新工科背景下“工業機器人技術基礎”試驗教學改革與實踐★

黃廣偉，張攀峰

（東莞城市學院智能制造學院，廣東 東莞 523419）

0 引言

教育部于2017 年啟動新工科專業建設，相繼形成了“復旦共識”“天大行動”和“北京指南”等綱領性文件[1-2]。新工科建設以繼承與創新、交叉和融合、協調與共享為途徑，培養適應科技改革、具有實踐能力和創新能力的復合型高素質新工科人才[3]。新工科倡導以學生為中心、以產出為導向、持續改進的教育理念，強調培養學生解決復雜工程問題的能力。新工科建設，不僅創建了一批新型工科專業，同時對傳統工科專業進行升級改造，實現多學科多專業融合發展，強化學生實踐綜合能力培養。同時隨著“互聯網+”、大數據、人工智能、智能制造等新技術與新產業的深入發展，全社會迫切需要一大批創新意識強、動手能力強、綜合素質高、學科視野寬的復合型高素質人才。因此對“工業機器人”的功能提出了更高的要求，要求其與機器視覺等多學科進一步融合，并進行深層次“AI+”賦能。

本文根據新工科要求，針對“工業機器人技術基礎”傳統試驗教學過程中存在的問題，提出了“前導式預習+工程實踐項目”的試驗教學模式，引入企業實際工程項目作為試驗內容，以工程項目為驅動，以解決實際工程需求為結果導向，并將試驗時間外延至寒暑假，學生利用假期或空閑時間參與企業的工程項目，甚至畢業實習也在合作企業頂崗實習，由此形成了完整的工程實踐訓練閉環鏈，增強了學生學習的自主性、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”，為應用型本科大學試驗教學改革提供了參考。

1 存在的問題

傳統的“工業機器人技術基礎”試驗教學以驗證性、演示性試驗為主，缺少創新性、設計性、綜合性試驗，試驗內容多年不更新，與工程實踐脫節，內容陳舊，不符合時代發展需求；教學方法呆板、教條化，以教師為主，幾乎采用機械式灌輸，學生興趣與主觀能動性難以調動，教學方法跟不上時代發展；考核方式則多以試驗報告成績為主，難以反映出學生的真實水平。總之，存在教學內容陳舊、教學方法落后、考核方式單一等問題。

1.1 教學內容陳舊

目前“工業機器人技術基礎”試驗內容基本上以演示性與驗證性試驗居多，內容呈現孤立性、脫節性等特點。試驗內容僅局限于工業機器人本身范疇，缺少與其他學科的融合，只能完成工業機器人最基本的試驗教學，缺少綜合性和統一性，試驗內容與產業要求和技術的最新發展關聯性不強；未能滿足新工科提出的“問技術發展改教學內容”的要求，阻礙了新技術與專業領域新知識的融入；試驗教學當中，行業對人才培養的最新要求也未能及時引入試驗教學過程中。教學效果與質量難以保證，不能滿足新工科對實踐性專業工程人才的要求。

1.2 教學方法落后

目前“工業機器人技術基礎”試驗教學方法相對固化，一般是采用理論教學的方式來進行試驗課程的教學[4-5]。其流程基本上是試驗教師先對試驗原理、試驗設備進行講解，然后學生按照試驗指導書的要求進行試驗任務的布置，并按試驗指導書上步驟進行試驗，驗證或觀察試驗結果。試驗過程中學生基本上是處于一種被動做試驗的狀態，處于機械式接受、灌輸式的學習狀態，缺乏主動性。學生只要按照試驗指導書的基本步驟進行操作，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果。該教學模式無法培養學生自主性與創造性能力，反而會促使學生養成不求甚解、懶惰，甚至得過且過的試驗態度，缺少能引導學生獨立思考或延伸理論知識的試驗任務，難以激發學生的學習興趣與求知欲望，會對學生今后的學習及科研生涯產生一定的危害。因此，有必要構建一種新的試驗教學方法，該方法不但要利于激發學生試驗興趣，還要促使學生主動參與試驗教學，并激發學生自主學習的內動力。

1.3 考核方式單一

目前“工業機器人技術基礎”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教師根據報告內容以及學生在課堂上的表現進行評定，且以試驗報告為主，學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，無法激發學生學習熱情，學生只是被動地完成試驗任務，最終試驗成績并不能真正反映學生的試驗實踐能力，顯然此考核方法已不符合新工科對應用型人才專業素養培養的要求。

式中：S 為傳統試驗教學方法的總試驗成績；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狀，根據新工科要求，引入工程實踐理念，采用多學科交叉融合的方式，構建了以培養學生自主解決工程問題能力為導向、“前導式預習+工程實踐項目”的試驗教學模式；突出應用型人才培養要求，從試驗內容、試驗方法、考核方式三個方面進行了改革。

2.1 試驗內容

根據新工科對工程實踐能力要求，注重多學科有機交叉融合，與東莞某智能視覺科技公司開展人才培養合作。試驗內容框架如圖1 所示，引入該企業實際工程項目作為試驗內容，將機器視覺內容引入工業機器人試驗中，有機地將工業機器人知識、機器視覺知識、PLC 知識進行多角度多層次的融合，以培養學生解決工程實踐問題的能力。

圖1 試驗內容框架

2.2 試驗方法

根據新工科突出自主解決工程實踐能力的要求，構建“前導式預習+工程實踐項目”的試驗教學模式。它是在項目導向教學模式的基礎上，提倡合理選擇企業工程實踐項目作為試驗內容；試驗前通過視頻或邀請企業工程師進校園（課堂）方式向學生介紹課程試驗具體內容以及所需要的知識儲備、技術應用領域、應用價值等，從而激發學生的求知欲及興致，誘導學生利用業余時間提前介入試驗工程項目學習，甚至利用寒暑假時間到企業進行實習；在授課學期，加強教師指導，評估學生完成的項目方案，并邀請企業工程師為學生把關試驗設計環節，以及完成前期的相關培訓，做到試驗教學與工程實踐真正無縫接軌，實現校企充分在線融合；甚至完成試驗后，還要求學生繼續深化相關知識學習，構建完善的知識體系，可到合作企業進行頂崗畢業實習，進一步進階為職場能手，努力打通學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

考核方式作為結果導向的指揮棒，對試驗教學改革具有至關重要的作用，因此設計一個合理的考核方式顯得十分必要。為此，本文設計了“考勤（10%）+試驗設計及過程（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，做到真正培養學生的實踐能力，增強解決工程實踐問題的能力，突出對學生解決實踐工程能力的培養及考核，有助于提高學生的競爭力。

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

3 改革實施與效果分析

“工業機器人技術基礎”是機械設計制造及其自動化、機械電子工程等專業的核心專業課程，對提高學生核心競爭力具有相當大的作用。為了驗證試驗教學改革的成效，在2018 級機械設計制造及其自動化專業、2018 級機械電子工程專業進行實踐。選取2018級機械設計制造及其自動化專業1～2 班，2018 級機械電子工程1 班（以上班級簡稱A 班），通過觀看視頻、PPT 以及邀請企業工程師入校園，現場講解相關知識等方式，精心選取無線充線圈貼膜、芯片盒貼標、小塑件視覺分揀等企業工程項目為試驗內容；將機器視覺知識與工業機器人技術緊密融合，緊貼工程實踐，將行業最新的技術融入試驗內容中，實現校企在線深度融合；學習時間不再局限于試驗課程時間，采用提前預習，并外延至課后，乃至寒暑假等；學生對學習目標明確，提前完成知識儲備，通過試驗項目強化自身解決工程實踐能力，課后進一步深化，以達到職場能手的水平。而2018 級機械設計制造及其自動化專業3～4 班，2018 級機械電子工程2 班（以上班級簡稱B班）仍然沿用單一的、驗證性的、教師機械式灌輸的舊試驗教學方式。分別從學生參與試驗的積極性、解決工程實踐能力、畢業后工資水平等三方面對新舊兩種教學模式進行比較，結果如表1 所示。

表1 試驗教學改革效果對比

從表1 分析可知，采用新教學方式的學生，主動學習的積極性、綜合解決工程實踐能力以及薪資水平較舊教學方式都有大幅度的提升，效果顯著，達到了預期的目標。

4 結論

1）“前導式預習+工程實踐項目”的試驗教學模式能夠順應教育的基本規律，注重于“以教為中心”教育模式向“以學生為本”的轉變，強調學生學習的主動性，更好發揮主觀能動性。實施過程中，學生能夠充分利用時間，除了課程學習時間，更把時間外延至寒暑假，更與畢業實習無縫連接，能成功打通校園與職業人的“最后一公里”通道，有利于學生激發并保持強烈的學習動機。

2）通過引入企業工程實踐項目，校企充分地在線有機融合，理論知識與工程實踐能力相輔相長，得到很好的鍛煉，使學生解決工程實踐的能力大增，樹立了自信心，進一步促進學生就業。因此，該試驗教學模式對應用型本科院校的人才培養有非凡的參考意義。