構建融入OBE 理念的機器人工程專業實踐教學課程體系*

唐振宇 蘇發

廣州航海學院船舶與海洋工程學院 廣州 510725

0 引言

OBE（Outcome-Based Education）理念被認為是教學改革的正確方向，最早是由美國的Spady 于1981 年率先提出。在美國、英國、馬來西亞、中國香港等高校得到廣泛的應用，提出了相關的學習成果標準，產出導向教育成了各個國家的主流教育教學理念[1-2]。我國大學擴招后，大學教育質量跟不上擴招的速度，高等教育內卷化現象嚴重。教育部于2018 年發布了《普通高等學校本科專業類教學質量國家標準》[3]和《加快建設高水平本科教育全面提高人才培養能力的意見》[4]，2019 年啟動了《一流本科專業建設“雙萬計劃”》[5]。我國發布的這一系列的政策導向，均突出了“以學生為中心、以學習成果為導向、持續不斷改進完善”的OBE 理念，強調了全面振興本科教育，培養一流人才，實現高等教育內涵式發展[6-7]。

機器人工程是典型的多學科交叉的新工科專業，代表著人工智能等先進技術應用的發展方向[8]。在我國實施“中國制造2025”的制造強國戰略時代背景下，機器人行業人才缺口巨大，同時存在人才結構性過剩與短缺并存等現象，究其原因，高校產教融合不深入、課程體系中實踐環節薄弱等一系列突出問題亟待解決[9-10]。

1 機器人工程專業實踐教學體系存在問題

機器人工程專業作為廣州航海學院新增的新工科專業，學校傳統教學模式一直都非常重視實踐教學，要求理論指導實踐，實際教學過程中，通常是以理論教學為主，動手實踐為輔，教師通常占據主導地位，學生則多是在被動地學習，即使教學部門不斷地修正人才培養方案和教學計劃，修訂課程內容，變換教學方法形式，增加教學實踐時間，經過大量的教學改革，教學實際效果并沒有多大變化。

經過多次研討和長期觀察得出教學環境單一、課堂教學手段陳舊缺少變化和課程設計傳統缺少新意等因素造成了學生學習主動性缺失，尤其是教學內容單調和考核標準單一等因素忽視了學生個體差異性，很難做到因材施教。特別在實踐教學環節中，學生按照定式的實驗操作規程得出實驗結論，學生缺乏獨立思考的機會和發揮創新思維的空間，整個實踐過程只是為了完成學分，那么我們培養的學生與社會所需的應用型人才將脫節。所以，學校實踐教學是教學過程中的薄弱環節，經過長期對實踐教學實施過程的觀察和反復思考后得出，實踐教學存在以下問題：

1）對實踐教學的實用性、拓展性認識不夠。科學知識、動手能力、創新思維來源于實踐，學生素質的培養更加需要實踐。

2）實踐教學所需軟硬件條件的建設不足。學校實驗室建設資金通常滿足不了先進實驗室的建設需求，同樣很少有企業愿意與學校共建實驗室。

3）實驗項目設計與企業脫節。由于建設實驗室時設計的實驗項目不科學，與實際生產脫節，學生即使完成了實踐任務，對學生的就業幫助不大，反而浪費了大量時間。

4）實踐教學管理制度不科學。實踐教學的管理制度不夠完善，實驗員管理多個實驗室，不熟悉所管實驗室的實驗設備以及實驗，教師與實驗員在實踐課的職責模糊，使實踐教學的質量難以保證。

5）實踐教學的考核與評價不合理。由于考核要求單一，在整個實踐過程中沒有實施形成性評價，導致學生只是在應付考核，并沒有發揮其應有的主觀能動性。

綜上所述，實踐教學實施過程中，沒有以學生為主體，造成學生實踐動手能力差，甚至有些核心課程的實踐項目僅停留在“認知階段”，沒有達到應有的“應用掌握”程度。機器人工程專業作為新設專業，應該從一開始就注重實踐教學模式的構建問題，力爭建立一個實踐教學新模式，把學生被動學習的現狀轉換成學生主動學習的模式，提高教學效果，培養真正實用的應用型工程技術人員。

2 構建實踐教學課程體系

在強調工程教育專業認證的背景下，更應該注重學生工程實踐能力的培養，更應該突出“以學生為中心、以學習成果為導向、持續不斷改進完善”的OBE 教學理念與實踐教學模式有機融合，構建基于OBE 理念的高校機器人工程專業實踐教學課程體系，落實應用型本科教育實踐教學改革，提升人才培養質量，為國家制造強國戰略的實施培養合格的高級應用型工程技術人才。

2.1 構建實踐教學課程體系具體內容

1）了解OBE 理念在國內外工程教育中的發展脈絡、發展現狀和問題，了解“基于工作過程”的實踐教學模式在高校的實施情況，為開展研究提供指導并制定有效的研究方案。課題組充分調研機器人工程專業領域對專業知識的需求，充分調研相關企業對機器人工程專業人才的需求，邀請校內外專家共同研討，制定符合產業需求的機器人工程專業人才培養方案、教學計劃、教學大綱等教學文件。

2）課題組充分利用新建的工程機器人實驗室和現代制造技術實驗室等實驗平臺，以培養學生的綜合素質、提高學生實踐動手能力和創新設計能力為目標，充分融入OBE 理念，對機器人工程專業實踐教學進行課程體系的重構，使實踐教學成為集機械、電子、信息為一體的OBE 實踐教學新體系，突出“基于工作工程導向”實踐教學新模式。設計融入OBE 理念的基于工作過程的實驗項目和實驗評價體系，在實踐教學中以學生為中心，讓學生成為實踐教學的主人，讓學生發揮其主動性、積極性和創新性，讓實踐和理論有機結合在一起，提高學生實際動手能力、分析和解決問題的能力，并通過工程認證評價反饋體系確保可持續地培養合格高級應用型工程技術人才。

3）在實踐教學大綱中明確融入與落實“以學生為中心、以學習成果為導向、持續不斷改進完善”的OBE 教學理念，確保在實踐環節中實施產出引導，形成性評價在“工作過程系統化”的應用，確保高校機器人工程專業學生實踐教學的執行效果。采取抽樣方式確定調查樣本，研究基于OBE 理念工作過程導向教學實施前后學生情況，調研學生對知識掌握程度和對操作技能應用程度是否達到了教學目的，調研學生實踐環節中學習的感受，調研學生通過模擬實際工作過程后學習態度、情感、價值觀的變化，最終對產出導向學習的效果進行評價，對評價方法的有效性進行評估，從而構建機器人工程專業實踐教學課程保障體系。

2.2 機器人工程實踐教學課程體系

課內實驗、集中實踐、畢業實習及畢業設計等實踐環節構成了機器人工程專業的實踐教學課程體系，是整個專業教學體系的基礎。按照工程認證的要求，畢業學生需要具備十二個方面的知識和能力，即工程知識、問題分析、設計/開發解決方案、研究、使用現代工具、工程與社會、環境和可持續發展、職業規范、個人和團隊、溝通、項目管理和終身學習。根據這十二個方面的要求，設計構建了機器人工程專業實踐教學課程體系，如圖1 所示。在專業基礎課程、專業主干課程和專業拓展課程中穿插課內實驗，加深學生對專業課程的理解，提高動手能力，對學生產出的實驗報告根據考核標準進行評價并得出其實驗成績。在集中實踐環節，學校機器人工程專業主要設置了機械設計基礎課程設計、3D 建模創新實踐、電工電子技術綜合實踐、機器人建模與仿真創新實踐、專業生產實習、移動機器人創新實踐、機器人工程創新專題設計、工業機器人離線編程、仿真與操作訓練、工業機器人工作站系統集成綜合訓練和畢業實習及畢業設計11 個實踐課程，穿插在相關專業理論課程之后，鞏固專業知識，加深感性認知，提高解決問題的綜合能力。

圖1 機器人工程專業實踐課程體系結構流程圖

以第7 學期工業機器人工作站系統集成綜合訓練為例來闡述在實踐環節中融入OBE 理念，突出“基于工作工程導向”實踐教學模式。在集中實踐環節（2周）中設計了“工作過程系統化”以及“角色扮演”的實踐項目，學生通過參與機械組和電氣組團隊，分別擔任機械建模工程師崗位、工藝設計工程師崗位、離線編程工程師崗位、硬件設計工程師崗位和軟件設計工程師崗位，共同完成工程機器人實驗室中的XY-802A 焊接工業機器人工作站，XY-802B 搬運碼垛工業機器人工作站和XY-802C 拋光打磨工業機器人工作站總體方案設計、周邊設備（包括控制柜、變位機、輸送機、末端執行器、砂帶機、拋光機、清槍裝置等）測繪與建模設計、工作站工藝設計、機器人離線編程和在線調試、PLC 硬件控制平臺選型及搭建、PLC 控制程序設計、Robotstudio 工作站創建及仿真分析等工作，完成一次工業機器人工作站系統集成開發的工作過程。最后針對各組的設計結果，進行學生答辯自述，互相評價，教師評價等一系列評價活動，各個過程的評分加權疊加得出學生的最終成績。該實踐過程融入了“以學生為中心、以成果為導向”的OBE 理念，采用在實踐工作過程中融合“角色扮演”模式，對學生形成成果評價并不斷完善教學組織形式，最終形成了基于工作過程系統化的機器人工程專業實踐教學新模式。綜合訓練實踐表明，學生積極性較高，效果較好，各個環節場景如圖2 所示。

圖2 工作站系統集成綜合訓練實踐流程圖

2.3 構建畢業設計實踐課程體系

畢業設計是機器人工程專業教學計劃中綜合性最強的實踐教學環節，而且實踐周期長達1 學期，是對學生前7 個學期學習成果的檢驗，是對學生能否應用所學知識和技能解決問題的考核。實踐過程中，應特別著重引導和培養學生查找資料、發現問題、解決問題和綜合成果的能力，同時應培養學生守時、有擔當、負責任的職業操守，提高畢業生綜合素質，為其步入社會，進入職業生涯打下基礎。

在學校開展工程教育認證的背景下，在畢業設計實踐環節融入OBE 理念，構建其實踐課程體系就非常必要也是可行的。由于不少學生考研考公，其用于畢設的時間沒有保障，所以機器人工程專業畢業設計安排在第7 學期后期進行布置任務，學期結束前完成開題報告，同時考慮在中期考核之前，安排2 到3 次的匯報溝通并根據學生的進度給出相應的考核成績，中期報告后安排溝通匯報2 次，評價其設計的成熟度，給出相應成績，畢業答辯后給出答辯成績，最后根據前期實踐過程所有成績加權得出學生的畢業設計綜合評分成績。畢業設計的順利完成，大幅提高了學生文獻資料檢索能力、研究方法運用能力、實驗動手能力、多個軟件協調應用能力、文字表達能力、創新設計思維等能力。

2.4 校企共建校外實習基地

學校學科教育要與社會銜接，必須依靠行業內企業，才能讓學生受到最接近實際生產實踐的教育，拓寬學生眼界和知識面。機器人工程專業與企業共同建設大量的校外實習基地，認知實習和生產實習均安排到瑞松智能科技股份有限公司、深圳大族激光智能裝備集團、佛山博文機器人自動化科技有限公司、廣州數控設備有限公司等公司進行實踐。實習時提前布置實習任務，邀請企業專家現場講解，組織安排專題講座和研討會等方式讓學生能與行業專家進行交流溝通，了解前沿關鍵技術，學習專業技能，學生做好現場筆記，寫好實習日記和實習報告，對實習的經歷進行總結。在實習全程中，指導教師對實習的各個環節按照考核標準對學生的出勤、遵紀、回答問題、表達與溝通、現場動手能力、獨立思考與分析和報告質量等多方面進行考核，實施形成性評價。

3 結束語

廣州航海學院機器人工程專業的實踐課程體系經過前期教師積極調研和不斷努力建設，構建了機器人工程專業實踐教學課程體系，突出了“以學生為中心、以學習成果為導向、持續不斷改進完善”的OBE 教育理念，為學校正在實施的專業工程認證打下了堅實基礎，同時也推動了機器人工程和其他相關專業教學模式的改革。實踐表明，該課程體系以學生為中心，大幅提高學生參與實踐的積極性，增強學生解決問題的動手能力，并激發學生創新思維意識。然而要全面落實和推廣還需在教學實踐中根據專業特色和人才培養標準不斷總結經驗并進一步完善，逐漸形成一套有實效的能充分體現學校航海特色的機器人工程專業實踐教學課程體系，為學校建設地方應用型本科作出貢獻。