新工科背景下多維度全周期機(jī)器人課程建設(shè)與實(shí)踐

高春艷 呂曉玲 劉璇 田穎 李滿宏

摘? 要：在新工科背景下，高等工程教育急需探索新型專業(yè)人才培養(yǎng)方法，以適應(yīng)科技需求與產(chǎn)業(yè)變革。但機(jī)器人課程理論基礎(chǔ)要求較高，實(shí)踐教學(xué)比重大，應(yīng)用普通培養(yǎng)方案很難分配足夠的教學(xué)環(huán)節(jié)。通過對機(jī)器人技術(shù)課程教學(xué)現(xiàn)狀的分析，提出將課程教學(xué)整合為基礎(chǔ)知識(shí)、實(shí)踐綜合和創(chuàng)新設(shè)計(jì)主題模塊，構(gòu)建學(xué)術(shù)導(dǎo)論、理論基礎(chǔ)、綜合實(shí)踐、創(chuàng)新選修和畢業(yè)設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)協(xié)同交叉、互為延展的多維度課程建設(shè)體系，將課程貫穿至本科階段8個(gè)學(xué)期，有效夯實(shí)機(jī)器人技術(shù)技能及綜合應(yīng)用能力，提升教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：新工科；機(jī)器人技術(shù)課程；多維度課程體系；教學(xué)改革；探索實(shí)踐

中圖分類號：G640? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2023）35-0097-04

Abstract： In the context of the new engineering paradigm， higher engineering education urgently requires the exploration of innovative approaches to cultivate specialized talents capable of adapting to technological demands and industrial transformations. However， the Robot Technology Course demands a rigorous theoretical foundation， and practical teaching holds significant weight， making it challenging to allocate sufficient instructional opportunities within conventional curricula. Through an analysis of the current state of Robot Technology Course instruction， this study integrates the curriculum into modules focusing on knowledge foundation， comprehensive practice， and innovative design. It constructs a multi-dimensional course development system， comprising interconnected elements such as academic introduction， theoretical fundamentals， comprehensive practice， innovative electives， and final projects. This system spans eight semesters throughout the undergraduate program， effectively consolidating skills in robot technology and enhancing comprehensive application abilities， thereby elevating the effectiveness of teaching.

Keywords： new engineering paradigm; Robot Technology Course; multi-dimensional curriculum system; educational reform; exploratory practice

隨著科技的快速進(jìn)步和廣泛應(yīng)用，以培養(yǎng)創(chuàng)新型工程技術(shù)人才為目標(biāo)的新工科教育對課程體系和教學(xué)方法提出了更高要求。自2017年以來，國內(nèi)眾多高校對新工科內(nèi)涵及專業(yè)培養(yǎng)體系進(jìn)行了深入研究[1-4]，積極探索各種課程體系的新建設(shè)和教學(xué)模式的新變革。經(jīng)過6年的教學(xué)實(shí)踐，結(jié)合本校學(xué)科定位和專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)，機(jī)器人課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了以導(dǎo)論、學(xué)科基礎(chǔ)、主干專業(yè)課、綜合實(shí)踐、創(chuàng)新選修和綜合設(shè)計(jì)為線索的課程體系建設(shè)。

為緊密串聯(lián)整體課程脈絡(luò)，充分借助學(xué)校的“本科生創(chuàng)新拔尖計(jì)劃”，使課程體系更加緊密和高效，建立如圖1所示的多維度課程體系。此課程教學(xué)體系具有“快、準(zhǔn)、新”的鮮明特征，強(qiáng)調(diào)學(xué)生學(xué)習(xí)的快速適應(yīng)，教學(xué)內(nèi)容的準(zhǔn)確切實(shí)，以及課程體系的創(chuàng)新性。通過課程體系建設(shè)，為學(xué)生提供一個(gè)全面發(fā)展、多維拓展的機(jī)器人教育平臺(tái)，培養(yǎng)一批具有高水平專業(yè)技術(shù)和創(chuàng)新能力的工程技術(shù)人才。

一? 機(jī)器人技術(shù)課程教學(xué)分析

相對于傳統(tǒng)的課程教學(xué)，新工科模式更加注重學(xué)生工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的提升，并呈現(xiàn)出學(xué)科技術(shù)組成復(fù)雜、涉及領(lǐng)域廣泛的特點(diǎn)[5-6]。因此，將機(jī)器人技術(shù)僅作為一門獨(dú)立課程安排在某個(gè)學(xué)期進(jìn)行是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。但受限于總體培養(yǎng)方案的限制，難以補(bǔ)充過多學(xué)習(xí)時(shí)長。在此背景下，借鑒國際各高校機(jī)器人工程專業(yè)的形成與發(fā)展[7-9]，對國內(nèi)高校本科機(jī)器人技術(shù)課程的構(gòu)成和設(shè)置進(jìn)行了深入分析，結(jié)合以“成果為導(dǎo)向”的目標(biāo)要求，進(jìn)行課程知識(shí)模塊劃分和前后延展的教學(xué)設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)整體教學(xué)的變革。

（一）? 知識(shí)理論基礎(chǔ)

智能機(jī)器人技術(shù)的課程目標(biāo)是為學(xué)生提供有關(guān)機(jī)器人和人工智能技術(shù)的基礎(chǔ)知識(shí)和實(shí)踐技能，為將來能夠獨(dú)立進(jìn)行各種類型的智能機(jī)器人設(shè)計(jì)、制造和控制提供理論基礎(chǔ)。在新工科背景下，機(jī)器人工程專業(yè)的課程需要緊密結(jié)合現(xiàn)實(shí)需求，對傳統(tǒng)機(jī)器人技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化和升級。課程內(nèi)容應(yīng)涵蓋機(jī)器人視覺、人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)等新興技術(shù)，培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)，使他們能夠勝任未來機(jī)器人領(lǐng)域的各種工作。雖然此課程涉及內(nèi)容廣泛，包含機(jī)器人構(gòu)成、運(yùn)動(dòng)控制、感知技術(shù)、智能技術(shù)和應(yīng)用技術(shù)等。但其目標(biāo)并非讓學(xué)生深入掌握每個(gè)細(xì)節(jié)和技術(shù)，而是幫助他們獲得對機(jī)器人和人工智能技術(shù)的整體認(rèn)識(shí)和理解，以便在今后的學(xué)習(xí)和實(shí)踐中熟練應(yīng)用。同時(shí)，新工科背景下機(jī)器人工程專業(yè)的課程需要與其他學(xué)科進(jìn)行交叉合作以促進(jìn)跨學(xué)科融合。例如與計(jì)算機(jī)科學(xué)、機(jī)械工程、材料科學(xué)等學(xué)科合作，進(jìn)行跨學(xué)科教學(xué)和研究，培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力。

（二）? 工程綜合實(shí)踐

智能機(jī)器人技術(shù)是一個(gè)迅速發(fā)展的領(lǐng)域，需要不斷更新和改進(jìn)教學(xué)模式和體系，提高教學(xué)內(nèi)容的綜合性并增強(qiáng)與行業(yè)的聯(lián)系，以適應(yīng)最新的技術(shù)發(fā)展。目前的教學(xué)模式和體系主要存在以下問題。

教學(xué)模式過于理論化。目前智能機(jī)器人技術(shù)的教學(xué)過于側(cè)重理論知識(shí)的傳授，而缺乏實(shí)際操作和應(yīng)用能力的培養(yǎng)。這種教學(xué)模式不能滿足實(shí)際的應(yīng)用需求，導(dǎo)致學(xué)生在實(shí)際操作中缺乏經(jīng)驗(yàn)和技能。智能機(jī)器人技術(shù)需要學(xué)生具備一定的實(shí)際操作技能，否則難以將理論知識(shí)轉(zhuǎn)化為實(shí)際應(yīng)用。

教學(xué)體系缺乏行業(yè)實(shí)踐。教學(xué)體系與行業(yè)實(shí)踐缺乏緊密的聯(lián)系，導(dǎo)致學(xué)生缺乏對行業(yè)的了解和認(rèn)識(shí)。智能機(jī)器人技術(shù)需要緊密結(jié)合行業(yè)實(shí)踐，讓學(xué)生深入了解實(shí)際的應(yīng)用場景和需求，才能夠更好地應(yīng)對未來的挑戰(zhàn)。通過課程設(shè)置和實(shí)踐環(huán)節(jié)，可以幫助學(xué)生了解行業(yè)發(fā)展動(dòng)態(tài)和趨勢，提供各種實(shí)習(xí)和就業(yè)機(jī)會(huì)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新和實(shí)踐能力，提高其職業(yè)競爭力。

（三）? 創(chuàng)新設(shè)計(jì)及拓展

在傳統(tǒng)教學(xué)模式中，理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)通常是分離的[10-12]。但在智能機(jī)器人技術(shù)相關(guān)課程中，理論知識(shí)和實(shí)踐操作需緊密結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)良好的教學(xué)效果。

通過自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)和項(xiàng)目實(shí)踐，學(xué)生可以在實(shí)際中應(yīng)用所學(xué)知識(shí)，解決真實(shí)問題，培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)和能力。同時(shí)，課程設(shè)計(jì)應(yīng)鼓勵(lì)學(xué)生積極參與科研項(xiàng)目和競賽，拓展學(xué)生的視野，提高學(xué)生綜合素質(zhì)和能力。此創(chuàng)新教學(xué)模式可以幫助學(xué)生更好地理解和掌握機(jī)器人技術(shù)，為未來的科研與職業(yè)發(fā)展做好準(zhǔn)備。

二? 多維課程體系教學(xué)

針對機(jī)器人技術(shù)課程的教學(xué)，采用“多維度-多層次”的策略，以構(gòu)建更豐富的學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)和更全面的知識(shí)體系，讓學(xué)生全面提升技能和素質(zhì)[13-14]。整體思路按照本科1—2學(xué)期，通過設(shè)置機(jī)器人學(xué)導(dǎo)論課作為通識(shí)選修，提升學(xué)生對機(jī)器人理論及應(yīng)用的關(guān)注，適當(dāng)拋出科學(xué)性及工程性問題，激發(fā)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的積極性；3—4學(xué)期按照培養(yǎng)要求，設(shè)置學(xué)科基礎(chǔ)理論課程，以液壓與氣壓傳動(dòng)、機(jī)電傳動(dòng)控制等為主，將機(jī)器人技術(shù)中的關(guān)鍵技術(shù)剖析講解，用以豐富學(xué)生理論知識(shí)，夯實(shí)基礎(chǔ)；5—6學(xué)期結(jié)合機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用、傳感器技術(shù)原理、自動(dòng)控制原理等課程建立機(jī)器人核心技術(shù)。同時(shí)結(jié)合本科生創(chuàng)新拔尖計(jì)劃培養(yǎng)，利用特種機(jī)器人研究平臺(tái)對部分學(xué)生深入引導(dǎo)科研和探索；7—8學(xué)期以綜合實(shí)踐、畢業(yè)設(shè)計(jì)和創(chuàng)新為主線，結(jié)合特種機(jī)器人項(xiàng)目制案例，針對即將畢業(yè)的本科生進(jìn)行工程實(shí)訓(xùn)。從而形成以專業(yè)技術(shù)課為核心，以通識(shí)選修課為先導(dǎo)，依托特色科研平臺(tái)和企業(yè)以工程實(shí)踐和開放性創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)為驗(yàn)證的特色機(jī)器人課程群，進(jìn)行8學(xué)期完整培養(yǎng)和訓(xùn)練。

（一）? 導(dǎo)論及通識(shí)選修課

在課程學(xué)習(xí)初期，建立如圖2所示的思維引導(dǎo)，通過設(shè)置機(jī)器人學(xué)導(dǎo)論通識(shí)選修課，引導(dǎo)學(xué)生了解機(jī)器人技術(shù)的起源、發(fā)展及與其他學(xué)科的關(guān)系。這樣的導(dǎo)論課程為學(xué)生提供了全局觀，幫助他們在后續(xù)學(xué)習(xí)中更好地理解和應(yīng)用機(jī)器人技術(shù)。

（二）? 學(xué)科基礎(chǔ)理論課程

在學(xué)科基礎(chǔ)理論課程中，安排液壓與氣壓傳動(dòng)、機(jī)電傳動(dòng)控制等主干課程，幫助學(xué)生建立機(jī)器人技術(shù)的核心理論基礎(chǔ)。通過多門類課程的知識(shí)融合式，可以讓學(xué)生更好地掌握知識(shí)，提高實(shí)踐能力。

（三）? 核心專業(yè)技術(shù)課程

核心專業(yè)技術(shù)課程包括機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用等，這些課程是機(jī)器人技術(shù)教學(xué)的核心內(nèi)容，涵蓋了機(jī)器人的構(gòu)成、運(yùn)動(dòng)控制、感知技術(shù)、智能技術(shù)和應(yīng)用技術(shù)等方面。學(xué)生通過學(xué)習(xí)這些課程，深入了解機(jī)器人技術(shù)的各個(gè)方面，并為未來的實(shí)踐應(yīng)用打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

（四）? 綜合實(shí)踐及創(chuàng)新

在“綜合實(shí)踐及創(chuàng)新”環(huán)節(jié)中，我們組織專業(yè)綜合實(shí)踐課、開放性實(shí)驗(yàn)以及畢業(yè)設(shè)計(jì)等活動(dòng)。這些實(shí)踐項(xiàng)目可以讓學(xué)生將理論知識(shí)應(yīng)用于實(shí)際情況中，培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)和能力。通過參與這些實(shí)踐項(xiàng)目，學(xué)生可以解決真實(shí)問題，拓展學(xué)術(shù)視野，提高綜合素質(zhì)和能力。

通過多維課程體系的教學(xué)，讓學(xué)生在機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域擁有更廣泛的學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)和更全面的知識(shí)體系，培養(yǎng)學(xué)生綜合實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識(shí)，為他們未來在機(jī)器人領(lǐng)域的發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。多維度教學(xué)模式可使學(xué)生更加全面了解機(jī)器人技術(shù)，提升職業(yè)競爭力和適應(yīng)性，從而更好地應(yīng)對未來的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。

三? 特種機(jī)器人的項(xiàng)目制培養(yǎng)

特種機(jī)器人的項(xiàng)目制培養(yǎng)是一種針對機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域的教學(xué)模式，旨在培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力、工程意識(shí)和創(chuàng)新能力，使他們能夠勝任特種機(jī)器人領(lǐng)域的工作和研究，具體流程如圖3所示。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，可按以下四個(gè)方面展開論述。

首先，構(gòu)建項(xiàng)目教學(xué)系統(tǒng)是項(xiàng)目制培養(yǎng)的關(guān)鍵[15]。我們將明確培養(yǎng)目標(biāo)和學(xué)習(xí)內(nèi)容，并構(gòu)建貫穿全程的項(xiàng)目教學(xué)系統(tǒng)。該教學(xué)系統(tǒng)應(yīng)該按照循序漸進(jìn)的方式進(jìn)行，讓學(xué)生從淺入深地學(xué)習(xí)特種機(jī)器人技術(shù)知識(shí)和應(yīng)用。通過參與不同類型的項(xiàng)目，學(xué)生將在實(shí)踐中逐步提高能力，并理解特種機(jī)器人領(lǐng)域的相關(guān)理論和技術(shù)。在此過程中將結(jié)合特種機(jī)器人實(shí)踐中心和彼合彼方機(jī)器人公司的資源，確保學(xué)生能夠獲得足夠的學(xué)習(xí)支持和指導(dǎo)。

其次，全面考察學(xué)生能力是項(xiàng)目制培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)。學(xué)生參與實(shí)際項(xiàng)目需要展示各方面的能力。因此，我們將通過項(xiàng)目實(shí)施過程中的觀察、項(xiàng)目報(bào)告、演示和答辯等方式，對學(xué)生進(jìn)行綜合評估。這些評估將涵蓋學(xué)生的專業(yè)知識(shí)掌握程度、工程實(shí)踐能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力、解決問題的能力等方面。通過全面考察學(xué)生的能力，我們可以更好地了解學(xué)生的優(yōu)勢和不足，并有針對性地進(jìn)行指導(dǎo)和提升。

再次，持續(xù)強(qiáng)化學(xué)生工程意識(shí)是項(xiàng)目制培養(yǎng)的關(guān)鍵目標(biāo)之一[16]。特種機(jī)器人領(lǐng)域需要學(xué)生具備工程意識(shí)，即對實(shí)際工程項(xiàng)目的理解和應(yīng)用能力。在項(xiàng)目制培養(yǎng)中，通過多種方式來持續(xù)強(qiáng)化學(xué)生的工程意識(shí)。例如，在項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段，我們將引導(dǎo)學(xué)生深入了解項(xiàng)目背景和需求，提出解決方案；在項(xiàng)目實(shí)施過程中，鼓勵(lì)學(xué)生關(guān)注項(xiàng)目的實(shí)際應(yīng)用和工程實(shí)踐，培養(yǎng)學(xué)生從工程角度思考和分析問題的能力。持續(xù)強(qiáng)化學(xué)生的工程意識(shí)可以使他們更好地適應(yīng)實(shí)際工作中的需求，為特種機(jī)器人領(lǐng)域的發(fā)展作出貢獻(xiàn)。

最后，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和效果是項(xiàng)目制培養(yǎng)的重要目標(biāo)。通過參與真實(shí)的特種機(jī)器人項(xiàng)目，學(xué)生將體驗(yàn)到學(xué)習(xí)的樂趣和成就感，提高學(xué)習(xí)興趣和效果。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，我們將確保項(xiàng)目具有一定的挑戰(zhàn)性和吸引力，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。同時(shí)，我們將鼓勵(lì)學(xué)生在項(xiàng)目中充分發(fā)揮創(chuàng)意和想象力，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)力。此外，我們還將采用多種教學(xué)方法和手段，如課堂討論、實(shí)踐操作、案例分析等，以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，確保他們能夠在項(xiàng)目制培養(yǎng)中獲得實(shí)質(zhì)性的學(xué)習(xí)成果。

四? 結(jié)束語

通過特種機(jī)器人的項(xiàng)目制培養(yǎng)，將培養(yǎng)更多機(jī)器人技術(shù)高層次人才，他們將在特種機(jī)器人領(lǐng)域具備扎實(shí)的理論知識(shí)和豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，為我國特種機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用作出貢獻(xiàn)。同時(shí)，項(xiàng)目制培養(yǎng)將使學(xué)生在學(xué)習(xí)中體驗(yàn)到真實(shí)的項(xiàng)目實(shí)踐，為未來的科研與職業(yè)發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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