基于“新工科”工程教育理念的協(xié)作工業(yè)機器人實訓(xùn)教學(xué)模式探討

白雁力 盤資春 廖秋麗 李 姮

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

0 引言

“新工科”是教育部通過“復(fù)旦共識”和“天大行動”等一系列高等工程教育發(fā)展戰(zhàn)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(chǎn)業(yè)革命適應(yīng)性，高等學(xué)校提出了建設(shè)“一流本科”的計劃，通過工程認(rèn)證等方式改進本科培養(yǎng)方案以促進“新工科”實施。因此，高等院校對學(xué)生的培養(yǎng)更加注重工程實踐能力的提升。

近年來，隨著科技創(chuàng)新的發(fā)展，協(xié)作機器人技術(shù)已逐漸深入到社會生活的各個領(lǐng)域，由于機器人技術(shù)涉及機械、電子、控制、傳感、仿生和人工智能等多學(xué)科交叉領(lǐng)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(shè)機器人課程，特別是滿足“新工科”理念的機器人實訓(xùn)課程，不僅有助于新學(xué)科在本科培養(yǎng)體系中的融入和應(yīng)用，而且對于提升學(xué)生具備解決復(fù)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(shè)背景下，本校將針對機械和電子類專業(yè)開設(shè)協(xié)作工業(yè)機器人實訓(xùn)課程，為踐行工程教育理念，本文首先根據(jù)機器人實訓(xùn)的特點，設(shè)定課程目標(biāo)，然后探討機器人實訓(xùn)的教學(xué)思路，最后根據(jù)課程目標(biāo)和教學(xué)思路，探討一種能適應(yīng)“新工科”工程教育理念的協(xié)作工業(yè)機器人實訓(xùn)課程教學(xué)模式。

1 實訓(xùn)教學(xué)目標(biāo)

協(xié)作工業(yè)機器人實訓(xùn)課程的教學(xué)，將學(xué)生分為不同小組，以協(xié)作工業(yè)機器人的基本原理、基本操作和應(yīng)用設(shè)計為教學(xué)內(nèi)容，采用理論解析、操作演示和項目教學(xué)等方法講授不同類型的實訓(xùn)內(nèi)容，在實訓(xùn)教學(xué)過程中主要實現(xiàn)以下三個目標(biāo)：

1.1 講授和實踐教學(xué)階段的體系化分層次實施

體系化分層次的實訓(xùn)教學(xué)組織形式主要包括實訓(xùn)布置、原理導(dǎo)學(xué)、協(xié)同合作、實訓(xùn)成果檢驗和實訓(xùn)應(yīng)用拓展等五個階段。通過體系化分層實訓(xùn)教學(xué)，初學(xué)者能將協(xié)作工業(yè)機器人基本理論和相關(guān)實踐串聯(lián)起來，構(gòu)建相對完整的協(xié)作工業(yè)機器人應(yīng)用設(shè)計知識框架。

1.2 實訓(xùn)教學(xué)與工程應(yīng)用互動

基于“新工科”的工程教育理念，促進協(xié)作工業(yè)機器人實訓(xùn)與工程設(shè)計相結(jié)合，實現(xiàn)實訓(xùn)和理論與實際應(yīng)用的聯(lián)系。在實訓(xùn)教學(xué)過程中，將工程應(yīng)用案例和基本原理方法引入到實訓(xùn)項目中，拓展學(xué)生視野，提升學(xué)生工程實踐能力和團隊協(xié)作能力。在實訓(xùn)結(jié)束后，學(xué)生可以根據(jù)自身情況參與協(xié)作工業(yè)機器人應(yīng)用設(shè)計的相關(guān)實踐，盡可能地為學(xué)生提供協(xié)作工業(yè)機器人應(yīng)用的深度和廣度的延伸途徑，提高實訓(xùn)教學(xué)質(zhì)量。

1.3 因材施教，促進學(xué)生良性發(fā)展

在實訓(xùn)教學(xué)過程中，通過因材施教將學(xué)生的知識和能力教育提升到一定高度，同時，根據(jù)每個學(xué)生的實訓(xùn)進展進行定向和正確引導(dǎo)，使所有學(xué)生都能夠良性發(fā)展。

2 實訓(xùn)教學(xué)思路和模式探討

協(xié)作工業(yè)機器人實訓(xùn)教學(xué)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(xué)生?！?：M：N”實訓(xùn)教學(xué)模式以實訓(xùn)目的為主導(dǎo)，構(gòu)建實訓(xùn)過程、目的、模式和內(nèi)容的分層對應(yīng)關(guān)系，根據(jù)每階段實訓(xùn)過程的特點構(gòu)建對應(yīng)的實訓(xùn)教學(xué)模式進行分類教學(xué)，注重每個實訓(xùn)階段、每個實訓(xùn)項目教學(xué)效果的最優(yōu)化，以期提高學(xué)生的工程實踐能力。

基于“1：M：N”理念，協(xié)作工業(yè)機器人實訓(xùn)的教學(xué)模式通過實訓(xùn)任務(wù)布置、原理導(dǎo)學(xué)、協(xié)同合作、實訓(xùn)成果檢驗和實訓(xùn)應(yīng)用拓展不同階段的教學(xué)模式實現(xiàn)，具體流程如圖1所示。

圖1：協(xié)作工業(yè)機器人實訓(xùn)教學(xué)模式流程

2.1 實訓(xùn)任務(wù)布置和原理導(dǎo)學(xué)階段

在實訓(xùn)任務(wù)布置和原理導(dǎo)學(xué)階段，采用傳遞—接受教學(xué)模式，借助口授、板書和多媒體演示等多種方式，為學(xué)生說明實訓(xùn)目標(biāo)、階段和考核方式，以及與已學(xué)理論之間的聯(lián)系；而學(xué)生則在以教師主導(dǎo)講解的輕松氛圍中進行實訓(xùn)課程的接受學(xué)習(xí)。此種實訓(xùn)教學(xué)模式可以讓學(xué)生充分了解實訓(xùn)的特點和意義，并有效地激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。

2.2 協(xié)同合作階段

在協(xié)同合作階段，學(xué)生將根據(jù)教師布置的任務(wù)和講解的內(nèi)容，以小組為單位進行實訓(xùn)，在該階段的實訓(xùn)教學(xué)模式主要包括直接法、發(fā)現(xiàn)法、示范—模仿法、項目法和合作學(xué)習(xí)法。直接法教學(xué)模式采用簡單明了的方式直接把實訓(xùn)過程中涉及到的知識點傳遞給學(xué)生，并且組織學(xué)生應(yīng)用相關(guān)理論知識進行實踐項目，這樣有助于學(xué)生通過反復(fù)實踐掌握協(xié)作工業(yè)機器人的基本指令和應(yīng)用技巧，為學(xué)生的后續(xù)復(fù)雜的實訓(xùn)打好技術(shù)基礎(chǔ)；發(fā)現(xiàn)法教學(xué)模式是在教師啟發(fā)下，學(xué)生作為主體自覺主動地實踐協(xié)作工業(yè)機器人的應(yīng)用編程方法，有助于培養(yǎng)學(xué)生解決問題的工程實踐能力。示范—模仿教學(xué)模式是指有目的地把協(xié)作工業(yè)機器人的相關(guān)操作指令和應(yīng)用進行示范，使學(xué)生通過模仿有效地掌握實訓(xùn)相關(guān)原理和內(nèi)容，這樣有助于調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)積極性和參與度。項目教學(xué)法以工程項目為實訓(xùn)教學(xué)主線，學(xué)生獨立完成信息采集、程序設(shè)計、方案優(yōu)化、項目實施和實訓(xùn)最終評價，這樣通過實訓(xùn)項目的完成，可充分培養(yǎng)學(xué)生項目管理能力和工程實踐能力。合作學(xué)習(xí)法是指學(xué)生以小團隊的形式共同完成實訓(xùn)任務(wù)，通過小組分工負(fù)責(zé)制，培養(yǎng)學(xué)生團隊協(xié)作能力和解決復(fù)雜工程技術(shù)問題的興趣。

2.3 實訓(xùn)成果檢驗

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

2.4 實訓(xùn)應(yīng)用拓展

為提升學(xué)生的工程實踐能力，學(xué)生根據(jù)自身學(xué)習(xí)情況，參與實訓(xùn)應(yīng)用拓展學(xué)習(xí)，在該階段將采用協(xié)同育人和個性化教學(xué)模式，主要由企業(yè)為指導(dǎo)教師及學(xué)生提供相關(guān)的技術(shù)指導(dǎo)與培訓(xùn)，完成協(xié)作工業(yè)機器人實際應(yīng)用的設(shè)計，并以此培育“大創(chuàng)”項目和學(xué)科競賽。

3 結(jié)論

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