新工科背景下多维度全周期机器人课程建设与实践

高春艳 吕晓玲 刘璇 田颖 李满宏

摘  要：在新工科背景下，高等工程教育急需探索新型专业人才培养方法，以适应科技需求与产业变革。但机器人课程理论基础要求较高，实践教学比重大，应用普通培养方案很难分配足够的教学环节。通过对机器人技术课程教学现状的分析，提出将课程教学整合为基础知识、实践综合和创新设计主题模块，构建学术导论、理论基础、综合实践、创新选修和毕业设计等环节协同交叉、互为延展的多维度课程建设体系，将课程贯穿至本科阶段8个学期，有效夯实机器人技术技能及综合应用能力，提升教学效果。

关键词：新工科；机器人技术课程；多维度课程体系；教学改革；探索实践

中图分类号：G640        文献标志码：A          文章编号：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

随着科技的快速进步和广泛应用，以培养创新型工程技术人才为目标的新工科教育对课程体系和教学方法提出了更高要求。自2017年以来，国内众多高校对新工科内涵及专业培养体系进行了深入研究[1-4]，积极探索各种课程体系的新建设和教学模式的新变革。经过6年的教学实践，结合本校学科定位和专业培养目标，机器人课程教学团队构建了以导论、学科基础、主干专业课、综合实践、创新选修和综合设计为线索的课程体系建设。

为紧密串联整体课程脉络，充分借助学校的“本科生创新拔尖计划”，使课程体系更加紧密和高效，建立如图1所示的多维度课程体系。此课程教学体系具有“快、准、新”的鲜明特征，强调学生学习的快速适应，教学内容的准确切实，以及课程体系的创新性。通过课程体系建设，为学生提供一个全面发展、多维拓展的机器人教育平台，培养一批具有高水平专业技术和创新能力的工程技术人才。

一  机器人技术课程教学分析

相对于传统的课程教学，新工科模式更加注重学生工程实践能力和创新能力的提升，并呈现出学科技术组成复杂、涉及领域广泛的特点[5-6]。因此，将机器人技术仅作为一门独立课程安排在某个学期进行是远远不够的。但受限于总体培养方案的限制，难以补充过多学习时长。在此背景下，借鉴国际各高校机器人工程专业的形成与发展[7-9]，对国内高校本科机器人技术课程的构成和设置进行了深入分析，结合以“成果为导向”的目标要求，进行课程知识模块划分和前后延展的教学设计，从而实现整体教学的变革。

（一）  知识理论基础

智能机器人技术的课程目标是为学生提供有关机器人和人工智能技術的基础知识和实践技能，为将来能够独立进行各种类型的智能机器人设计、制造和控制提供理论基础。在新工科背景下，机器人工程专业的课程需要紧密结合现实需求，对传统机器人技术进行优化和升级。课程内容应涵盖机器人视觉、人工智能、机器学习等新兴技术，培养学生的综合素质，使他们能够胜任未来机器人领域的各种工作。虽然此课程涉及内容广泛，包含机器人构成、运动控制、感知技术、智能技术和应用技术等。但其目标并非让学生深入掌握每个细节和技术，而是帮助他们获得对机器人和人工智能技术的整体认识和理解，以便在今后的学习和实践中熟练应用。同时，新工科背景下机器人工程专业的课程需要与其他学科进行交叉合作以促进跨学科融合。例如与计算机科学、机械工程、材料科学等学科合作，进行跨学科教学和研究，培养学生的综合素质和创新能力。

（二）  工程综合实践

智能机器人技术是一个迅速发展的领域，需要不断更新和改进教学模式和体系，提高教学内容的综合性并增强与行业的联系，以适应最新的技术发展。目前的教学模式和体系主要存在以下问题。

教学模式过于理论化。目前智能机器人技术的教学过于侧重理论知识的传授，而缺乏实际操作和应用能力的培养。这种教学模式不能满足实际的应用需求，导致学生在实际操作中缺乏经验和技能。智能机器人技术需要学生具备一定的实际操作技能，否则难以将理论知识转化为实际应用。

教学体系缺乏行业实践。教学体系与行业实践缺乏紧密的联系，导致学生缺乏对行业的了解和认识。智能机器人技术需要紧密结合行业实践，让学生深入了解实际的应用场景和需求，才能够更好地应对未来的挑战。通过课程设置和实践环节，可以帮助学生了解行业发展动态和趋势，提供各种实习和就业机会，培养学生的创新和实践能力，提高其职业竞争力。

（三）  创新设计及拓展

在传统教学模式中，理论教学和实践教学通常是分离的[10-12]。但在智能机器人技术相关课程中，理论知识和实践操作需紧密结合，以实现良好的教学效果。

通过自主创新实验和项目实践，学生可以在实际中应用所学知识，解决真实问题，培养创新意识和能力。同时，课程设计应鼓励学生积极参与科研项目和竞赛，拓展学生的视野，提高学生综合素质和能力。此创新教学模式可以帮助学生更好地理解和掌握机器人技术，为未来的科研与职业发展做好准备。

二  多维课程体系教学

针对机器人技术课程的教学，采用“多维度-多层次”的策略，以构建更丰富的学习机会和更全面的知识体系，让学生全面提升技能和素质[13-14]。整体思路按照本科1—2学期，通过设置机器人学导论课作为通识选修，提升学生对机器人理论及应用的关注，适当抛出科学性及工程性问题，激发学生主动学习的积极性；3—4学期按照培养要求，设置学科基础理论课程，以液压与气压传动、机电传动控制等为主，将机器人技术中的关键技术剖析讲解，用以丰富学生理论知识，夯实基础；5—6学期结合机器人技术及应用、传感器技术原理、自动控制原理等课程建立机器人核心技术。同时结合本科生创新拔尖计划培养，利用特种机器人研究平台对部分学生深入引导科研和探索；7—8学期以综合实践、毕业设计和创新为主线，结合特种机器人项目制案例，针对即将毕业的本科生进行工程实训。从而形成以专业技术课为核心，以通识选修课为先导，依托特色科研平台和企业以工程实践和开放性创新实验为验证的特色机器人课程群，进行8学期完整培养和训练。

（一）  导论及通识选修课

在课程学习初期，建立如图2所示的思维引导，通过设置机器人学导论通识选修课，引导学生了解机器人技术的起源、发展及与其他学科的关系。这样的导论课程为学生提供了全局观，帮助他们在后续学习中更好地理解和应用机器人技术。

（二）  学科基础理论课程

在学科基础理论课程中，安排液压与气压传动、机电传动控制等主干課程，帮助学生建立机器人技术的核心理论基础。通过多门类课程的知识融合式，可以让学生更好地掌握知识，提高实践能力。

（三）  核心专业技术课程

核心专业技术课程包括机器人技术及应用等，这些课程是机器人技术教学的核心内容，涵盖了机器人的构成、运动控制、感知技术、智能技术和应用技术等方面。学生通过学习这些课程，深入了解机器人技术的各个方面，并为未来的实践应用打下坚实基础。

（四）  综合实践及创新

在“综合实践及创新”环节中，我们组织专业综合实践课、开放性实验以及毕业设计等活动。这些实践项目可以让学生将理论知识应用于实际情况中，培养创新意识和能力。通过参与这些实践项目，学生可以解决真实问题，拓展学术视野，提高综合素质和能力。

通过多维课程体系的教学，让学生在机器人技术领域拥有更广泛的学习机会和更全面的知识体系，培养学生综合实践能力和创新意识，为他们未来在机器人领域的发展打下坚实基础。多维度教学模式可使学生更加全面了解机器人技术，提升职业竞争力和适应性，从而更好地应对未来的挑战和机遇。

三  特种机器人的项目制培养

特种机器人的项目制培养是一种针对机器人技术领域的教学模式，旨在培养学生的实践能力、工程意识和创新能力，使他们能够胜任特种机器人领域的工作和研究，具体流程如图3所示。为了实现这一目标，可按以下四个方面展开论述。

首先，构建项目教学系统是项目制培养的关键[15]。我们将明确培养目标和学习内容，并构建贯穿全程的项目教学系统。该教学系统应该按照循序渐进的方式进行，让学生从浅入深地学习特种机器人技术知识和应用。通过参与不同类型的项目，学生将在实践中逐步提高能力，并理解特种机器人领域的相关理论和技术。在此过程中将结合特种机器人实践中心和彼合彼方机器人公司的资源，确保学生能够获得足够的学习支持和指导。

其次，全面考察学生能力是项目制培养的重要环节。学生参与实际项目需要展示各方面的能力。因此，我们将通过项目实施过程中的观察、项目报告、演示和答辩等方式，对学生进行综合评估。这些评估将涵盖学生的专业知识掌握程度、工程实践能力、团队协作能力、解决问题的能力等方面。通过全面考察学生的能力，我们可以更好地了解学生的优势和不足，并有针对性地进行指导和提升。

再次，持续强化学生工程意识是项目制培养的关键目标之一[16]。特种机器人领域需要学生具备工程意识，即对实际工程项目的理解和应用能力。在项目制培养中，通过多种方式来持续强化学生的工程意识。例如，在项目设计阶段，我们将引导学生深入了解项目背景和需求，提出解决方案；在项目实施过程中，鼓励学生关注项目的实际应用和工程实践，培养学生从工程角度思考和分析问题的能力。持续强化学生的工程意识可以使他们更好地适应实际工作中的需求，为特种机器人领域的发展作出贡献。

最后，提高学生学习兴趣和效果是项目制培养的重要目标。通过参与真实的特种机器人项目，学生将体验到学习的乐趣和成就感，提高学习兴趣和效果。为实现这一目标，我们将确保项目具有一定的挑战性和吸引力，激发学生的学习兴趣。同时，我们将鼓励学生在项目中充分发挥创意和想象力，提高学生的学习动力。此外，我们还将采用多种教学方法和手段，如课堂讨论、实践操作、案例分析等，以提高学生的学习效果，确保他们能够在项目制培养中获得实质性的学习成果。

四  结束语

通过特种机器人的项目制培养，将培养更多机器人技术高层次人才，他们将在特种机器人领域具备扎实的理論知识和丰富的实践经验，为我国特种机器人技术的发展和应用作出贡献。同时，项目制培养将使学生在学习中体验到真实的项目实践，为未来的科研与职业发展打下坚实的基础。

参考文献：

[1] 张辉，李智勇，钟杭，等.“智能机器人技术”课程教学改革实践[J].电气电子教学学报，2023，45（1）：4-6.

[2] 任斌.机器人控制技术课程教学改革的探索与实践[J].高教学刊，2021，7（21）：126-129.

[3] 朱志浩，郭毓.“新工科”背景下机器人课程的教学模式探索[J].工业控制计算机，2023，36（7）：161-162，164.

[4] 范良志，江珂，朱海平，等.新工科背景下机器人知识体系与课程内容研究[J].高等工程教育研究，2021（2）：32-38.

[5] 李瑞峰，荣伟彬，邓鑫.新工科背景下机器人工程专业研究与探索[J].中国大学教学，2020（Z1）：32-36.

[6] 龙迎春，韩竺秦，曾祥锋，等.新工科背景下机器人工程专业人才培养课程体系构建的探索[J].高教学刊，2021，7（30）：147-150，155.

[7] 姚威，胡顺顺.美国新兴工科专业形成机理及对我国新工科建设的启示——以机器人工程专业为例[J].高等工程教育研究，2019（5）：48-53，87.

[8] ZHONG B， WANG Y. Effects of roles assignment and learning styles on pair learning in robotics education[J]. International Journal of Technology and Design Education，2019（31）：1-19.

[9] ESPOSITO J M. The state of robotics education： Proposed goals for positively transforming robotics education at postsecondary institutions[J]. IEEE Robotics & Automation Magazine，2017，24（3）：157-164.

[10] 蔡军，郭鹏.“新工科”背景下以创新人才为培养导向的实验教学改革及实践——以机器人应用技术实验教学为例[J].高教学刊，2019（11）：52-55.

[11] 乔国朝，张争艳，张建辉，等.新工科背景下机械专业人才培养模式改革与实践[J].高教学刊，2020（21）：85-88.

[12] 徐咏，覃曼萍，唐毓纳，等.新工科背景下智能机器人课程多元混合式教学改革与实践[J].软件导刊，2023，22（5）：225-229.

[13] 米洁，吴迎年，甄真，等.新工科专业“大实践平台”的建设及思考——以机器人工程教育改革为例[J].中国高校科技，2021（9）：67-71.

[14] 周萌，曹政才，吴启迪.新工科背景下基于“五位一体”的机器人技术教学改革研究[J].高等工程教育研究，2020（4）：66-70.

[15] 韩振华，魏群，李文娟，等.新工科背景下融入虚拟仿真的机器人实践类课程的创新教学探索[J].南方农机，2023，54（14）：159-162，165.

[16] 张志红.基于新工科的机器人课程教学实践[J].集成电路应用，2023，40（6）：68-69.