基于機器人技術(shù)產(chǎn)教融合的工程訓(xùn)練實踐教學(xué)研究

龍彥澤 李頌華 王永華 張嘯塵 陸 峰

（沈陽建筑大學(xué) 遼寧沈陽 110168)

一、現(xiàn)行高校工程教學(xué)存在的問題

我國確實已經(jīng)成為工程教育規(guī)模世界上較大的國家，無論在校生的規(guī)模還是畢業(yè)生人數(shù)都高居世界前列。本科工程教育作為高等教育體系重要的一部分，為我國的經(jīng)濟發(fā)展和社會進步培養(yǎng)了大量工程科技人才，取得的成績是有目共睹的。然而，隨著我國經(jīng)濟社會、科學(xué)技術(shù)和高等教育的快速發(fā)展，工程科技人才就業(yè)市場發(fā)生了巨大變化，人才的結(jié)構(gòu)和質(zhì)量規(guī)格均無法滿足社會和產(chǎn)業(yè)界的需要。在新的形勢下，全球化、創(chuàng)新經(jīng)濟、工程復(fù)雜性以及人類可持續(xù)發(fā)展面臨的一系列問題，也給我國的工程教育提出了新的挑戰(zhàn)。重點大學(xué)本科工程教育越來越表現(xiàn)出不適應(yīng)性。從學(xué)生的表現(xiàn)來看，他們在工程實踐能力、人文情懷、可持續(xù)發(fā)展能力、跨文化溝通能力等方面尤為欠缺。

二、新工科下的機器人技術(shù)實踐特色教學(xué)人才培養(yǎng)

系統(tǒng)引入國外開展機器人學(xué)科教學(xué)比較早、成果卓著的高校的經(jīng)驗，結(jié)合國內(nèi)高等教育機制，在中科院院士帶領(lǐng)的專家顧問團隊的指導(dǎo)下，經(jīng)過廣泛調(diào)研，將機器人工程專業(yè)劃分為四個培養(yǎng)方向，即：機器人機電系統(tǒng)；機器人運動學(xué)、動力學(xué)及控制；機器視覺及機器人感知技術(shù)；人工智能應(yīng)用。作為一個新工科方向，將以自主移動智能機器人為平臺帶來一系列的新技術(shù)、新知識，它們成為機器人工程專業(yè)的核心課程。而工程訓(xùn)練實踐課程，主要通過機器人課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握各類元器件的工作原理，通過對標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)件、傳感器、執(zhí)行件等的任意組合，完成課程設(shè)定的實訓(xùn)內(nèi)容。

同時在課程設(shè)置過程中，可以有意識地培養(yǎng)學(xué)生在各個方向上的理論及實踐知識的掌握。機器人機電系統(tǒng)方向主要培養(yǎng)學(xué)生的機器人機械系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)的控制與運行；運動學(xué)動力學(xué)與控制方向主要要求掌握機器人的運動學(xué)、動力學(xué)以及控制知識；機器視覺與傳感器融合方向主要培養(yǎng)學(xué)生的視覺處理，傳感器與視覺的融合知識；人工智能應(yīng)用方向主要培養(yǎng)學(xué)生基于視覺傳感器的控制算法、機器學(xué)習(xí)等內(nèi)容。

三、新工科下的機器人技術(shù)實踐特色教學(xué)方式

教學(xué)項目“設(shè)置”。即將學(xué)生分組稱之為項目團隊，各團隊不少于5名學(xué)生，學(xué)生的特長、興趣最好不同。各團隊成員自主研討、協(xié)作實現(xiàn)一個項目任務(wù)目標(biāo)，包括知識準(zhǔn)備、方案設(shè)計、項目實施、項目評價等各環(huán)節(jié)，都由學(xué)生自主完成，教師僅在其中做引導(dǎo)工作。項目首先要求解決某個生產(chǎn)、生活中可能出現(xiàn)的實際問題；其次需要各團隊思考如何將項目成果轉(zhuǎn)化具有實際的商業(yè)價值，制定創(chuàng)業(yè)項目提出詳細的計劃書；然后向教師和廣大同學(xué)以及企業(yè)代表路演。項目由學(xué)校與合作企業(yè)經(jīng)廣泛調(diào)研、共同討論確立，或來自于企業(yè)在生產(chǎn)中遇到的實際問題；或來自于學(xué)科競賽、創(chuàng)新競賽；或來自于國家、省部級的科研項目。學(xué)生在完成項目的過程中來學(xué)習(xí)培養(yǎng)計劃所要求的課程內(nèi)容。

四、新工科下的機器人技術(shù)實踐特色教學(xué)師資建設(shè)

培訓(xùn)學(xué)生，教師先行。學(xué)生的學(xué)習(xí)成績很大程度上取決于教師的知識和實踐能力水平，因此對教師的工程能力的培養(yǎng)極其重要。在進行教師課程培訓(xùn)時，培養(yǎng)解決實際工程問題的系統(tǒng)化訓(xùn)練，具備綜合利用專業(yè)知識和科學(xué)實踐方法準(zhǔn)確解決實際問題的能力。教師的培訓(xùn)與學(xué)生的培訓(xùn)不同，原因在于教師的知識儲備及見識豐富，應(yīng)該側(cè)重于工程實踐能力的培養(yǎng)，將學(xué)生進行工程訓(xùn)練所能遇到的問題考慮全面。在一些重要環(huán)節(jié)中設(shè)置相應(yīng)的思考題目，使學(xué)生對此步驟印象更加深刻，并可以通過這些思考題目，讓學(xué)生產(chǎn)生創(chuàng)新思路，使教師對知識的應(yīng)用達到深入淺出，才可以對學(xué)生進行全面的工程培訓(xùn)。

師資力量的提高、師資隊伍的建設(shè)遵從“請進來，走出去”的原則，校企緊密合作。1.師資培訓(xùn)會。利用每年暑期，定期舉辦集中式的師資培訓(xùn)會，為期3～5天。在人工智能、機器學(xué)習(xí)、運動學(xué)、動力學(xué)、控制方法、機器視覺、傳感器融合等學(xué)科方向開展示教，了解企業(yè)的崗位技能需求，從而明確人才培養(yǎng)的重點方向。2.教師在企業(yè)實崗進修。院校不定期派遣專業(yè)教師至企業(yè)當(dāng)中，在實際工作崗位上與企業(yè)人員一起參與開發(fā)、生產(chǎn)實際過程，切身體驗技術(shù)的實際應(yīng)用。3.企業(yè)骨干進入院校兼職。院校聘請企業(yè)骨干人員作為校外指導(dǎo)教師、兼職教師、特聘教授等身份，直接參與授課環(huán)節(jié)，將企業(yè)的實踐經(jīng)驗與課堂傳授無縫結(jié)合。

五、新工科下的機器人技術(shù)實踐特色教學(xué)實驗室建設(shè)

計劃建設(shè)實驗室主要應(yīng)用于人工智能學(xué)院機器人工程專業(yè)實驗教學(xué)，同時承擔(dān)科研項目部分任務(wù)，還可用于本科生畢業(yè)設(shè)計等實踐教學(xué)活動，以及開展大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)活動。根據(jù)工程訓(xùn)練教學(xué)實踐教學(xué)體系要求，針對學(xué)生教學(xué)課程開設(shè)如下課程：例如機器人運動學(xué)與控制、輪式機器人運動規(guī)劃、多足機器人運動規(guī)劃、機器視覺與傳感器融合技術(shù)、機器學(xué)習(xí)與深度學(xué)習(xí)。以機器人運動學(xué)和控制實驗內(nèi)容為例，進行課程內(nèi)容和實驗介紹。

六、本科教學(xué)的分年度循環(huán)學(xué)習(xí)

在本科學(xué)生進行工程實踐能力培養(yǎng)過程中，大一應(yīng)該多進行基本數(shù)理知識和計算機知識的培養(yǎng)，了解機械行業(yè)概況及當(dāng)前的先進制造技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，具備專業(yè)學(xué)習(xí)能力，在進行工程實踐培訓(xùn)時應(yīng)該側(cè)重基礎(chǔ)原理性的培養(yǎng)，讓學(xué)生達到了解的程度；大二掌握機械零件、機械結(jié)構(gòu)和機械設(shè)備的工作原理，具備準(zhǔn)確地識圖和制圖的能力，具備較為扎實的先進制造技術(shù)有關(guān)的專業(yè)基礎(chǔ)理論和知識，讓學(xué)生達到掌握基礎(chǔ)知識的能力[1-5]；大三掌握金屬材料的特征和機械制造加工工藝，熟悉計算機輔助設(shè)計制造的流程和核心技術(shù)，具備利用工程語言初步分析問題和進行專業(yè)表達的能力，讓學(xué)生達到具備機械工程實踐能力；大四在完成畢業(yè)設(shè)計的同時，通過多種現(xiàn)行機器人相關(guān)產(chǎn)品進行拆裝測繪，形成生產(chǎn)圖紙，工藝文件，并完成新的控制系統(tǒng)及其學(xué)科涉及專業(yè)進行設(shè)計，培養(yǎng)具備綜合利用專業(yè)知識和科學(xué)實踐方法準(zhǔn)確解決實際問題的能力[6-8]。