智能制造背景下的课程教学改革与探索

    鲁欣 师树谦 卢文涛

    

    摘 要：在智能制造背景下，各个制造领域对机器人工程专业人才的能力有了更多的要求，企业更加需要应用型、复合型的机器人人才。针对这些新的要求，本文首先分析了目前机器人工程专业的教学现状，然后在机器人相关课程、实践教学、课程改革、课程考核等方面进行了一定的探索，提出了一定的教学改革方法，并通过教学实践、取得了一定的效果，有效地提升了学生的知识水平与应用能力。

    关键词：智能制造;机器人工程专业;课程改革

    2015年，国务院发布了《中国制造2025》战略，标志着我国的制造行业要向着更加智能化的方向发展。机器人作为《中国制造2025》十大领域中的重要一环，必将成为工业制造、未来智能制造必不可少的一部分[1]，越来越多的企业都希望能有更多掌握机器人技术的复合型人才来实现机器人智能化的操作。然而，与机器人技术的快速发展和机器人工业应用的与日俱增相对比，机器人技术人才的缺口却越来越大，部分原因在于机器人专业人才培养还处于起步阶段，人才培养方式还不能完全契合市场的发展需求[2]。而在机器人人才培养过程中，专业课程学习是一个十分重要的环节。因此，本文将以智能制造为背景，探讨如何将机器人工程专业的课程进行改革，以培养出符合市场与企业需求的人才。

    一、机器人专业课程教学现状

    机器人行业所需的人才能力技术主要包括：机械设计技术、驱动技术、传感技术、控制技术、视觉技术，系统编程仿真技术等[3-4]。但是，对于以上技术内容，传统的机器人专业教学却存在着教材少、教材适应市场程度不高、教材偏重理论性等劣势。教材少，指的是针对机器人工程专业课程来说，大部门课程没有与其相对应的教材。在教学过程中如果采用传统的教材对机器人工程专业学生进行授课，就会造成课程培养的最终能力目标与机器人行业要求目标相脱离。教材适应市场程度不高指的是教材的内容比较陈旧，跟不上时代的发展，这些陈旧的书本内容达不到智能制造背景下的复合型人才培养目标。教材偏重理论性指的是部分教材只偏重理论知识的讲解，却不重视实践能力的引导，在此情况下，学生很难达到企业所要求的应用型人才的能力。

    机器人专业涉及的知识面较广，学生学习的专业知识较多。在一般的教学过程中，会出现课程与课程之间关联性不足的问题，这会导致学生在学习完成不同课程之后，梳理不清楚每门课程之间的关系，更谈不上对知识的应用能力，甚至有的学生会感到“迷茫”，认为学的某门课程与专业关联性不大，造成学生不能主动地进行学习的问题。

    二、课程教学改革探索

    （一）校企合作，将相关课程进行有机融合

    机器人专业的主要特征是多学科交叉融合[5]。在针对机器人专业课程建设时，应该始终贯彻这一特征。多学科交叉融合特征不是简单的将原有众多学科的培养目标相叠加，而是在满足学校办学定位的基础上，将相关课程的内容进行相互交叉与渗透，必要时也要开设新的专业课程。在这个融合的过程中需要有产业及行业专家的深度参与，以准确地把握产业行业对人才的新需求。所以在课程建设的过程中，需要充分把握科技前沿，并结合市场的需求。本文以《微控制器原理及接口技术》为例来对校企合作进行说明。

    对于《微控制器原理及接口技术》课程，其课程的主要特点是理论性知识交织复杂，对学生实践能力要求较高。在理论课程的教学过程中，部分学生对很难听懂，在实践课程中，学生只会按照老师教的方法来“复制”实验步骤，造成学生在学习该门课程之后，难以有更多的创新观点，达不到“学以致用”的目的。大部分高校以单片机为载体来进行教学，有效地将理论与实践相结合。但是，对于新兴的机器人专业不能过分依赖教材，不能再以原有的知识体系架构来进行课程的讲解，如何有效地将课程内容与机器人专业相结合是一个重要的问题[6]。这就需要有效地利用企业的资源和知识，来实现专业课程与企业需求的有机结合，实现理论知识与实践能力的有效转换，从而提高课程的产业价值，提高学生的综合职业能力。所以，此门课程在授课时，在原有的课程技术知识上，将课程内容上升至机器人运动控制的高度，加入了运动控制基本原理与基本应用的知识。通过项目案例式的校企合作教学方式，让学生在学习该门课程之后，除了掌握使用单片机控制小型机器人运动的知识外，也使学生掌握了如何使用运动控制器来控制工业机器人的运动。为了更好地达到满足企业“定制化”人才的目标，授课教师会在课程实践中加入了企业项目实训，通过“项目式”的训练，强化了学生的知识。

    （二）强化实践环节，将各学科进行交叉

    授课教师可以通过不同的项目设计，将机器人相关的各项课程进行有效的融合，一方面使学生更好地掌握课程之间的关联，另一方面教师可以以项目任务的完成情况作为知识的掌握情况反馈。同时在整个实践过程中，锻炼学生的实际开发、项目管理及团队合作能力，以实现应用型、复合型人才的培养目标。以《機器人运动控制系统设计与应用》课程为例，部分项目设计如下表所示。

    六自由度机器人流水线搬运作业项目，使用两台六自由度机器人、传送带、PLC控制器传感器等完成机器人流水线搬运作业。该项目结合机器人编程，控制器程序设计，传感器应用等课程相关知识，把机器人专业的基础与核心课程知识融入到实训项目中去，从而提升学生的应用实践能力。

    气动直角坐标机器人与气动分度盘协作完成小球分拣项目，是利用气缸、气动分度盘、机器视觉（相机）、机器人通信技术、光电传感器等完成不同颜色小球的分拣动作。该项目将气动知识融入到机器人系统设计中去，从而构建从实物动作到理论知识传授的教学模式。

    直角坐标写字机器人的设计项目，通过机械原理与设计、电机及驱动技术、传感器等原理性知识让学生完成直角坐标机器人硬件的设计与模型搭建。在此基础上，利用运动控制器完成直角坐标机器人的控制系统设计，实现机器人软硬件的设计，进一步加深学生对运动控制系统设计的步骤。

    （三）完善教学方法，优化考核方式

    随着科技及网络技术的发展，传统的教学方式已经不再适用新兴专业的课堂，单单采用“多媒体+视频”等教学方式，已经不能较好的提升学生的学习兴趣，这就需要根据机器人专业不同的课程特点，完善现有的教学方法，引导学生主动的去学习。对于机器人专业课程特点，可以采用项目、任务驱动式、“关联”教学方法，将课程中的知识点划分为不用的模块项目，以引导学生进行有效的学习。在设计时，要注意设计的项目与任务和机器人专业内的其他课程知识的关联性。如，软件技术课程在设计[7]时可以将机器人学、微控制器原理、电机驱动中的插补、PID算法等知识点以项目的形式进行驱动教学。同时，也可以根据以企业生产制造实际案例来对任务或项目进行设计，使学生在学习专业知识的同时，也掌握市场最新案例。

    课程考核改革是课程改革的重要部分[8]。机器人专业不仅仅要求学生掌握过硬的理论知识，还要求学生有较强的动手能力，因此仅仅采用传统的笔试考核方式已不再合适。机器人专业的考核应该采用多样化方法，如将课程答辩、项目、阶段测验、企业考核、创新设计、课堂表现等纳入课程考核，作为课程考核的一部分，同时在考核过程中也应该注重过程化考核，通过过程化考核的方法，可以提高学生在整个课程学习的主动性与积极性。

    （四）赛—教—学融合，建立第二学习课堂

    人才培养不仅仅是让学生学会课本上的知识，还应该注重学生在社会中、生活中解决各种实际问题的能力。为了更好地让学生将学到的知识运用到实践中去，除了课堂学习之外，可以利用诸多网络教学平台建立学生的第二课堂。在第二课堂中，通过开展各种科技制作、创新项目等比赛活动，让学生将理论、实践、创新相结合，以此来培养学生的实践能力、创新设计能力。学生可以依据自己的兴趣，结合当前社会及生活的需求去发明创作，去参加机器人大赛等相关比赛，在比赛中更好地提升自己的综合能力。教师可以利用第二课堂，发现学生在学习过程中的知识及能力的不足，以便在后续的课程中采用一定的改进措施。也可以通过这种方式，发现学生的兴趣，掌握学生爱听、想听的知识点，并结合课程的重点，不断地对课程进行优化。

    三、结论

    在智能制造背景下，传统的授课方式以及授课内容已经不能满足制造智能化市场的发展，需要不断地对课程内容以及授课方式进行革新。本文以机器人工程专业为例，讨论了该专业目前的课程授课现状，在此基础上提出了一些课程改革的建议。通过上述课程改革方式，笔者对所教授的课程进行了改革，采用校企合作的方式进行授课，取得了良好的效果，如学生上课的积极性明显提升，尤其是在与校企合作的实践环节，学生的自信心明显加强。虽然课程改革取得了一定的成绩，但是在教学的过程中，还需要不断地进行探索，以寻找更好的授课方法。

    参考文献：

    [1]谢桥.智能制造时代工业机器人的应用前景研究[J].科技经济导刊，2019，27（03）：36-37.

    [2]王帥，吴成东，贾子熙，王斐.面向新工科的机器人工程专业创新人才培养模式探索[J].教育教学论坛，2020（14）：52-54.

    [3]许文燕.智能制造背景下高职院校《工业机器人技术应用》课程改革与探索[J].南方农机，2019，50（23）：166-167.

    [4]郭金妹，陈磊，汪赛.基于OBE理念下工业机器人技术专业人才培养模式的构建与研究[J].教育现代化，2019，6（62）：38-40+59.

    [5]林健.多学科交叉融合的新生工科专业建设[J].高等工程教育研究，2018（1）：32-45.

    [6]万琴，吴迪，林国汉.“新工科”背景下的机器人工程专业教学研究[J].科技创新导报，2018，15（30）：132-133+135.

    [7]马策，尹斌，李秀娟，卢文涛.以构建专业知识体系为特色的教学模型探索与实践研究[J].教育现代化，2019，6（18）：115-118.

    [8]张浩军，卢娜.以课程考核方法改革提升课程教学质量[J].当代教育实践与教学研究，2018（04）：74-75.

    基金项目：本文系“洛阳理工学院教育教学研究项目”（项目编号：19JYYB-20、18JYZX-05、18JYZD-01）的研究成果

    作者简介：鲁欣（1991— ），女，汉族，河南濮阳人，硕士，助教，洛阳理工学院机器人学院，主要研究方向：机器人技术与系统。