè)的實驗實習(xí)教學(xué)環(huán)節(jié)對學(xué)生畢業(yè)后繼續(xù)學(xué)習(xí)及工作影響較大,有半數(shù)以上學(xué)生認(rèn)為專業(yè)知識及課外科技活動對今后的學(xué)習(xí)工作影響較大。

3.1.2 機(jī)器人工程專業(yè)學(xué)生存在較大差距需要加強(qiáng)訓(xùn)練的能力情況

從隨機(jī)調(diào)研的機(jī)器人工程專業(yè)畢業(yè)生來看,60%以上的學(xué)生認(rèn)為學(xué)生的實踐動手能力對學(xué)生今后繼續(xù)學(xué)習(xí)及工作影響較大,有半數(shù)以上學(xué)生認(rèn)為專業(yè)基礎(chǔ)能力及計算機(jī)能力對今后的學(xué)習(xí)工作影響較大。從這方面可以看出在機(jī)器人工程專業(yè)的人才培養(yǎng)中要著重加強(qiáng)學(xué)生實踐動手能力、專業(yè)基礎(chǔ)能力及計算機(jī)能力的培養(yǎng),調(diào)研反饋的具體情況,如下表所示。

機(jī)器人專業(yè)學(xué)生存在較大差距需要加強(qiáng)訓(xùn)練的能力情況表

3.2 “CDIO-KSQA型”雙主線項目層進(jìn)式實踐教學(xué)體系

本文從CDIO工程教育理念出發(fā),以學(xué)生興趣為主體,以工業(yè)機(jī)器人和智能機(jī)器人兩個專業(yè)方向為切入點,以培養(yǎng)工業(yè)機(jī)器人與智能裝備新興產(chǎn)業(yè)及傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級急需的機(jī)器人工程師為目標(biāo),以“構(gòu)思、設(shè)計、實現(xiàn)和運作”工業(yè)機(jī)器人工作站系統(tǒng)集成項目和智能機(jī)器人軟硬件開發(fā)項目為主線,構(gòu)建機(jī)器人工程專業(yè)“CDIO-KSQA型”雙主線項目層進(jìn)式實踐教學(xué)體系,緊密圍繞學(xué)生工程認(rèn)知能力、工程驗證能力、工程設(shè)計能力及工程應(yīng)用能力的培養(yǎng),開展全鏈條、全流程、全周期不間斷的工程化訓(xùn)練。

4 “三段五層”實踐教學(xué)課程群構(gòu)建

機(jī)器人工程專業(yè)雙主線項目層進(jìn)式實踐教學(xué),著重強(qiáng)化學(xué)生的工程理念,以工程項目為載體,堅持工程理念不斷線,以項目驅(qū)動的方式實現(xiàn)對學(xué)生實踐能力培養(yǎng),使其在實踐課程教學(xué)中,能夠?qū)⑾鄬Κ毩⒌恼n堂理論知識進(jìn)行綜合應(yīng)用,逐漸提高學(xué)生的工程應(yīng)用能力。

為形成能夠支撐學(xué)生職業(yè)發(fā)展的實踐教學(xué)課程群,機(jī)器人教研團(tuán)隊開展了“學(xué)生希望在實踐教學(xué)中學(xué)習(xí)到哪方面知識”的調(diào)研,超過七成學(xué)生希望通過實踐教學(xué)學(xué)習(xí)機(jī)器人編程、設(shè)計和創(chuàng)新方面知識。

機(jī)器人教研團(tuán)隊根據(jù)機(jī)器人工程專業(yè)發(fā)展方向及六大就業(yè)崗位對實踐能力的培養(yǎng)要求,結(jié)合學(xué)生對實踐教學(xué)的希望,構(gòu)建“三段五層”實踐教學(xué)課程群。

4.1 工業(yè)機(jī)器人實踐教學(xué)課程群

工業(yè)機(jī)器人實踐教學(xué)體系主要包括工業(yè)機(jī)器人基本技能實踐層、工業(yè)機(jī)器人基本理論實踐層、工業(yè)機(jī)器人機(jī)械設(shè)計實踐層、工業(yè)機(jī)器人電氣設(shè)計實踐層及工業(yè)機(jī)器人綜合設(shè)計應(yīng)用實踐層,五層實踐教學(xué)依托工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)集成應(yīng)用項目分三段依次開展層進(jìn)式實踐教學(xué)。

4.1.1 工業(yè)機(jī)器人初級認(rèn)知階段實踐教學(xué)

工業(yè)機(jī)器人初級階段主要開展學(xué)生基本技能基本理論的訓(xùn)練,主要包括工業(yè)機(jī)器人基本技能實踐層和工業(yè)機(jī)器人基本理論實踐層兩個實踐教學(xué)層。

其中由“專業(yè)認(rèn)知實習(xí)”“制圖實踐”“工程實訓(xùn)”“電子工藝實訓(xùn)”及“電路分析”等基礎(chǔ)課程實驗構(gòu)成的工業(yè)機(jī)器人基本技能實踐課程群,主要培養(yǎng)學(xué)生的工程認(rèn)知能力,幫助學(xué)生理解和鞏固相應(yīng)的工程基礎(chǔ)知識,初步掌握工程基本技能。

由專業(yè)課程“工程力學(xué)”等課內(nèi)實驗、“模擬電子技術(shù)實驗”專業(yè)獨立實驗課構(gòu)成的工業(yè)機(jī)器人基本理論實踐課程群,主要培養(yǎng)學(xué)生的工程驗證能力。通過將理論課程放在實驗室的理實一體化教學(xué),學(xué)生在理論教學(xué)結(jié)束后直接在實驗室通過項目驗證理論知識,既可以深入理解理論知識,又可以提高學(xué)生理論與實踐相結(jié)合的能力,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,使學(xué)生得到充足的訓(xùn)練時間和機(jī)會,提高工程驗證能力。

4.1.2 工業(yè)機(jī)器人中級提升階段實踐教學(xué)

工業(yè)機(jī)器人中級階段主要開展學(xué)生機(jī)器人機(jī)械、電氣模塊化設(shè)計的訓(xùn)練,主要包括工業(yè)機(jī)器人工作站機(jī)械設(shè)計實踐層和工業(yè)機(jī)器人工作站電氣系統(tǒng)設(shè)計實踐層兩個實踐教學(xué)層。

其中由“機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)課程設(shè)計”“機(jī)器人編程實訓(xùn)”“機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)”課內(nèi)實驗及“機(jī)器人工裝設(shè)計實驗”等獨立實驗課構(gòu)成的工業(yè)機(jī)器人工作站機(jī)械設(shè)計實踐課程群,主要培養(yǎng)學(xué)生具備利用機(jī)械設(shè)計常用軟件開展機(jī)器人工作站機(jī)械本體結(jié)構(gòu)設(shè)計、工裝夾具等非標(biāo)零部件設(shè)計的工程設(shè)計以及機(jī)器人工作站運動仿真能力?！皺C(jī)器人編程實訓(xùn)”課程主要對學(xué)生運用仿真軟件RobotStudio對碼垛生產(chǎn)線中的設(shè)計方案進(jìn)行運動仿真,進(jìn)而優(yōu)化碼垛機(jī)器人工作站機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計。

由“電氣控制課程設(shè)計”“電氣控制與PLC實驗”及“電機(jī)與拖動實驗”等獨立實驗課構(gòu)成的工業(yè)機(jī)器人工作站電氣設(shè)計課程群,主要培養(yǎng)學(xué)生具備利用電氣設(shè)計常用軟件開展工業(yè)機(jī)器人工作站電氣控制的軟、硬件設(shè)計的工程設(shè)計能力。

工業(yè)機(jī)器人中級階段實踐教學(xué)利用工業(yè)機(jī)器人實踐項目,通過課程設(shè)計、綜合實訓(xùn)課程及獨立實驗課,指導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)使用機(jī)器人基本的硬件設(shè)備,包括電機(jī)、單片機(jī)及傳感器等,掌握控制原理和方法,能夠?qū)崿F(xiàn)簡單機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計與控制,實現(xiàn)對學(xué)生進(jìn)行更深入的專業(yè)技能培養(yǎng)和訓(xùn)練,幫助學(xué)生由淺入深,層層遞進(jìn),逐步掌握工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用的基本知識及開發(fā)部分功能模塊的能力。

4.1.3 工業(yè)機(jī)器人高級強(qiáng)化階段實踐教學(xué)

工業(yè)機(jī)器人高級階段實踐教學(xué),主要開展工業(yè)機(jī)器人工作站系統(tǒng)集成綜合設(shè)計應(yīng)用,包括工業(yè)機(jī)器人綜合設(shè)計應(yīng)用實踐教學(xué)層。

由“生產(chǎn)實習(xí)”“畢業(yè)實習(xí)”“智能制造綜合課程設(shè)計”“畢業(yè)設(shè)計”“計算機(jī)輔助設(shè)計”獨立實踐課及“MES系統(tǒng)實驗”等獨立實驗課組成的工業(yè)機(jī)器人綜合設(shè)計應(yīng)用實踐層,主要培養(yǎng)具有智能裝備及典型行業(yè)自動化生產(chǎn)線的集成設(shè)計、技術(shù)改造及運行管理的工程應(yīng)用能力。

高級強(qiáng)化階段是在完成初級認(rèn)知、中級提升階段學(xué)習(xí)之后,按照學(xué)生工業(yè)機(jī)器人發(fā)展方向和崗位能力需求,強(qiáng)化實踐動手能力,加深對智能制造行業(yè)中工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)集成應(yīng)用的理解,并嘗試比較復(fù)雜的工業(yè)機(jī)器人工作站系統(tǒng)集成設(shè)計。

4.2 智能機(jī)器人實踐教學(xué)體系

智能機(jī)器人實踐教學(xué)體系主要包括智能機(jī)器人基本技能實踐層、智能機(jī)器人基本理論實踐層、智能機(jī)器人機(jī)械設(shè)計實踐層、智能機(jī)器人電氣設(shè)計實踐層及智能機(jī)器人綜合設(shè)計實踐層,五層實踐教學(xué)緊緊依托智能機(jī)器人軟硬件設(shè)計開發(fā)項目分三段依次開展層進(jìn)式實踐教學(xué)。

4.2.1 智能機(jī)器人初級認(rèn)知階段實踐教學(xué)

智能機(jī)器人初級階段主要開展學(xué)生基本技能基本理論的訓(xùn)練,包括智能機(jī)器人基本技能實踐層和智能機(jī)器人基本理論實踐層兩個實踐教學(xué)層。

其中由“專業(yè)認(rèn)知實習(xí)”“制圖實踐”“工程實訓(xùn)”“電子工藝實訓(xùn)”及“電路分析”等基礎(chǔ)課程實驗構(gòu)成的智能機(jī)器人基本技能實踐課程群,主要培養(yǎng)學(xué)生的工程認(rèn)知能力,幫助學(xué)生理解和鞏固相應(yīng)的工程基礎(chǔ)知識,初步掌握工程基本技能。

4.2.2 智能機(jī)器人中級提升階段實踐教學(xué)

智能機(jī)器人中級階段主要開展學(xué)生機(jī)器人機(jī)械、電氣模塊化設(shè)計的訓(xùn)練,主要包括智能機(jī)器人機(jī)械設(shè)計實踐層和智能機(jī)器人電子系統(tǒng)設(shè)計實踐層兩個實踐教學(xué)層。

其中由“機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)課程設(shè)計”“機(jī)器人編程實訓(xùn)”“機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)”課內(nèi)實驗及“機(jī)器人運動學(xué)控制實驗”等獨立實驗課構(gòu)成的智能機(jī)器人機(jī)械設(shè)計實踐課程群,主要培養(yǎng)學(xué)生具備利用機(jī)械設(shè)計軟件開展智能機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的工程設(shè)計能力。

由“單片機(jī)技術(shù)課程設(shè)計”“嵌入式系統(tǒng)技術(shù)實驗”及“電子線路計算機(jī)輔助設(shè)計”等獨立實踐課構(gòu)成的智能機(jī)器人電子設(shè)計實踐課程群,主要培養(yǎng)學(xué)生具備利用電氣設(shè)計軟件開展智能機(jī)器人的軟、硬件設(shè)計的工程設(shè)計能力。

工業(yè)機(jī)器人中級階段實踐教學(xué)利用智能機(jī)器人實踐項目,通過課程設(shè)計、綜合實訓(xùn)課程及獨立實驗課,指導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)使用機(jī)器人基本硬件設(shè)備,包括電機(jī)、單片機(jī)及傳感器等,掌握控制原理和方法,培養(yǎng)具備利用嵌入式處理器,實現(xiàn)對機(jī)器人的傳感系統(tǒng)、控制電路、電源管理系統(tǒng)及通信接口電路等硬件系統(tǒng)設(shè)計與測試能力。

4.2.3 智能機(jī)器人高級強(qiáng)化階段實踐教學(xué)

智能機(jī)器人高級階段實踐教學(xué),主要開展智能機(jī)器人軟硬件綜合設(shè)計,包括智能機(jī)器人綜合設(shè)計實踐教學(xué)層。

由“生產(chǎn)實習(xí)”“畢業(yè)實習(xí)”“智能機(jī)器人控制綜合課程設(shè)計”“畢業(yè)設(shè)計”“機(jī)器人操作系統(tǒng)ROS原理及應(yīng)用實驗”獨立實驗課及“微機(jī)原理及單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)”課內(nèi)實驗課組成的智能機(jī)器人綜合設(shè)計實踐層,主要培養(yǎng)學(xué)生具有機(jī)器人系統(tǒng)的通信、底層驅(qū)動、控制、智能化軟件系統(tǒng)開發(fā)的工程應(yīng)用能力。

高級強(qiáng)化階段是在完成初級認(rèn)知、中級提升階段學(xué)習(xí)之后,按照學(xué)生智能機(jī)器人發(fā)展方向和崗位能力需求,強(qiáng)化實踐動手能力,加深對智能服務(wù)機(jī)器人的理解,并嘗試比較復(fù)雜的智能機(jī)器人軟、硬件設(shè)計。

5 小結(jié)

機(jī)器人工程專業(yè)雙主線項目層進(jìn)式實踐教學(xué)體系,以培養(yǎng)學(xué)生工程認(rèn)知能力、工程驗證能力、工程設(shè)計能力及工程應(yīng)用能力為目標(biāo)。三段五層實踐教學(xué)課程群,緊緊圍繞兩個專業(yè)方向的實踐教學(xué)案例,按照先由下至上模塊到整體,再由上至下整體到模塊的原則進(jìn)行整體設(shè)計。從初級認(rèn)知階段到中級提升階段,根據(jù)項目分支開展各模塊學(xué)習(xí)、實踐到樹立機(jī)器人基本操作、整體設(shè)計、電氣控制及感知規(guī)劃概念;從中級提升階段到高級強(qiáng)化階段,面向機(jī)器人具體整體任務(wù)出發(fā)到各模塊設(shè)計及控制,初步形成了機(jī)器人工程專業(yè)“項目引領(lǐng)、崗位實境,分層培養(yǎng)、逐級遞進(jìn),多方聯(lián)動、前后貫通”的實踐教學(xué)特色。