蘇學滿 劉玉飛 江本赤 孫麗麗 黃勝洲

DOI：10.3969/j.issn.1671-489X.2023.14.141

摘? 要? 基于工程教育專業(yè)認證 OBE（Outcome based edu-

cation，OBE）理念，確立了實踐教學環(huán)節(jié)的能力目標。結合新工科專業(yè)特點，以滿足地方戰(zhàn)略性新興產業(yè)人才需求為專業(yè)目標，依據學?！霸斐鰜怼獎悠饋怼闷饋怼蹦芰Ξa出的培養(yǎng)模式及專業(yè)建設思路，構建實踐性教學環(huán)節(jié)課程體系，對地方應用型本科院校機器人工程專業(yè)的人才培養(yǎng)具有一定的參考意義。

關鍵詞? 機器人工程；OBE；工程教育；新工科；實踐性

教學

中圖分類號：G642.44? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2023）14-0141-04

Construction of Practical Teaching System of

Robot Engineering Specialty Based On OBE Con-

cept//SU Xueman， LIU Yufei， JIANG Benchi， SUN

Lili， HUANG Shengzhou

0? 引言

截至2021年，中國工業(yè)機器人市場已連續(xù)八年

穩(wěn)居全球第一。近5年來中國工業(yè)機器人產量增長迅速，從2016年的7.2萬臺增長到2021年的36.6萬

臺?！丁笆奈濉睓C器人產業(yè)發(fā)展規(guī)劃》[1]指出，在新的發(fā)展時期，將我國建設成為全球機器人技術創(chuàng)新的策源地、高端制造的集聚地和集成應用的新高地?！吨袊圃?025》[2]明確了制造升級的發(fā)展方向，工業(yè)機器人是重中之重。隨著中國制造業(yè)的轉型升級，機器人將成為制造業(yè)全面實現(xiàn)智能化的關鍵裝備。據《制造業(yè)人才發(fā)展規(guī)劃指南》[3]統(tǒng)計，我國目前機器人的產業(yè)供求比例為1∶10，工業(yè)機器人產業(yè)人才缺口在300萬左右，預計到2025年將突破450萬。作為新興產業(yè)的特殊人才，工業(yè)機器人專業(yè)人才的需求已出現(xiàn)明顯結構性短缺，成了產業(yè)發(fā)展的致命傷。國家蕪湖機器人產業(yè)園已落戶機器人企業(yè)120余家，形成關鍵零部件、工業(yè)機器人、特種機器人、機器人系統(tǒng)集成、智能裝備全產業(yè)鏈集聚發(fā)展態(tài)勢。但隨著機器人項目的快速增長，人才的持續(xù)需求存在很大的缺口。

2016年，東南大學最先開設機器人工程專業(yè)；2017年，共有25所本科院校開設機器人工程專業(yè)；2018年又增加了60所本科院校；2019年再增62所；2020年、2021年分別新增53、21所。機器人工程專業(yè)作為新工科（Emerging Engineering Educa-tion，3E）建設專業(yè)將為戰(zhàn)略性新興產業(yè)——機器人產業(yè)提供人才支持和智力支撐。由于機器人工程專業(yè)是新增專業(yè)，并且具有多學科交叉的特點，各院校依托專業(yè)背景不盡相同，導致機器人工程專業(yè)建設與人才培養(yǎng)沒有形成統(tǒng)一的模式，仍處于探索階段。

2017年，安徽工程大學開始機器人工程專業(yè)招生，肩負著為蕪湖機器人產業(yè)培養(yǎng)具有社會責任感、創(chuàng)新精神、創(chuàng)業(yè)意識和實踐能力的機器人產業(yè)高素質應用型人才的使命。如何培養(yǎng)能從事機器人關鍵技術研究、整機開發(fā)、關鍵零部件研制、機器人集成應用的高素質應用型人才是亟待解決的課題。而實踐性教學是人才培養(yǎng)的關鍵環(huán)節(jié)。如何構建實踐性教學體系是保證教學目標達成的重要

手段。

1? 新工科背景下，實踐性教學環(huán)節(jié)的重要性

新工科是基于國家戰(zhàn)略發(fā)展新需求、國際競爭新形勢、立德樹人新要求而提出的我國工程教育的改革方向，其內涵為：以立德樹人為引領，以應對變化、塑造未來為建設理念，以繼承與創(chuàng)新、交叉與融合、協(xié)調與共享為主要途徑，培養(yǎng)未來多元化、創(chuàng)新型卓越工程人才[4]。

機器人工程專業(yè)作為新工科專業(yè)是國家戰(zhàn)略和需求，承擔著人才培養(yǎng)、科學研究、社會服務、文化傳承創(chuàng)新、國際交流合作的職責使命和實現(xiàn)中華民族偉大復興中國夢的歷史使命，是落實立德樹人新要求的重大舉措。作為新工科專業(yè)，強化實踐和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育是其關鍵任務之一。

辯證唯物主義認為，實踐是檢驗真理的唯一標準，實踐觀點是馬克思主義認識論的首要和基本的觀點。1937年，毛澤東在《實踐論》中深刻闡述了理論與實踐、知和行的關系，人們認識具體事物的辯證過程是以實踐、認識、再實踐、再認識的形式循環(huán)往復[5]?！皩嵺`出真知”“讀萬卷書，行萬里路”“紙上等來終覺淺，絕知此事要躬行”“力行而后知之真”“行是知之始，知是行之成”，古往今來，無數名言名句無不強調實踐的重要性。當前，在新工科人才培養(yǎng)過程中同樣需要實踐。

為了實現(xiàn)新工科內涵建設，機器人工程專業(yè)建設中實踐環(huán)節(jié)需要解決以下問題。

1）明確人才培養(yǎng)目標：面向產業(yè)培養(yǎng)人才，避免與產業(yè)脫節(jié)。機器人產業(yè)作為戰(zhàn)略性新興產業(yè)，人才需求旺盛，應培養(yǎng)出滿足產業(yè)需求的應用型高素質人才[6]。

2）確立實踐的重要地位：注重工程教育，避免重理論輕實踐。工程改變世界，科技創(chuàng)造未來，工

程教育決定著人類的今天，也決定著人類的未來[4]。要注重理論聯(lián)系實際，引導學生邊干邊學。

3）明確實踐能力培養(yǎng)的途徑：加強工程實踐訓

練，避免實踐能力不足。目前對未來工程師的質量標準尚未有一個統(tǒng)一的界定，美國工程院發(fā)布的《2020的工程師：新世紀工程的愿景》報告指出，實踐能力是未來工程師應該具備的素質之一[7]。

4）強化人才培養(yǎng)師資保障：加強師資隊伍建

設，避免有學無教。教育者應先受教育，加強教師實踐和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育教學能力[8]。

2? 基于OBE理念的工程教育

工程教育對建設教育強國、服務現(xiàn)代化建設，具有重大戰(zhàn)略意義。工程教育是我國建設世界重要人才中心和創(chuàng)新高地的必然選擇[9]，在推進我國工業(yè)化、建立完整工業(yè)體系進程中發(fā)揮了至關重要的作用，是培養(yǎng)學生解決工程問題的綜合能力的重要途徑。

OBE理念是一種以成果為導向，以學生為中心，采用逆向思維的方式進行課程體系建設的理念[10]。學習成果體現(xiàn)為不同能力結構，能力的實現(xiàn)主要通過課程教學的實施來完成。因此，課程體系構建對最終學習成果的達成至關重要。要求每一種能力都要有具體的課程來支撐，在能力與課程之間形成明確清晰的對應關系，同時，設置的每一門課程都要對能力的實現(xiàn)有具體的貢獻。

緊扣機器人產業(yè)對本科人才的需求特點，堅持以產出為導向的工程教育的理念，必須明確四個方面的內容：

1）預期的學習成果是什么（畢業(yè)要求）；

2）為什么要達成這樣的學習成果（培養(yǎng)目標）；

3）達成學習成果的途徑是什么（課程體系）；

4）如何評價有沒有達成學習成果，并持續(xù)改進教學效果（評價體系）。

工程教育專業(yè)認證是國際通行的工程教育質量保障制度，也是實現(xiàn)工程教育國際互認和工程師資格國際互認的重要基礎[11]。工程教育專業(yè)認證作為促進高校工程教育改革和質量保證體系建設的重要一環(huán)，能夠有效強化當前的工程教育水平[12]?！皩W生中心、產出導向、持續(xù)改進”理念是工程教育的新范式，應作為新工科建設必須遵循的人才培養(yǎng)模式。要堅持并全面落實以學生為中心的理念，加強師生互動，增強學生的“向學力”。貫徹落實實踐性教學環(huán)節(jié)是達成學生解決復雜工程問題能力的首要條件，而構建實踐性教學體系是前提和保證。

3? 機器人工程專業(yè)實踐性教學體系的構建

如何有效地培養(yǎng)未來智能制造領域戰(zhàn)略性新興產業(yè)——機器人產業(yè)所需的工程實踐能力強、創(chuàng)新能力突出的高素質應用型的新工科人才，成為諸多應用型本科高校面臨的難題。為了契合安徽工程大學“培養(yǎng)德智體美勞全面發(fā)展，具有社會責任感、創(chuàng)新精神、創(chuàng)業(yè)意識和實踐能力的高素質應用型人才”的培養(yǎng)目標和“支撐產業(yè)、服務地方”的辦學定位，達成機器人工程專業(yè)“培養(yǎng)飽含家國情懷，兼?zhèn)湔_人生觀和價值觀，扎實且全面的自然科學和機器人工程技術基礎知識，較強的機器人工程實踐和終身學習能力，較好的團隊精神、創(chuàng)新意識和國際視野，較強的社會責任感和職業(yè)素質，能從事機器人關鍵技術研究、整機開發(fā)、關鍵零部件研制、機器人集成應用的高素質應用型人才”的專業(yè)培養(yǎng)目標，根據機器人產業(yè)的人才需求，確立了“造出來—動起來—用起來”人才培養(yǎng)思路，根據其能力要求構建機器人工程專業(yè)實踐性教學體系。

3.1? 面向產業(yè)的能力產出

培養(yǎng)機器人產業(yè)急需的高質量應用型人才是機器人工程專業(yè)進行新工科建設的目標，根據產業(yè)需求構建實踐性教學體系符合新工科建設要求。能力目標與產業(yè)鏈之間的關系如圖1所示。根據產業(yè)鏈不同企業(yè)的性質，歸納為“造出來—動起來—用起來”的能力目標。

“造出來”能力主要面向機器人產業(yè)的上游企業(yè)，主要是機器人關鍵零部件企業(yè)，包括控制器、減速機、伺服電機、傳感器等企業(yè)?！皠悠饋怼蹦芰χ饕嫦驒C器人產業(yè)的中游企業(yè)，主要是機器人整機企業(yè)?！坝闷饋怼蹦芰χ饕嫦驒C器人下游企業(yè)，主要是機器人集成應用企業(yè)。根據該培養(yǎng)模式，可以培養(yǎng)機器人全產業(yè)鏈的應用型人才。

3.2? 能力構成及支撐環(huán)節(jié)設置

根據“造出來—動起來—用起來”的目標要求，分別確立了不同的能力構成，并設置了實踐性支撐環(huán)節(jié)，其關系如圖2所示。

3.2.1? “造出來”的能力

“造出來”的能力包括機械設計能力、控制算法設計能力、嵌入式系統(tǒng)開發(fā)能力等。機械設計能力包括機器人新型機構設計、機器人本體設計、機器人末端執(zhí)行器設計，以機械設計能力為基礎，兼具現(xiàn)代設計工具的分析應用能力，能夠利用Solid-

Works、ANSYS等軟件進行設計、分析與仿真，達成工程教育專業(yè)認證中的畢業(yè)要求。

主要的實踐性支撐環(huán)節(jié)有制圖測繪、機械設計課程設計、工業(yè)機器人拆裝、工業(yè)機器人本體課程設計、學科競賽、科研項目訓練、畢業(yè)設計、機器人創(chuàng)新訓練?？刂扑惴ㄔO計能力包括算法設計與編程實現(xiàn)等，其實踐性支撐環(huán)節(jié)有高級語言課程實驗、機器學習課程實驗等。嵌入式系統(tǒng)開發(fā)能力包括硬件設計能力、編程調試能力等，其實踐性支撐環(huán)節(jié)有計算機組成與結構課程實驗、嵌入式原理與應用課程實驗等。

3.2.2? “動起來”的能力

“動起來”的能力主要包括機器人驅動與控制、末端執(zhí)行器的驅動與控制、移動平臺的運動控制。以機器人運動學動力學分析為基礎，兼具軌跡規(guī)劃能力、程序設計能力，能夠利用MATLAB進行建模、預測與仿真，達成畢業(yè)要求。

主要實踐性支撐環(huán)節(jié)有機器人驅動與控制課程設計、機器人建模與仿真實驗、高級語言實驗、機電設備PLC控制實驗、機器人操作系統(tǒng)ROS課程實驗、學科競賽、科研項目訓練、畢業(yè)設計、機器人創(chuàng)新訓練。

3.2.3? “用起來”的能力

“用起來”的能力主要包括機器人集成應用方案設計、現(xiàn)場安裝調試。以機器人集成應用方案設計為基礎，兼具現(xiàn)場安裝調試能力、PLC程序設計能力、人機界面設計能力、傳感器與機器視覺應用能力、氣動控制系統(tǒng)設計能力、工業(yè)機器人操作編程能力。

主要實踐性支撐環(huán)節(jié)有工業(yè)機器人系統(tǒng)創(chuàng)新專題設計、工業(yè)機器人操作與編程、機電設備PLC控制實驗、機器視覺實驗、傳感器原理及應用實驗、學科競賽、科研項目訓練、畢業(yè)設計、機器人技能培訓、機器人創(chuàng)新訓練。

通過上述實踐性教學環(huán)節(jié)的設置，基本能夠達成機器人工程專業(yè)實踐能力的畢業(yè)要求。

4? 結束語

緊緊圍繞新工科建設內涵，遵循OBE工程教育理念，確立了機器人工程專業(yè)“造出來—動起來—用起來”的面向機器人產業(yè)的專業(yè)建設與人才培養(yǎng)模式，構建滿足新工科建設要求的實踐能力、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力的實踐性教學體系，確保應用型人才培養(yǎng)質量的高要求。

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作者簡介：蘇學滿、黃勝洲，副教授；劉玉飛，安徽工程大學人工智能學院智造系主任，副教授；江本赤，安徽工程大學人工智能學院副院長，副教授；孫麗麗，講師。