应用型本科机器人工程专业课程教学改革实施方案探索
时间：2023-01-23 08:00:04 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
窦耀，张玉凤，玉尖香，朱慧
（江苏师范大学科文学院，江苏徐州 221000）
随着我国经济社会快速发展，为应对技术革新，各行业都处于产业升级和技术突破阶段。2021年12月，工信部、国家发展改革委等15个部门印发《“十四五”机器人产业发展规划》，提出到2025年，我国将成为全球机器人技术创新策源地、高端制造集聚地和集成应用新高地；
2021年12月，工信部、国家发展改革委等8部门印发《“十四五”智能制造发展规划》，提出到2035年，规模以上制造业企业全面普及数字化。机器人工程专业为社会提供专业的复合型技术人才，兼具工程实践能力、创新能力，各高校在新工科背景下，积极推动机器人工程专业建设，促进我国产业技术升级，具有重要意义。
机器人工程专业涉及不同学科知识，是融合电气、机械、控制、通信、传感等于一体的交叉学科。在此过程中，需要将传统的自动化专业课程与机器人行业知识相结合，建立完整的面向实践、面向工程、面向企业生产应用的课程教学体系。该体系中专业基础课程理论要求高、课程综合性强、难度系数大[1]。目前各高校对于机器人工程专业的课程教学和人才培养仍然处探索阶段，在实际教学过程中存在如下问题：
（1）培养目标不够明确。机器人工程肩负着新工科建设和交叉学科建设“内涵和外延协同发展”的重要任务，其研究定势、学科定位、课程边界、知识结构均没有规范化，不仅如此，各高校基于专业特色及学科发展，对于机器人工程的专业定位也不尽相同，其分属院系包括机械学院、自动化学院、计算机学院，甚至以该专业主体单独作为一个二级学院，专业特色不够明晰，培养目标凝练不足。
（2）课程结构不成体系。各高校对于机器人工程培养目标定位不同，导致课程设置大相径庭，人才培养方案中的通识课、专业基础课、专业主干课、专业选修课、实践课设置不合理，课程学分及课时设置比例不协调，部分课程与企业生产实践脱钩。
（3）师资力量和教学资源不够集中。目前部分开设机器人工程专业的高校在专业建设中基本采用其他相近专业的师资力量与教学资源，如各类实践课程教学平台与其他专业共用、师资配比不足、专业教材不成体系、教学管理制度不够完善，难以完成既定人才培养目标。
本文以应用型本科院校机器人工程专业及相近学科专业人才培养方案为理论支撑，以培养新工科高等教育人才为目标，遵循学科发展和人才培养规律，积极探索机器人专业课程教学改革实施方案，提出加强项目驱动式课程的学生实践能力培养、形成具有鲜明特色的专业课程体系、通过多元化教学方式改善机器人专业课程教学效果三项课程教学改革方案，为促进应用型本科技术人才教育提供理论依据。
根据各工程类企业人事聘用相关要求，对研究型本科院校、应用型本科院校、高职高专院校的人才培养目标和内容作了不同界定，具体见表1，其中，应用型本科院校机器人工程专业培养目标为既要完成研究型人才的部分学习研究能力培养，又要兼顾技能型人才的部分相关技能提高[2]。基于此，应用型本科院校机器人工程专业人才培养定位下的学生在毕业时预期应达到如下目标：
表1 不同类型高校针对机器人工程专业人才培养目标区别
（1）具备较强的人文知识素养，遵守企业制定的行业标准和职业道德，积极参与生产劳动，了解与本专业相关的法律、法规知识，熟悉各相关部门出台的有关方针、政策。
（2）能在生产、操作、运维等方面，通过自身所学的专业知识和实践技能，解决岗位面临的工程应用问题，掌握设备及生产运行原理，能够提炼出新知识、新方法，具有核心竞争力。
（3）基本掌握一门外国语，能够紧跟本专业领域的前沿科技，具有一定的文字功底和语言表达能力，可以熟练操作计算机，至少掌握一种仿真工具的实用技能[3]。
（4）掌握检索国内外文献、查询书籍资料及运用现代信息技术获取行业知识的基本方法，能够应对行业和企业产业技术升级的挑战，具有终生学习能力，不断提高自身的理论水平和实践能力。
基于此，应用型高校在修订机器人工程专业的人才培养方案时，应根据专业特色、教学大纲、学生基础等因素优化教学目标、教学内容、教学方法等方面的细则，以适应市场需求变化，具体人才培养目标如下：以培养应用复合型人才为主导，兼顾创新型人才培养目标，具有良好的职业道德，具有较强的身体和心理素质，富有进取精神与创新能力。能够使用数学、计算机等工程类辅助工具，具备扎实的机械、电气、信息、控制、计算机、人工智能算法等多学科交叉基础知识，系统地掌握机器人有关技术的基础理论和专业技能，凭借查阅文献及实地调研等手段，可以对复杂工程实践问题进行系统化建模和仿真处理，并获得有效结论[4]。
2.1 加强项目驱动式课程的学生实践能力培养
在实验、实训、课程设计、实习等实践类课程中，充分发挥实践课程对学生专业素质和实践能力培养的作用，树立“面向实践、面向生产、面向企业”“以企业生产为导向”“增强服务意识、加强专业能力”等相关教育理念，提高项目驱动式课程的含金量，即参照企业项目工程进度和管理要求，进一步明确学习目标[5]，如表2所示，以某一机器人本体为研究目标，将其中具体的研究对象如机械设备、控制器、传感器、编译程序等课程内容分解到各课程项目中，形成一系列具有项目驱动式课程的课程群，最终达到提升学生实践能力的培养目标。
表2 项目驱动式课程项目设计范例
以理论教学为基础和以实践操作为载体的创新能力培养是高等院校新工科教学改革的重要特征，课程群的建立增强了理论和实践教学之间的知识结构连接关系，使不同课程之间的知识体系衔接得更加紧密，课程资源更加丰富，达到理论教学与实践教学相互渗透、融合并重的教学效果，通过完成一系列课程项目，提升了学生对理论知识的理解，同时也培养了学生的职业素养。
2.2 形成具有鲜明特色的专业课程体系
专业课程体系的建立，需要满足一系列的软硬件条件并通过专家的审议及评估，这其中包括课程大纲的编写和修订、企业参与人才培养方案的设计、实验室提供配套设施、毕业条件中对于各课程的具体要求等，同时，还需要考虑各课程之间的连接关系和知识边界，形成分层次、有内容、相互协同的知识体系，如图1所示，机器人工程专业相比传统相近专业的知识边界，其具体内容更加丰富，应用场景更加广泛，最终形成由“通识课、专业基础课、专业主干课、专业选修课”构成的理论课程体系[6-7]，形成由“实验、实训、课程设计、生产实习”构成的实践课程体系，形成包含“项目驱动式课程教学、企业参与过程培养、丰富的课程群建设”的人才培养课程体系，构建出“专业知识、学习能力、综合素养”协调发展的人才培养目标。
图1 机器人专业与传统相近专业知识边界对比
2.3 通过多元化教学方式改善机器人专业课程教学效果
2.3.1 利用数智化课程资源，提升理实一体化教学效果
引入虚拟教学场景、VR虚拟样机、AR远程专家系统等数智化教学系统，不断加强现实与虚拟现实技术（AR/VR）在高校机器人专业实践教学中的应用。采用“网络教学资源+教学平台直播+学生教学效果反馈数据”相结合方式，活跃课堂氛围，提升机器人专业课程理实一体化教学效果[8]。运用在线教学平台收集的教学过程大数据资源，分析机器人专业教学过程中的重难点，在线上教学期间，线上教学成为常态化教学的一种模式，微课、慕课等数智化课程资源更是被充分运用在各类课程的教学环节中，体现了现代信息技术在机器人专业教学过程中的发展和应用。
2.3.2 加强专业课程教学模式改革，推动创新能力发展
当前机器人专业教学模式还在探索阶段，各高校需进一步整合资源，加大对专业建设的投入，立足地方实体经济产业，依照地方产业需求，积极开展校企合作共建，加强产教研实习基地建设，构建具有企业生产特征的专业课程体系，形成应用型企业合作办学培养模式,如图2所示，该课程体系以机电类课程为知识架构基础，以机器人系统集成为专业方向，形成带有鲜明机器人元素的课程体系。同时，在人才培养方案中增加科研训练、创新活动课程及相应学分，打破学科专业限制，开展大学生创新创业计划，让学生不断树立创新意识，培养创新实践能力。
图2 机器人工程专业课程体系简图
2.3.3 改进课程考核标准，增强学生综合能力和团队协作能力
参照企业项目生产和研发流程，建立较为完善的课程考核标准，根据“市场需求分析-可行性分析-技术报告-产品说明书”项目生产研发过程整体思路[9]，综合评价学生在教学过程中的学习能力，提高实践教学过程中学生“实际作品完成度”考核占比，增加“团队协作”考核模块占比，鼓励学生积极争取“思维创新”考核分数，形成“构思-设计-实践-检验”的教学理念。不断加强专业课程内容配套实践训练，如单片机及嵌入式系统实训、电气控制及PLC技术综合实训、计算机辅助设计软件实训、工业机器人装调实训、机器人集成应用综合实训、电子技术综合实训、机电系统综合实训[10-11]等，切实符合行业生产要求。
2.3.4 完善实践教学平台，夯实“机器人+”智能化资源基础
对机器人工程专业实验室进行充实和拓展，依托无人机、AlphaGo、机械手臂、3D打印机、特种加工机器人、机器视觉设备等具备智能化控制技术的实验设备[12]，使教学实验、实践环节符合实际应用场景，完善工业机器人实践教学环境，同时通过“机器人+”智能化基础，增强学生学科竞赛能力，鼓励学生参加高质量大赛，如全国大学生机器人大赛、中国高校智能机器人创意大赛、“西门子杯”中国智能制造挑战赛、“圆梦天使”杯国际空中机器人大赛[13-14]等，引导学生了解机器人系统代码编译开源化、机器人硬件设备控制模块化，提高学生就业核心竞争力。
综上所述，应用型本科高校应积极探索适合本校专业特色的课程教学改革实施方案，面对培养目标不够明确、课程结构不成体系、师资力量和教学资源不够集中等教学问题，应大力推动机器人工程专业建设，努力构建面向实践、面向工程、面向企业生产应用的课程教学体系，大胆尝试如以项目驱动式课程促进学生实践能力培养、形成具有鲜明特色的专业课程体系、通过多元化教学方式改善机器人专业课程教学效果等课程教学改革方案，促进学生专业能力和综合素质全面发展，为社会培养具有专业实践能力的优秀人才。
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