机器人工程专业学生工程实践能力培养研究

冯崇 宋黎明 丁梧秀

摘 要：机器人行业的快速发展导致相关行业急需具有较高工程实践能力的机器人相关人才，现有普通本科培养模式对学生工程实践能力的培养不能满足企业需求。本文以洛阳理工学院机器人工程专业工程实践能力培养为研究目标，重构课程体系，增加实践教学比重，分别从兴趣引导、项目式教学和创新促学等方面进行了教学改革和实践，实现了提升学生工程实践能力的目标。

关键词：机器人工程;实践教学;工程实践

随着国内外机器人行业的快速发展，用工业机器人代替人工劳动已成为必然趋势，因此培养掌握机器人技术技能的人才已迫在眉睫。在“中国制造2025”战略的推进下，越来越多的高校开始开设机器人工程专业[1，2]，2016年只有1所高校获批机器人工程专业，2017年有25所，2018年达到60所，而2019年有101所高校获批机器人工程专业，这也表明高校已经开始重视机器人相关人才的培养[3]。研究表明机器人工程专业大学生工程实践能力的培养应该成为应用型人才培养的主要目标[4，5]。本文以洛阳理工学院机器人工程专业为例，从加强机器人工程专业学生实践能力的培养方面着手进行教学改革，改善应用型本科下机器人工程专业的培养模式。

一、现状分析

目前不少高校的实践教学主要以验证为主，学生根据既定的实验指导书按部就班地完成操作部分;对于使用大型设备的实验，主要以教师操作演示学生参观为主，有兴趣的学生也只能在老师的指导下完成简单的操作，几乎不能有创新任务，实验完成后学生几乎没有机会再次操作这些设备，这样的教学模式很难引起学生的学习兴趣，也不利于对学生实践能力的培养。上述方法对于以培养应用型人才为目标的机器人工程专业人才培养来说是远远不够的。为此对机器人工程专业人才培养方法进行改革与探索：把专业培养贯穿学生的整个学习周期，以实际应用为目标，满足基础应用为标准压缩基础理论课程，增加实践教学课程，激发学生的学习兴趣;实验课和实践课都贴近企业实际状况或直接来源于企业，通过采用项目式教学和鼓励学生参加创新创业活动的方法，提升学生的工程实践能力，进而培养满足企业实际需要的应用型人才。

二、实施方案

洛阳理工学院是一所应用型本科高校，洛阳理工学院机器人工程专业是以培养机器人相关应用型人才为目标，以下结合洛阳理工学院机器人工程专业学生的培养，探讨提高学生工程实践能力的教学方法。

（一）兴趣引导

兴趣是学生学习最好的老师，在原有先学习基础课程、再学习专业基础课程、最后学习专业课的课程体系下，学生在入学初期接触到的专业知识较少，很难对了解不够深入的所修专业有浓厚的兴趣。为引起学生的兴趣，本专业打乱原有课程体系，从第一学期开始就让学生接触专业知识，并动手操作与专业相关的设备，以此引起学生对本专业的兴趣，扩大学生对专业知识的需求，进一步提高学生学习的积极性。

对于第一学期的课程安排，削减部分理论学时，增加机器人认知性课程。这些认知性课程主要以实践课为主，以实际操作引导学生初步认识专业课，并激发学生对相关课程的学习兴趣。为保证学生有足够的操作时间，实验室采用预約开放制度，在实验室没有课程安排的前提下所有学生都可以预约使用实验室，并指派专门的老师指导，学生可以利用课余时间练习操作机器人，或者根据学生兴趣自行设定目标并完成。这样不仅增强了学生对本专业的兴趣，并且让学生在实践过程中发现问题并提出解决办法，进而引发学生对后续知识的需求和兴趣。第二学期引入机器人系统集成应用操作和软件设计基础课程，全部采用项目式或任务式教学，让学生了解机器人相关项目的实施流程，进一步提升学生的工程实践能力。

学生在对机器人等相关设备有了兴趣和初步认识之后，渴望进一步了解机器人的相关理论知识。因此第三四学期增加机器人机械工程基础、机器人控制工程基础、机器人学基础、感知与传感技术、电气控制与PLC、电机及驱动技术等课程，同时整合课程内容，重新修订原有大纲，每一门课程都包含实践课或实验课，确保理论教学与实践教学同步进行。例如机器人机械工程基础课程，传统机械工程基础主要讲解各种机构的原理与组成。现在整个课程的开始就先让同学们根据说明书拆解六自由度工业机器人，了解工业机器人的基本组成，之后提出问题：工业机器人为什么要这样设计、减速机如何选型、为什么要用这么大的螺钉等，以此引出机器人机械工程基础课程的课程目标和课程内容。再例如电机及驱动技术课程，原有电机相关理论课程都是从基础理论讲起，整个课程大部分学时都在推导电机的各种数学模型。现在先把驱动六自由度工业机器人作为实践任务对象，在此基础上分别讲解使用直流电机、步进电机、伺服电机以及特种电机驱动六自由度工业机器人的方法和如何根据机器人需求选择合适的电机，在此过程中讲解电机的相关知识。

在了解工业机器人硬件结构之后，学生开始需要掌握机器人控制系统方面的知识才能更好地控制机器人。因此第五六学期开设微控制器原理及接口技术、机器人运动规划与控制、ROS系统应用、机器人末端执行器设计与实践等课程，分模块讲述机器人控制系统的各个组成部分。例如机器人运动规划与控制课程，学生在学习机器人学基础课程之后已经知道如何根据机器人的目标位置求解机器人各个关节的运动角度，但是如何保证机器人运动的平稳性，以此引出此课程的学习目标和学习内容。

第七八学期为企业实习和毕业设计阶段。课堂的教学环境有限，不能为学生完整展现实际工业现场，因此第七学期把学生安排到机器人相关企业顶岗实习。在第六学期结束前，安排机器人相关企业到学校做企业宣讲，学生可以根据自己的特长和兴趣投递简历，企业根据自己的需要选择合适的学生到企业实习，并指派企业导师在企业辅导学生。学校根据学生实习情况和教师特长指派学校导师辅导学生，以双导师指导模式引领学生完成企业实习。在企业实习过程中企业导师可以根据学生的实习情况和学生特点设计出相关课题作为学生的毕业设计，继续由学校导师和企业导师共同指导完成学生的毕业设计。在这个过程中学生和企业还可以根据双方意向签订就业协议，进而达到服务企业和促进学生就业的目标。

（二）项目式教学

本专业的培养目标是培养机器人系统集成方向的应用型人才，故培养方案中的专业课程都是为这个目标服务的。

为增强学生学以致用的能力和实践动手能力，在教学活动中多采用项目式教学。例如在第二学期开设的《机器人系统集成应用操作》课程，此时学生专业基础课学习的较少，课程目标就是让学生掌握简单工业机器人系统集成方法，具有设计简单机器人工作站的能力。因此，课程的所有内容都是围绕设计一个简单工作站的项目展开。首先带领学生进行项目分解，把整个项目分为机器人部分和运动控制部分，再把这两部分分成若干个子项目，同时把知识点融入子项目中，如右图所示。《机器人系统集成应用操作》课程全部在实验室中完成，在具体教学中，由于学生对专业元器件认识较少，每个子项目完成之前先由教师以满足本次课程使用为度讲解基础知识，之后学生马上完成相应的实践环节，达到随学随用的效果。完成试验后由教师为学生现场答疑，解决学生在实验过程中遇到的问题，再由教师并提出若干问题留作课下任务，引导学生课后复习和课前预习。如在利用机器人完成一个工件的搬运后，提出“需要搬运多个工件时怎么做？”留给学生思考，在下一次上课前提问学生，之后的课程任务就是在搬运一个工件的基础上搬运多个工件，实现促使学生课后复习和课前预习的效果，引导学生对后续课程的思考和后续知识的需求，逐步推进，进而完成课程目标。

（三）创新促学

竞赛可以增强学生理论联系实际解决实际工程问题的能力，进一步提高学生的工程实践能力，同时培养学生的团队协作意识和创新意识。为督促学生积极参加创新比赛，在培养方案中设置2学分的创新创业学分，激励全员参与创新创业活动。

在做好创新创业服务方面，首先，指导学生成立创新创业社团，搭建学生创新创业实驗室，积极组织学生参加各种创新创业比赛，然后组织一些简单入门类比赛，通过举办创新创业大赛，模拟实践等方式，丰富学生的创新创业知识和体验，提升学生的创新精神和创业能力。例如把AGV小车简化为循迹小车组建赛事，让学生利用传感器相关课程所学知识自主选择合适的传感器检测既定轨迹，利用物理知识根据既定场地材质确定车轮材质，利用电机相关课程所学知识选择合适的驱动电机，利用微机原理相关课程搭建小车控制系统控制小车运动等，利用赛事让学生所学知识得以应用;最后根据比赛成绩发放获奖证书，以此增强学生的成就感，促进其参加其他比赛，形成良性循环。

其次，组建创新创业教学体系和第二课堂等，把创新创业与课程教学内容结合起来。例如机器人末端执行器设计课程，把设计机器人末端执行器作为课程内容考核任务，同时选取部分优秀设计案例由学生进行加工制作，之后把学生设计制作的末端执行器装载到实验室设备上使用，用实际应用效果来验证学生设计的可行性，并发现学生设计的不足，进而培养学生的创新能力和工程实践能力，为将来的工作积累经验。同时学生制作的末端执行器还可以作为下一届学生的教具，后续学生可以借鉴往届学生的经验，在他们基础不断完善这些末端执行器，形成良性循环。

最后，带领学生进入企业参观学习，邀请一线工人针对自己的工位介绍自己的工作内容和设备使用情况，同时让一线工人指出部分设备的优化需求，学生分组讨论优化方案，达到让学生主动了解相关知识，并发现自身不足的目的，进而在以后根据自己兴趣有目标的学习。邀请企业优秀项目经理利用实际项目为学生开展创新创业讲座，让学生了解完整项目的实施过程和注意事项，增强学生的创新创业意识，进一步培养学生的工程实践能力。

三、结语

洛阳理工学院从2016年开始在机械设计制造及其自动化专业和自动化专业设置机器人方向，2018年开始正式招收机器人工程专业学生，通过持续不断提升工程实践能力培养的尝试和改进，学生整体的工程实践能力得到大幅度提升，获得企业高度评价。

参考文献：

[1]周济.智能制造——“中国制造2025”的主攻方向[J].中国机械工程，2015，26（17）：22732284.

[2]杨斌，李彦林，许胜.“机器人工程”专业人才培养模式探索[J].教育现代化，2018，5（53）：2022.

[3]王帅，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）：5254.

[4]王成琳，谷明信.新工科背景下应用型本科院校机器人工程人才培养模式探索——以重庆文理学院为例[J].科技创新导报，2019，16（24）：155157.

[5]胡而已，唐超权.机器人工程新工科专业人才培养模式浅析[J].教育教学论坛，2019（32）：259260.

基金项目：本文系河南省新工科研究与实践立项项目（2020JGLX078）、河南省高等教育教学改革研究与实践立项重点项目（2019SJGLX150）和洛阳理工学院教学研究项目（17JY33）的研究成果

作者简介：冯崇，男，河南驻马店人，硕士，助教，研究方向：机器人工程;宋黎明，男，河南孟州人，助教，研究方向：人机工程;丁梧秀，女，山西运城人，博士，教授，研究方向：教育教学管理。