新工科背景下“工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)”試驗教學(xué)改革與實踐★

黃廣偉，張攀峰

（東莞城市學(xué)院智能制造學(xué)院，廣東 東莞 523419）

0 引言

教育部于2017 年啟動新工科專業(yè)建設(shè)，相繼形成了“復(fù)旦共識”“天大行動”和“北京指南”等綱領(lǐng)性文件[1-2]。新工科建設(shè)以繼承與創(chuàng)新、交叉和融合、協(xié)調(diào)與共享為途徑，培養(yǎng)適應(yīng)科技改革、具有實踐能力和創(chuàng)新能力的復(fù)合型高素質(zhì)新工科人才[3]。新工科倡導(dǎo)以學(xué)生為中心、以產(chǎn)出為導(dǎo)向、持續(xù)改進(jìn)的教育理念，強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。新工科建設(shè)，不僅創(chuàng)建了一批新型工科專業(yè)，同時對傳統(tǒng)工科專業(yè)進(jìn)行升級改造，實現(xiàn)多學(xué)科多專業(yè)融合發(fā)展，強(qiáng)化學(xué)生實踐綜合能力培養(yǎng)。同時隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”、大數(shù)據(jù)、人工智能、智能制造等新技術(shù)與新產(chǎn)業(yè)的深入發(fā)展，全社會迫切需要一大批創(chuàng)新意識強(qiáng)、動手能力強(qiáng)、綜合素質(zhì)高、學(xué)科視野寬的復(fù)合型高素質(zhì)人才。因此對“工業(yè)機(jī)器人”的功能提出了更高的要求，要求其與機(jī)器視覺等多學(xué)科進(jìn)一步融合，并進(jìn)行深層次“AI+”賦能。

本文根據(jù)新工科要求，針對“工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)”傳統(tǒng)試驗教學(xué)過程中存在的問題，提出了“前導(dǎo)式預(yù)習(xí)+工程實踐項目”的試驗教學(xué)模式，引入企業(yè)實際工程項目作為試驗內(nèi)容，以工程項目為驅(qū)動，以解決實際工程需求為結(jié)果導(dǎo)向，并將試驗時間外延至寒暑假，學(xué)生利用假期或空閑時間參與企業(yè)的工程項目，甚至畢業(yè)實習(xí)也在合作企業(yè)頂崗實習(xí)，由此形成了完整的工程實踐訓(xùn)練閉環(huán)鏈，增強(qiáng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性、積極性，同時使工程實踐的能力得到明顯提高，打通了校園到職場能手的“最后一公里”，為應(yīng)用型本科大學(xué)試驗教學(xué)改革提供了參考。

1 存在的問題

傳統(tǒng)的“工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)”試驗教學(xué)以驗證性、演示性試驗為主，缺少創(chuàng)新性、設(shè)計性、綜合性試驗，試驗內(nèi)容多年不更新，與工程實踐脫節(jié)，內(nèi)容陳舊，不符合時代發(fā)展需求；教學(xué)方法呆板、教條化，以教師為主，幾乎采用機(jī)械式灌輸，學(xué)生興趣與主觀能動性難以調(diào)動，教學(xué)方法跟不上時代發(fā)展；考核方式則多以試驗報告成績?yōu)橹鳎y以反映出學(xué)生的真實水平。總之，存在教學(xué)內(nèi)容陳舊、教學(xué)方法落后、考核方式單一等問題。

1.1 教學(xué)內(nèi)容陳舊

目前“工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)”試驗內(nèi)容基本上以演示性與驗證性試驗居多，內(nèi)容呈現(xiàn)孤立性、脫節(jié)性等特點。試驗內(nèi)容僅局限于工業(yè)機(jī)器人本身范疇，缺少與其他學(xué)科的融合，只能完成工業(yè)機(jī)器人最基本的試驗教學(xué)，缺少綜合性和統(tǒng)一性，試驗內(nèi)容與產(chǎn)業(yè)要求和技術(shù)的最新發(fā)展關(guān)聯(lián)性不強(qiáng)；未能滿足新工科提出的“問技術(shù)發(fā)展改教學(xué)內(nèi)容”的要求，阻礙了新技術(shù)與專業(yè)領(lǐng)域新知識的融入；試驗教學(xué)當(dāng)中，行業(yè)對人才培養(yǎng)的最新要求也未能及時引入試驗教學(xué)過程中。教學(xué)效果與質(zhì)量難以保證，不能滿足新工科對實踐性專業(yè)工程人才的要求。

1.2 教學(xué)方法落后

目前“工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)”試驗教學(xué)方法相對固化，一般是采用理論教學(xué)的方式來進(jìn)行試驗課程的教學(xué)[4-5]。其流程基本上是試驗教師先對試驗原理、試驗設(shè)備進(jìn)行講解，然后學(xué)生按照試驗指導(dǎo)書的要求進(jìn)行試驗任務(wù)的布置，并按試驗指導(dǎo)書上步驟進(jìn)行試驗，驗證或觀察試驗結(jié)果。試驗過程中學(xué)生基本上是處于一種被動做試驗的狀態(tài)，處于機(jī)械式接受、灌輸式的學(xué)習(xí)狀態(tài)，缺乏主動性。學(xué)生只要按照試驗指導(dǎo)書的基本步驟進(jìn)行操作，即使對試驗原理或理論知識不了解、甚至不清楚的情況下，也可能得到正確的試驗結(jié)果。該教學(xué)模式無法培養(yǎng)學(xué)生自主性與創(chuàng)造性能力，反而會促使學(xué)生養(yǎng)成不求甚解、懶惰，甚至得過且過的試驗態(tài)度，缺少能引導(dǎo)學(xué)生獨立思考或延伸理論知識的試驗任務(wù)，難以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與求知欲望，會對學(xué)生今后的學(xué)習(xí)及科研生涯產(chǎn)生一定的危害。因此，有必要構(gòu)建一種新的試驗教學(xué)方法，該方法不但要利于激發(fā)學(xué)生試驗興趣，還要促使學(xué)生主動參與試驗教學(xué)，并激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的內(nèi)動力。

1.3 考核方式單一

目前“工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)”試驗成績計算方式如式（1）所示，基本上由試驗報告成績S1、課堂考勤成績S2構(gòu)成，并分別按70%、30%占比計算后相加。成績的評定基本上均由指導(dǎo)教師根據(jù)報告內(nèi)容以及學(xué)生在課堂上的表現(xiàn)進(jìn)行評定，且以試驗報告為主，學(xué)生最終試驗成績帶有較大的教師個人主觀性。此考核方式單一，存在極大的局限性，無法激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情，學(xué)生只是被動地完成試驗任務(wù)，最終試驗成績并不能真正反映學(xué)生的試驗實踐能力，顯然此考核方法已不符合新工科對應(yīng)用型人才專業(yè)素養(yǎng)培養(yǎng)的要求。

式中：S 為傳統(tǒng)試驗教學(xué)方法的總試驗成績；S1為試驗報告成績；S2為課堂考勤成績。

2 改革措施

針對本課程的試驗現(xiàn)狀，根據(jù)新工科要求，引入工程實踐理念，采用多學(xué)科交叉融合的方式，構(gòu)建了以培養(yǎng)學(xué)生自主解決工程問題能力為導(dǎo)向、“前導(dǎo)式預(yù)習(xí)+工程實踐項目”的試驗教學(xué)模式；突出應(yīng)用型人才培養(yǎng)要求，從試驗內(nèi)容、試驗方法、考核方式三個方面進(jìn)行了改革。

2.1 試驗內(nèi)容

根據(jù)新工科對工程實踐能力要求，注重多學(xué)科有機(jī)交叉融合，與東莞某智能視覺科技公司開展人才培養(yǎng)合作。試驗內(nèi)容框架如圖1 所示，引入該企業(yè)實際工程項目作為試驗內(nèi)容，將機(jī)器視覺內(nèi)容引入工業(yè)機(jī)器人試驗中，有機(jī)地將工業(yè)機(jī)器人知識、機(jī)器視覺知識、PLC 知識進(jìn)行多角度多層次的融合，以培養(yǎng)學(xué)生解決工程實踐問題的能力。

圖1 試驗內(nèi)容框架

2.2 試驗方法

根據(jù)新工科突出自主解決工程實踐能力的要求，構(gòu)建“前導(dǎo)式預(yù)習(xí)+工程實踐項目”的試驗教學(xué)模式。它是在項目導(dǎo)向教學(xué)模式的基礎(chǔ)上，提倡合理選擇企業(yè)工程實踐項目作為試驗內(nèi)容；試驗前通過視頻或邀請企業(yè)工程師進(jìn)校園（課堂）方式向?qū)W生介紹課程試驗具體內(nèi)容以及所需要的知識儲備、技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域、應(yīng)用價值等，從而激發(fā)學(xué)生的求知欲及興致，誘導(dǎo)學(xué)生利用業(yè)余時間提前介入試驗工程項目學(xué)習(xí)，甚至利用寒暑假時間到企業(yè)進(jìn)行實習(xí)；在授課學(xué)期，加強(qiáng)教師指導(dǎo)，評估學(xué)生完成的項目方案，并邀請企業(yè)工程師為學(xué)生把關(guān)試驗設(shè)計環(huán)節(jié)，以及完成前期的相關(guān)培訓(xùn)，做到試驗教學(xué)與工程實踐真正無縫接軌，實現(xiàn)校企充分在線融合；甚至完成試驗后，還要求學(xué)生繼續(xù)深化相關(guān)知識學(xué)習(xí)，構(gòu)建完善的知識體系，可到合作企業(yè)進(jìn)行頂崗畢業(yè)實習(xí)，進(jìn)一步進(jìn)階為職場能手，努力打通學(xué)生從校園到職場能手“最后一公里”的知識與實踐通道，試驗方法框架如圖2 所示。

圖2 試驗方法框架

2.3 考核方式

考核方式作為結(jié)果導(dǎo)向的指揮棒，對試驗教學(xué)改革具有至關(guān)重要的作用，因此設(shè)計一個合理的考核方式顯得十分必要。為此，本文設(shè)計了“考勤（10%）+試驗設(shè)計及過程（70%）+試驗報告（20%）”考核方式，計算公式如式（2）所示。本考核方法增加了實踐能力考核占比，做到真正培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力，增強(qiáng)解決工程實踐問題的能力，突出對學(xué)生解決實踐工程能力的培養(yǎng)及考核，有助于提高學(xué)生的競爭力。

式中：S' 為新試驗教學(xué)方法的總試驗成績；S1' 為考勤成績；S2'為試驗設(shè)計及過程成績；S3'為試驗報告成績。

3 改革實施與效果分析

“工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)”是機(jī)械設(shè)計制造及其自動化、機(jī)械電子工程等專業(yè)的核心專業(yè)課程，對提高學(xué)生核心競爭力具有相當(dāng)大的作用。為了驗證試驗教學(xué)改革的成效，在2018 級機(jī)械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)、2018 級機(jī)械電子工程專業(yè)進(jìn)行實踐。選取2018級機(jī)械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)1～2 班，2018 級機(jī)械電子工程1 班（以上班級簡稱A 班），通過觀看視頻、PPT 以及邀請企業(yè)工程師入校園，現(xiàn)場講解相關(guān)知識等方式，精心選取無線充線圈貼膜、芯片盒貼標(biāo)、小塑件視覺分揀等企業(yè)工程項目為試驗內(nèi)容；將機(jī)器視覺知識與工業(yè)機(jī)器人技術(shù)緊密融合，緊貼工程實踐，將行業(yè)最新的技術(shù)融入試驗內(nèi)容中，實現(xiàn)校企在線深度融合；學(xué)習(xí)時間不再局限于試驗課程時間，采用提前預(yù)習(xí)，并外延至課后，乃至寒暑假等；學(xué)生對學(xué)習(xí)目標(biāo)明確，提前完成知識儲備，通過試驗項目強(qiáng)化自身解決工程實踐能力，課后進(jìn)一步深化，以達(dá)到職場能手的水平。而2018 級機(jī)械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)3～4 班，2018 級機(jī)械電子工程2 班（以上班級簡稱B班）仍然沿用單一的、驗證性的、教師機(jī)械式灌輸?shù)呐f試驗教學(xué)方式。分別從學(xué)生參與試驗的積極性、解決工程實踐能力、畢業(yè)后工資水平等三方面對新舊兩種教學(xué)模式進(jìn)行比較，結(jié)果如表1 所示。

表1 試驗教學(xué)改革效果對比

從表1 分析可知，采用新教學(xué)方式的學(xué)生，主動學(xué)習(xí)的積極性、綜合解決工程實踐能力以及薪資水平較舊教學(xué)方式都有大幅度的提升，效果顯著，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。

4 結(jié)論

1）“前導(dǎo)式預(yù)習(xí)+工程實踐項目”的試驗教學(xué)模式能夠順應(yīng)教育的基本規(guī)律，注重于“以教為中心”教育模式向“以學(xué)生為本”的轉(zhuǎn)變，強(qiáng)調(diào)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，更好發(fā)揮主觀能動性。實施過程中，學(xué)生能夠充分利用時間，除了課程學(xué)習(xí)時間，更把時間外延至寒暑假，更與畢業(yè)實習(xí)無縫連接，能成功打通校園與職業(yè)人的“最后一公里”通道，有利于學(xué)生激發(fā)并保持強(qiáng)烈的學(xué)習(xí)動機(jī)。

2）通過引入企業(yè)工程實踐項目，校企充分地在線有機(jī)融合，理論知識與工程實踐能力相輔相長，得到很好的鍛煉，使學(xué)生解決工程實踐的能力大增，樹立了自信心，進(jìn)一步促進(jìn)學(xué)生就業(yè)。因此，該試驗教學(xué)模式對應(yīng)用型本科院校的人才培養(yǎng)有非凡的參考意義。