基于OBE教育理念的工業(yè)機器人課程建設與實踐

季 曄，馮 崇，李素芳，孫小撈

(洛陽理工學院 智能制造學院，河南 洛陽 471023)

自2012年以來，我國沿海地區(qū)出現(xiàn)了勞動力緊缺現(xiàn)象，這種趨勢逐步擴展到內陸，依靠人口紅利發(fā)展的行業(yè)將不得不做出改變[1]。為了改善現(xiàn)有生產組織模式，國內越來越多的制造業(yè)企業(yè)對工業(yè)機器人有了迫切需求，這一形勢催生了工業(yè)機器人教育和培訓行業(yè)的發(fā)展。國內本科院校開設機器人工程及相關專業(yè)始于2016年[2]，主要培養(yǎng)機器人機構分析與設計、系統(tǒng)集成、智能控制、視覺算法、軌跡追蹤等方向的工程技術人員。各高職高專院校開設的機器人專業(yè)主要培養(yǎng)機器人操作、維修、安裝與調試等一線崗位應用型技能勞動者[3]。工業(yè)機器人涉及數(shù)學、力學、機械等多個學科相互交叉、相互融合，最明顯的特征是高技術、高人才、高資金。當前，企業(yè)對這方面的人才要求是能夠熟練掌握相關專業(yè)知識，能對工業(yè)機器人的問題進行分析、解決，并結合相關流程進行二次開發(fā)和具備相關管理經驗，同時還能將軟硬件結合，盡可能降低運行成本，提高工作效率，但這種技術人才相當稀缺。當前，學校的重要任務是培養(yǎng)機器人方面的技術人才，使其能夠結合不同工藝實現(xiàn)相關流程的二次開發(fā)，進而開拓市場[4]。OBE(Outcomes-based Education)是基于產出導向的先進教育理念，由Spady等人于1981年提出[5]，此后經過10年左右的發(fā)展形成了比較完整的理論體系，是用于衡量工科本科教育質量的工程專業(yè)教育認證三大理念之一，國內許多高校已運用該理念開展課程教學[6-8]。工業(yè)機器人課程是本校機械電子工程專業(yè)的特色選修課，課程開設為學生畢業(yè)后服務機械設計與制造行業(yè)和洛陽智能裝備產業(yè)奠定基礎。課程具有多學科交叉、實踐性和理論性強等特點，內容包括機器人機構學、工業(yè)機器人機械結構設計、機器人控制理論、工業(yè)機器人傳感器、工業(yè)機器人編程等。

1 傳統(tǒng)課堂教學和考核方式存在的問題

第一，傳統(tǒng)課堂教學以講授為主，未突出學生的主體地位。教師習慣于單向灌輸式講授，課堂互動偏少。教學過程中忽視學生的反饋，學生思考空間不足，無法培養(yǎng)學生的自主學習能力和團隊合作能力。認證標準中畢業(yè)要求第九條明確提出了個人和團隊角色要求，在課程教學中沒有充分考慮學生的主體地位，沒有落實以“教”為中心向“學”為中心的轉變。第二，課程對自然科學理論要求高，部分內容理解難度大，學生容易喪失學習興趣。本課程綜合性強，涵蓋較多數(shù)學、力學理論，公式推導內容多，初學者理解難度大，若缺乏學習毅力，難以實現(xiàn)課程目標。與應用型為主的課程相比，枯燥的數(shù)學公式及其推導過程容易使學生喪失學習興趣。第三，試卷考核主要考查基本概念，難以體現(xiàn)OBE理念。OBE理念強調學生在學的過程取得什么效果，試卷考試往往是以教師為中心，體現(xiàn)的是教師對課程認識的體現(xiàn)。試卷考核題型主要有填空題、選擇題、判斷題、簡答題和計算題等，以考查基本概念和簡單應用為主，難以體現(xiàn)成果導向。第四，課程思政元素融入不足。課程思政強調全員、全程、全方位育人，在傳統(tǒng)教學中，尤其是專業(yè)課教學，關注的重點是本課程難點，很少考慮課程與社會、健康、職業(yè)規(guī)范等因素的關系。

2 畢業(yè)要求和培養(yǎng)目標分析

2.1 畢業(yè)要求

認證標準中的畢業(yè)要求共12條，本校機械電子工程專業(yè)將12條畢業(yè)要求分解為34個指標點。本課程支撐其中的3個指標點，A.工程知識：掌握機械工程基礎知識和機械電子工程專業(yè)知識，具有對機械工業(yè)自動化裝備領域復雜工程問題進行分析與解決的能力。B.問題分析：能夠運用數(shù)學、自然科學基本原理研究、分析機械工業(yè)自動化裝備領域復雜工程問題，并提出多種解決方案。C.使用現(xiàn)代工具：掌握機械工業(yè)自動化裝備領域復雜工程問題的工程計算、仿真、分析、預測、控制方法，并能在實踐中認識到相關工具的局限性。課程支撐指標點符合OBE教學理念，重點強調了對復雜工程問題進行分析與解決的能力。數(shù)學、力學等自然科學基本原理是解決復雜工程問題的基礎，工程計算、仿真和分析能力是指運用現(xiàn)代化軟件進行數(shù)學建模、編程計算的能力。

2.2 培養(yǎng)目標

本專業(yè)學生畢業(yè)后，通過5年左右的實踐，期望達到以下目標：第一，能夠將機械工業(yè)自動化專業(yè)知識與技能，結合人文社會科學知識，在社會可持續(xù)發(fā)展的理念下，解決機械工業(yè)自動化裝備領域的復雜工程問題；第二，擁有主動的、終生的學習習慣和能力，能夠主動跟蹤專業(yè)領域的技術發(fā)展，具備工程實踐和創(chuàng)新能力，運用前沿和創(chuàng)新技術從事機械工業(yè)自動化裝備的設計、研發(fā)和技術管理工作；第三，具備團隊合作能力、溝通能力和寬闊視野，進行項目管理和決策過程中，能夠積極主動地適應社會發(fā)展和環(huán)境變化，與團隊成員和社會有關各方有效溝通交流；第四，具備人文社會科學素養(yǎng)，能夠在工程實踐中遵守工程職業(yè)道德和規(guī)范，熟悉國家法律法規(guī)、行業(yè)標準，能夠積極主動地適應社會發(fā)展，具有社會責任感，堅持公眾利益優(yōu)先。

3 學情分析

第一，工程實踐經歷少?，F(xiàn)階段的學生學習了高等數(shù)學等自然科學類課程和部分專業(yè)基礎課程，對專業(yè)有一定認識，但對專業(yè)課程應用領域了解不充分。除金工實習外，學生實踐經歷和工程經驗較少。第二，習慣被動學習，主動思考不足。學生習慣于以往的學習習慣，教師講、學生聽的教學模式仍占主導。學生主動發(fā)現(xiàn)問題、提出問題并思考問題的動力不足。第三，職業(yè)規(guī)劃尚不明確。學生對繼續(xù)深造、就業(yè)、創(chuàng)業(yè)等未來思考和認識有限，崗位能力要求不清晰。職業(yè)規(guī)劃是一項長期復雜的系統(tǒng)工作，其本質在于培養(yǎng)大學生的職業(yè)意識和職業(yè)觀念，提升大學生的職業(yè)素養(yǎng)。高校在開展大學生就業(yè)指導時，需要結合社會主客觀因素和職業(yè)需求，在了解學生個體差異、性格、能力等各方面基礎上，幫助學生制訂行之有效的職業(yè)發(fā)展規(guī)劃，并在此基礎上提升大學生職業(yè)能力。大學生職業(yè)規(guī)劃貫穿于整個大學階段，需要利用大學課堂、專題講座、調查實習等方式開展個性化指導。

4 課程建設與改革實踐

4.1 提供參考書和論文期刊等資源供學生課下閱讀

教學中提出典型問題，學生課下查閱和自學，課堂上講述、討論資料查閱過程和學習結果，如機器人自由度計算及計算公式由來、工業(yè)機器人控制系統(tǒng)特點、強耦合非線性方程組求解方法等。

4.2 以案促教，學以致用

通過機器人真實應用案例，如SCARA機器人在電子工業(yè)、汽車工業(yè)中的應用，DELTA并聯(lián)機器人在食品行業(yè)中的應用，說明理論學習的必要性和重要性。公開展示運動控制程序代碼，加強學生對理論的認識。

4.3 通過虛擬仿真實驗增強學習效果

工業(yè)機器人運動學和動力學建模、計算理論難度大，為了保證學習效果，利用國家虛擬仿真實驗教學平臺讓學生理解課程內容，深刻感受理論在實踐中的應用，充分認識復雜工程問題。

4.4 融入思政元素

A.機器人技術發(fā)展史。引入機器人技術發(fā)展史，講解魯班制作的木鳥和諸葛亮的木牛流馬等中國元素。結合“中國制造2025”和我國大國重器等內容，培養(yǎng)學生愛專業(yè)、服務行業(yè)和社會的情懷。B.科學精神和工匠精神。機構位姿分析時需建立笛卡爾固定坐標系和運動坐標系，講解笛卡爾坐標系產生過程；機構速度分析時，需要建立雅克比矩陣，講解雅克比的人物生平；機器人傳感器介紹時引入霍爾效應，介紹物理學家霍爾；機器人控制理論講解時，引入錢學森所著《工程控制論》及人物生平講解，弘揚科學精神。機器人實驗和編程操作實訓環(huán)節(jié)，引入本市制造業(yè)企業(yè)中涌現(xiàn)的大工匠，激勵學生在工作崗位潛心鉆研科學和技術。C.我國典型的機器人及智能裝備。在緒論舉例時，讓學生通過視頻了解本市中信重工研發(fā)的消防機器人；介紹我國首個火星探測器“祝融”號；介紹深海探測機器人——“海洋一號”，激發(fā)學生學習動力，樹立專業(yè)自豪感。D.人工智能技術的意義。引入芯片制造難題，提醒學生關注行業(yè)痛點。通過工業(yè)機器人生產現(xiàn)場行業(yè)應用，讓學生認識工業(yè)機器人對環(huán)境、健康和可持續(xù)發(fā)展的影響；介紹工業(yè)機器人領域高新技術和工業(yè)機器人“四大家族”，擴展學生國際視野。

5 教學方法和考核評價

第一，采用多媒體與板書相結合的課堂教學，難度大的理論建模推導過程采用板書，利用MOOC和學習通等網絡教學資源，精選部分內容用于課堂教學。第二，采用項目教學法、分組討論法等多種教學方法，讓學生成為學習的主體。學生課下完成布置的任務，讓學生體驗如何講解和剖析問題，進一步喚起學生對課程的思考。第三，健全課程考核評價體系。增加實驗、課堂表現(xiàn)、課下任務完成情況、課堂任務講解等環(huán)節(jié)的考查，并計入課程考核成績。第四，課程采用模塊化教學。傳統(tǒng)的教學模式主要是以教科書章節(jié)編排為序，從前至后進行教學。模塊化教學在充分分析培養(yǎng)目標和學生能力要求的基礎上，打破傳統(tǒng)授課模式，整合教學內容，提高學習效果。課程分為機器人機械結構(機器人本體)、機器人機構學(運動學和動力學)、機器人控制系統(tǒng)、機器人傳感器四大模塊，各模塊之間既有聯(lián)系又相對獨立。機械結構模塊與機械設計課程結合、機構學模塊與機械原理課程結合、控制系統(tǒng)模塊與控制工程基礎課程結合、傳感器模塊與機械工程測試技術課程結合，這些課程的教學內容是本課程的學習基礎，機構學模塊和控制系統(tǒng)模塊是機械原理和控制工程基礎課程內容的提升。第五，鑒于課程特點，課程考核亦分模塊進行，其中機械結構模塊、控制系統(tǒng)模塊和傳感器模塊作為平時作業(yè)，加強教學過程考核，要求學生通過查閱資料獨立完成各模塊任務，適當增加課程學習難度。期末考核采用項目大作業(yè)形式，在規(guī)定時間內要求學生課下獨立完成機器人機構建模、仿真和計算等主要內容，并以科技論文形式提交報告?？己瞬辉僮裱嚲砜己藢虒W知識點的面面俱到，課程其余內容在課下任務階段以查閱資料、作業(yè)和課堂講解的形式進行過程考核，課程考核目的旨在進一步提升學生解決復雜工程問題的能力。

6 持續(xù)改進

第一，進一步加強以學生為中心的教學方法運用，提升學生學習效果，實現(xiàn)培養(yǎng)目標的達成。以OBE理念為指導，完善課程教學過程。第二，充實線上教學資源，實現(xiàn)線上線下的混合式教學。進一步補充工業(yè)機器人相關的工程問題，穩(wěn)步提升學生解決復雜工程問題的能力。第三，通過QQ群、微信群、公眾號等通訊手段關注畢業(yè)生各階段發(fā)展軌跡，利用假期進行畢業(yè)生走訪，與其所在單位領導及技術負責人溝通交流，了解其工作狀態(tài)，對學校建筑學專業(yè)培養(yǎng)計劃內容提出中肯意見。這種長期閉環(huán)的教學跟蹤，能夠及時發(fā)現(xiàn)教學中的不足，持續(xù)改進課程教學過程和考核內容。

7 結語

OBE理念在國內高校教學改革中廣泛應用，其指導下的課程教學是保證人才培養(yǎng)質量的重要方法和手段，引領工程教育的改革方向。根據(jù)工業(yè)機器人課程教學中存在的問題，分析了學生學情和課程支撐指標點，以提高學生解決復雜工程問題為目標，對課程建設、教學方法、考核方式進行了全方位改革。通過課程內容設計、教學方案構建、教學方法介紹、教學案例和教學效果評價，開展基于工程教育理念的工業(yè)機器人課程教學改革與實踐。實踐表明，教學改革后學生的課程專業(yè)培養(yǎng)能力達成度比以往有所提高，學生的學習方式更趨多樣化，更加注重學習過程與學習效果，提升了人才培養(yǎng)質量。