新工科背景下“工业机器人技术基础”试验教学改革与实践★

黄广伟，张攀峰

（东莞城市学院智能制造学院，广东 东莞 523419）

0 引言

教育部于2017 年启动新工科专业建设，相继形成了“复旦共识”“天大行动”和“北京指南”等纲领性文件[1-2]。新工科建设以继承与创新、交叉和融合、协调与共享为途径，培养适应科技改革、具有实践能力和创新能力的复合型高素质新工科人才[3]。新工科倡导以学生为中心、以产出为导向、持续改进的教育理念，强调培养学生解决复杂工程问题的能力。新工科建设，不仅创建了一批新型工科专业，同时对传统工科专业进行升级改造，实现多学科多专业融合发展，强化学生实践综合能力培养。同时随着“互联网+”、大数据、人工智能、智能制造等新技术与新产业的深入发展，全社会迫切需要一大批创新意识强、动手能力强、综合素质高、学科视野宽的复合型高素质人才。因此对“工业机器人”的功能提出了更高的要求，要求其与机器视觉等多学科进一步融合，并进行深层次“AI+”赋能。

本文根据新工科要求，针对“工业机器人技术基础”传统试验教学过程中存在的问题，提出了“前导式预习+工程实践项目”的试验教学模式，引入企业实际工程项目作为试验内容，以工程项目为驱动，以解决实际工程需求为结果导向，并将试验时间外延至寒暑假，学生利用假期或空闲时间参与企业的工程项目，甚至毕业实习也在合作企业顶岗实习，由此形成了完整的工程实践训练闭环链，增强了学生学习的自主性、积极性，同时使工程实践的能力得到明显提高，打通了校园到职场能手的“最后一公里”，为应用型本科大学试验教学改革提供了参考。

1 存在的问题

传统的“工业机器人技术基础”试验教学以验证性、演示性试验为主，缺少创新性、设计性、综合性试验，试验内容多年不更新，与工程实践脱节，内容陈旧，不符合时代发展需求；教学方法呆板、教条化，以教师为主，几乎采用机械式灌输，学生兴趣与主观能动性难以调动，教学方法跟不上时代发展；考核方式则多以试验报告成绩为主，难以反映出学生的真实水平。总之，存在教学内容陈旧、教学方法落后、考核方式单一等问题。

1.1 教学内容陈旧

目前“工业机器人技术基础”试验内容基本上以演示性与验证性试验居多，内容呈现孤立性、脱节性等特点。试验内容仅局限于工业机器人本身范畴，缺少与其他学科的融合，只能完成工业机器人最基本的试验教学，缺少综合性和统一性，试验内容与产业要求和技术的最新发展关联性不强；未能满足新工科提出的“问技术发展改教学内容”的要求，阻碍了新技术与专业领域新知识的融入；试验教学当中，行业对人才培养的最新要求也未能及时引入试验教学过程中。教学效果与质量难以保证，不能满足新工科对实践性专业工程人才的要求。

1.2 教学方法落后

目前“工业机器人技术基础”试验教学方法相对固化，一般是采用理论教学的方式来进行试验课程的教学[4-5]。其流程基本上是试验教师先对试验原理、试验设备进行讲解，然后学生按照试验指导书的要求进行试验任务的布置，并按试验指导书上步骤进行试验，验证或观察试验结果。试验过程中学生基本上是处于一种被动做试验的状态，处于机械式接受、灌输式的学习状态，缺乏主动性。学生只要按照试验指导书的基本步骤进行操作，即使对试验原理或理论知识不了解、甚至不清楚的情况下，也可能得到正确的试验结果。该教学模式无法培养学生自主性与创造性能力，反而会促使学生养成不求甚解、懒惰，甚至得过且过的试验态度，缺少能引导学生独立思考或延伸理论知识的试验任务，难以激发学生的学习兴趣与求知欲望，会对学生今后的学习及科研生涯产生一定的危害。因此，有必要构建一种新的试验教学方法，该方法不但要利于激发学生试验兴趣，还要促使学生主动参与试验教学，并激发学生自主学习的内动力。

1.3 考核方式单一

目前“工业机器人技术基础”试验成绩计算方式如式（1）所示，基本上由试验报告成绩S1、课堂考勤成绩S2构成，并分别按70%、30%占比计算后相加。成绩的评定基本上均由指导教师根据报告内容以及学生在课堂上的表现进行评定，且以试验报告为主，学生最终试验成绩带有较大的教师个人主观性。此考核方式单一，存在极大的局限性，无法激发学生学习热情，学生只是被动地完成试验任务，最终试验成绩并不能真正反映学生的试验实践能力，显然此考核方法已不符合新工科对应用型人才专业素养培养的要求。

式中：S 为传统试验教学方法的总试验成绩；S1为试验报告成绩；S2为课堂考勤成绩。

2 改革措施

针对本课程的试验现状，根据新工科要求，引入工程实践理念，采用多学科交叉融合的方式，构建了以培养学生自主解决工程问题能力为导向、“前导式预习+工程实践项目”的试验教学模式；突出应用型人才培养要求，从试验内容、试验方法、考核方式三个方面进行了改革。

2.1 试验内容

根据新工科对工程实践能力要求，注重多学科有机交叉融合，与东莞某智能视觉科技公司开展人才培养合作。试验内容框架如图1 所示，引入该企业实际工程项目作为试验内容，将机器视觉内容引入工业机器人试验中，有机地将工业机器人知识、机器视觉知识、PLC 知识进行多角度多层次的融合，以培养学生解决工程实践问题的能力。

图1 试验内容框架

2.2 试验方法

根据新工科突出自主解决工程实践能力的要求，构建“前导式预习+工程实践项目”的试验教学模式。它是在项目导向教学模式的基础上，提倡合理选择企业工程实践项目作为试验内容；试验前通过视频或邀请企业工程师进校园（课堂）方式向学生介绍课程试验具体内容以及所需要的知识储备、技术应用领域、应用价值等，从而激发学生的求知欲及兴致，诱导学生利用业余时间提前介入试验工程项目学习，甚至利用寒暑假时间到企业进行实习；在授课学期，加强教师指导，评估学生完成的项目方案，并邀请企业工程师为学生把关试验设计环节，以及完成前期的相关培训，做到试验教学与工程实践真正无缝接轨，实现校企充分在线融合；甚至完成试验后，还要求学生继续深化相关知识学习，构建完善的知识体系，可到合作企业进行顶岗毕业实习，进一步进阶为职场能手，努力打通学生从校园到职场能手“最后一公里”的知识与实践通道，试验方法框架如图2 所示。

图2 试验方法框架

2.3 考核方式

考核方式作为结果导向的指挥棒，对试验教学改革具有至关重要的作用，因此设计一个合理的考核方式显得十分必要。为此，本文设计了“考勤（10%）+试验设计及过程（70%）+试验报告（20%）”考核方式，计算公式如式（2）所示。本考核方法增加了实践能力考核占比，做到真正培养学生的实践能力，增强解决工程实践问题的能力，突出对学生解决实践工程能力的培养及考核，有助于提高学生的竞争力。

式中：S' 为新试验教学方法的总试验成绩；S1' 为考勤成绩；S2'为试验设计及过程成绩；S3'为试验报告成绩。

3 改革实施与效果分析

“工业机器人技术基础”是机械设计制造及其自动化、机械电子工程等专业的核心专业课程，对提高学生核心竞争力具有相当大的作用。为了验证试验教学改革的成效，在2018 级机械设计制造及其自动化专业、2018 级机械电子工程专业进行实践。选取2018级机械设计制造及其自动化专业1～2 班，2018 级机械电子工程1 班（以上班级简称A 班），通过观看视频、PPT 以及邀请企业工程师入校园，现场讲解相关知识等方式，精心选取无线充线圈贴膜、芯片盒贴标、小塑件视觉分拣等企业工程项目为试验内容；将机器视觉知识与工业机器人技术紧密融合，紧贴工程实践，将行业最新的技术融入试验内容中，实现校企在线深度融合；学习时间不再局限于试验课程时间，采用提前预习，并外延至课后，乃至寒暑假等；学生对学习目标明确，提前完成知识储备，通过试验项目强化自身解决工程实践能力，课后进一步深化，以达到职场能手的水平。而2018 级机械设计制造及其自动化专业3～4 班，2018 级机械电子工程2 班（以上班级简称B班）仍然沿用单一的、验证性的、教师机械式灌输的旧试验教学方式。分别从学生参与试验的积极性、解决工程实践能力、毕业后工资水平等三方面对新旧两种教学模式进行比较，结果如表1 所示。

表1 试验教学改革效果对比

从表1 分析可知，采用新教学方式的学生，主动学习的积极性、综合解决工程实践能力以及薪资水平较旧教学方式都有大幅度的提升，效果显著，达到了预期的目标。

4 结论

1）“前导式预习+工程实践项目”的试验教学模式能够顺应教育的基本规律，注重于“以教为中心”教育模式向“以学生为本”的转变，强调学生学习的主动性，更好发挥主观能动性。实施过程中，学生能够充分利用时间，除了课程学习时间，更把时间外延至寒暑假，更与毕业实习无缝连接，能成功打通校园与职业人的“最后一公里”通道，有利于学生激发并保持强烈的学习动机。

2）通过引入企业工程实践项目，校企充分地在线有机融合，理论知识与工程实践能力相辅相长，得到很好的锻炼，使学生解决工程实践的能力大增，树立了自信心，进一步促进学生就业。因此，该试验教学模式对应用型本科院校的人才培养有非凡的参考意义。