基于“新工科”工程教育理念的協作工業機器人實訓教學模式探討

白雁力 盤資春 廖秋麗 李 姮

([1]桂林電子科技大學電子工程與自動化學院 廣西·桂林 5410042；[2]桂林電子科技大學教學實踐部 廣西·桂林 541004)

0 引言

“新工科”是教育部通過“復旦共識”和“天大行動”等一系列高等工程教育發展戰略研討會后提出的工程教育理念，隨著《“新工科”研究與實踐項目指南》的出臺，為提升工程教育對科技和產業革命適應性，高等學校提出了建設“一流本科”的計劃，通過工程認證等方式改進本科培養方案以促進“新工科”實施。因此，高等院校對學生的培養更加注重工程實踐能力的提升。

近年來，隨著科技創新的發展，協作機器人技術已逐漸深入到社會生活的各個領域，由于機器人技術涉及機械、電子、控制、傳感、仿生和人工智能等多學科交叉領域，因此符合“新工科”的“三新”（新興、新型和新生）理念要求。所以，在高校開設機器人課程，特別是滿足“新工科”理念的機器人實訓課程，不僅有助于新學科在本科培養體系中的融入和應用，而且對于提升學生具備解決復雜工程問題的能力以及團隊合作和項目管理能力具有重要的實踐意義。

在“新工科”建設背景下，本校將針對機械和電子類專業開設協作工業機器人實訓課程，為踐行工程教育理念，本文首先根據機器人實訓的特點，設定課程目標，然后探討機器人實訓的教學思路，最后根據課程目標和教學思路，探討一種能適應“新工科”工程教育理念的協作工業機器人實訓課程教學模式。

1 實訓教學目標

協作工業機器人實訓課程的教學，將學生分為不同小組，以協作工業機器人的基本原理、基本操作和應用設計為教學內容，采用理論解析、操作演示和項目教學等方法講授不同類型的實訓內容，在實訓教學過程中主要實現以下三個目標：

1.1 講授和實踐教學階段的體系化分層次實施

體系化分層次的實訓教學組織形式主要包括實訓布置、原理導學、協同合作、實訓成果檢驗和實訓應用拓展等五個階段。通過體系化分層實訓教學，初學者能將協作工業機器人基本理論和相關實踐串聯起來，構建相對完整的協作工業機器人應用設計知識框架。

1.2 實訓教學與工程應用互動

基于“新工科”的工程教育理念，促進協作工業機器人實訓與工程設計相結合，實現實訓和理論與實際應用的聯系。在實訓教學過程中，將工程應用案例和基本原理方法引入到實訓項目中，拓展學生視野，提升學生工程實踐能力和團隊協作能力。在實訓結束后，學生可以根據自身情況參與協作工業機器人應用設計的相關實踐，盡可能地為學生提供協作工業機器人應用的深度和廣度的延伸途徑，提高實訓教學質量。

1.3 因材施教，促進學生良性發展

在實訓教學過程中，通過因材施教將學生的知識和能力教育提升到一定高度，同時，根據每個學生的實訓進展進行定向和正確引導，使所有學生都能夠良性發展。

2 實訓教學思路和模式探討

協作工業機器人實訓教學思路基于“1：M：N”理念，其中“1”指1個課號，“M”指分為多個小組，“N”指每個小組的學生。“1：M：N”實訓教學模式以實訓目的為主導，構建實訓過程、目的、模式和內容的分層對應關系，根據每階段實訓過程的特點構建對應的實訓教學模式進行分類教學，注重每個實訓階段、每個實訓項目教學效果的最優化，以期提高學生的工程實踐能力。

基于“1：M：N”理念，協作工業機器人實訓的教學模式通過實訓任務布置、原理導學、協同合作、實訓成果檢驗和實訓應用拓展不同階段的教學模式實現，具體流程如圖1所示。

圖1：協作工業機器人實訓教學模式流程

2.1 實訓任務布置和原理導學階段

在實訓任務布置和原理導學階段，采用傳遞—接受教學模式，借助口授、板書和多媒體演示等多種方式，為學生說明實訓目標、階段和考核方式，以及與已學理論之間的聯系；而學生則在以教師主導講解的輕松氛圍中進行實訓課程的接受學習。此種實訓教學模式可以讓學生充分了解實訓的特點和意義，并有效地激發學生學習的興趣。

2.2 協同合作階段

在協同合作階段，學生將根據教師布置的任務和講解的內容，以小組為單位進行實訓，在該階段的實訓教學模式主要包括直接法、發現法、示范—模仿法、項目法和合作學習法。直接法教學模式采用簡單明了的方式直接把實訓過程中涉及到的知識點傳遞給學生，并且組織學生應用相關理論知識進行實踐項目，這樣有助于學生通過反復實踐掌握協作工業機器人的基本指令和應用技巧，為學生的后續復雜的實訓打好技術基礎；發現法教學模式是在教師啟發下，學生作為主體自覺主動地實踐協作工業機器人的應用編程方法，有助于培養學生解決問題的工程實踐能力。示范—模仿教學模式是指有目的地把協作工業機器人的相關操作指令和應用進行示范，使學生通過模仿有效地掌握實訓相關原理和內容，這樣有助于調動學生學習積極性和參與度。項目教學法以工程項目為實訓教學主線，學生獨立完成信息采集、程序設計、方案優化、項目實施和實訓最終評價，這樣通過實訓項目的完成，可充分培養學生項目管理能力和工程實踐能力。合作學習法是指學生以小團隊的形式共同完成實訓任務，通過小組分工負責制，培養學生團隊協作能力和解決復雜工程技術問題的興趣。

2.3 實訓成果檢驗

實訓成果檢驗階段主要采用討論法，學生在教師的指導下以小組討論的方式完成實訓成果的檢驗和評價工作，這樣可以發揮學生的主動性和積極性，同時，也有利于培養學生獨立思維能力、口頭表達能力和自我總結反思能力。

2.4 實訓應用拓展

為提升學生的工程實踐能力，學生根據自身學習情況，參與實訓應用拓展學習，在該階段將采用協同育人和個性化教學模式，主要由企業為指導教師及學生提供相關的技術指導與培訓，完成協作工業機器人實際應用的設計，并以此培育“大創”項目和學科競賽。

3 結論

基于“新工科”的工程教育理念，“1：M：N”的協作工業機器人實訓課程教學模式不僅有助于學生理論聯系實際，而且有利于學生深刻地掌握理論知識和培養創新工程能力，此外還能提高學生的團隊協作精神和解決復雜工程問題的能力。同時，該教學模式通過因材施教和實施難易不同的分工實訓教學，可以最大程度地促進每個學生實踐和創新能力的提升。