桂 偉 聶晶晶 周 浩

武漢商學院 湖北武漢 430056

1 概述

機器人工程專業(yè)的實踐教學在機器人工程專業(yè)應用型人才培養(yǎng)中有著重要地位,針對機器人工程專業(yè)實踐教學創(chuàng)新性強、多技術綜合及產教高度融合特點,構建形成具有“層次性、遞進性和綜合性”特點的機器人工程專業(yè)實踐教學體系。通過實踐教學與工程項目的無縫對接,拉近教育與工程的距離,實現(xiàn)實踐教學內容與技術更新相結合,拓展實驗內容的深度和廣度,使學生盡早接觸先進技術,凸顯機器人工程專業(yè)多學科交叉融合的特點。

2 CDIO-KSQA內涵

一般意義上的“協(xié)同育人”是指多方協(xié)同合作共同培養(yǎng)學生,落腳點主要在學校的人才培養(yǎng)上。而本文涉及的“校企協(xié)同育人”是指校企雙方基于“互惠互利、雙向共贏”的思路開展合作,以實現(xiàn)人才培養(yǎng)與企業(yè)發(fā)展的雙向共贏。

“CDIO”是指企業(yè)產品項目的構思(Conceive)、設計(Design)、實現(xiàn)(Implement)和運作(Operate)的整個生命周期,本文主要是基于CDIO的項目化教學理念,研究校企合作開展項目化實踐教學的思路與措施,以實現(xiàn)校企協(xié)同育人的目的;“KSQA”是指應用型人才所必須具備的:專業(yè)知識(Professional Knowledge)、實踐技能(Practical Skills)、職業(yè)素質(Professional Quality)、工程能力(Engineering Ability)。

本文結合國內機器人工程專業(yè)人才培養(yǎng)的實際情況,探討將應用型人才培養(yǎng)與CDIO四大能力相結合的思路,構建以CDIO教育理念為指引、以校企協(xié)同育人為手段、以企業(yè)實際項目為依托,以項目化教學為途徑,以專業(yè)知識的傳授、實踐技能的提升、職業(yè)素質的培養(yǎng)、工程能力的形成為核心目標的“CDIO-KSQA型”機器人工程專業(yè)應用型人才培養(yǎng)的實踐教學體系。

3 “CDIO-KSQA型”實踐教學體系構建

3.1 實踐教學體系構建調研

3.1.1 機器人工程專業(yè)活動對畢業(yè)生工作/學習影響的較大情況

從隨機調研的機器人工程專業(yè)畢業(yè)生來看,90%以上的學生認為機器人工程專業(yè)的實驗實習教學環(huán)節(jié)對學生畢業(yè)后繼續(xù)學習及工作影響較大,有半數(shù)以上學生認為專業(yè)知識及課外科技活動對今后的學習工作影響較大。

3.1.2 機器人工程專業(yè)學生存在較大差距需要加強訓練的能力情況

從隨機調研的機器人工程專業(yè)畢業(yè)生來看,60%以上的學生認為學生的實踐動手能力對學生今后繼續(xù)學習及工作影響較大,有半數(shù)以上學生認為專業(yè)基礎能力及計算機能力對今后的學習工作影響較大。從這方面可以看出在機器人工程專業(yè)的人才培養(yǎng)中要著重加強學生實踐動手能力、專業(yè)基礎能力及計算機能力的培養(yǎng),調研反饋的具體情況,如下表所示。

機器人專業(yè)學生存在較大差距需要加強訓練的能力情況表

3.2 “CDIO-KSQA型”雙主線項目層進式實踐教學體系

本文從CDIO工程教育理念出發(fā),以學生興趣為主體,以工業(yè)機器人和智能機器人兩個專業(yè)方向為切入點,以培養(yǎng)工業(yè)機器人與智能裝備新興產業(yè)及傳統(tǒng)產業(yè)轉型升級急需的機器人工程師為目標,以“構思、設計、實現(xiàn)和運作”工業(yè)機器人工作站系統(tǒng)集成項目和智能機器人軟硬件開發(fā)項目為主線,構建機器人工程專業(yè)“CDIO-KSQA型”雙主線項目層進式實踐教學體系,緊密圍繞學生工程認知能力、工程驗證能力、工程設計能力及工程應用能力的培養(yǎng),開展全鏈條、全流程、全周期不間斷的工程化訓練。

4 “三段五層”實踐教學課程群構建

機器人工程專業(yè)雙主線項目層進式實踐教學,著重強化學生的工程理念,以工程項目為載體,堅持工程理念不斷線,以項目驅動的方式實現(xiàn)對學生實踐能力培養(yǎng),使其在實踐課程教學中,能夠將相對獨立的課堂理論知識進行綜合應用,逐漸提高學生的工程應用能力。

為形成能夠支撐學生職業(yè)發(fā)展的實踐教學課程群,機器人教研團隊開展了“學生希望在實踐教學中學習到哪方面知識”的調研,超過七成學生希望通過實踐教學學習機器人編程、設計和創(chuàng)新方面知識。

機器人教研團隊根據(jù)機器人工程專業(yè)發(fā)展方向及六大就業(yè)崗位對實踐能力的培養(yǎng)要求,結合學生對實踐教學的希望,構建“三段五層”實踐教學課程群。

4.1 工業(yè)機器人實踐教學課程群

工業(yè)機器人實踐教學體系主要包括工業(yè)機器人基本技能實踐層、工業(yè)機器人基本理論實踐層、工業(yè)機器人機械設計實踐層、工業(yè)機器人電氣設計實踐層及工業(yè)機器人綜合設計應用實踐層,五層實踐教學依托工業(yè)機器人系統(tǒng)集成應用項目分三段依次開展層進式實踐教學。

4.1.1 工業(yè)機器人初級認知階段實踐教學

工業(yè)機器人初級階段主要開展學生基本技能基本理論的訓練,主要包括工業(yè)機器人基本技能實踐層和工業(yè)機器人基本理論實踐層兩個實踐教學層。

其中由“專業(yè)認知實習”“制圖實踐”“工程實訓”“電子工藝實訓”及“電路分析”等基礎課程實驗構成的工業(yè)機器人基本技能實踐課程群,主要培養(yǎng)學生的工程認知能力,幫助學生理解和鞏固相應的工程基礎知識,初步掌握工程基本技能。

由專業(yè)課程“工程力學”等課內實驗、“模擬電子技術實驗”專業(yè)獨立實驗課構成的工業(yè)機器人基本理論實踐課程群,主要培養(yǎng)學生的工程驗證能力。通過將理論課程放在實驗室的理實一體化教學,學生在理論教學結束后直接在實驗室通過項目驗證理論知識,既可以深入理解理論知識,又可以提高學生理論與實踐相結合的能力,激發(fā)學生的學習興趣,使學生得到充足的訓練時間和機會,提高工程驗證能力。

4.1.2 工業(yè)機器人中級提升階段實踐教學

工業(yè)機器人中級階段主要開展學生機器人機械、電氣模塊化設計的訓練,主要包括工業(yè)機器人工作站機械設計實踐層和工業(yè)機器人工作站電氣系統(tǒng)設計實踐層兩個實踐教學層。

其中由“機械設計基礎課程設計”“機器人編程實訓”“機械設計基礎”課內實驗及“機器人工裝設計實驗”等獨立實驗課構成的工業(yè)機器人工作站機械設計實踐課程群,主要培養(yǎng)學生具備利用機械設計常用軟件開展機器人工作站機械本體結構設計、工裝夾具等非標零部件設計的工程設計以及機器人工作站運動仿真能力?！皺C器人編程實訓”課程主要對學生運用仿真軟件RobotStudio對碼垛生產線中的設計方案進行運動仿真,進而優(yōu)化碼垛機器人工作站機械結構設計。

由“電氣控制課程設計”“電氣控制與PLC實驗”及“電機與拖動實驗”等獨立實驗課構成的工業(yè)機器人工作站電氣設計課程群,主要培養(yǎng)學生具備利用電氣設計常用軟件開展工業(yè)機器人工作站電氣控制的軟、硬件設計的工程設計能力。

工業(yè)機器人中級階段實踐教學利用工業(yè)機器人實踐項目,通過課程設計、綜合實訓課程及獨立實驗課,指導學生學習使用機器人基本的硬件設備,包括電機、單片機及傳感器等,掌握控制原理和方法,能夠實現(xiàn)簡單機器人系統(tǒng)的設計與控制,實現(xiàn)對學生進行更深入的專業(yè)技能培養(yǎng)和訓練,幫助學生由淺入深,層層遞進,逐步掌握工業(yè)機器人應用的基本知識及開發(fā)部分功能模塊的能力。

4.1.3 工業(yè)機器人高級強化階段實踐教學

工業(yè)機器人高級階段實踐教學,主要開展工業(yè)機器人工作站系統(tǒng)集成綜合設計應用,包括工業(yè)機器人綜合設計應用實踐教學層。

由“生產實習”“畢業(yè)實習”“智能制造綜合課程設計”“畢業(yè)設計”“計算機輔助設計”獨立實踐課及“MES系統(tǒng)實驗”等獨立實驗課組成的工業(yè)機器人綜合設計應用實踐層,主要培養(yǎng)具有智能裝備及典型行業(yè)自動化生產線的集成設計、技術改造及運行管理的工程應用能力。

高級強化階段是在完成初級認知、中級提升階段學習之后,按照學生工業(yè)機器人發(fā)展方向和崗位能力需求,強化實踐動手能力,加深對智能制造行業(yè)中工業(yè)機器人系統(tǒng)集成應用的理解,并嘗試比較復雜的工業(yè)機器人工作站系統(tǒng)集成設計。

4.2 智能機器人實踐教學體系

智能機器人實踐教學體系主要包括智能機器人基本技能實踐層、智能機器人基本理論實踐層、智能機器人機械設計實踐層、智能機器人電氣設計實踐層及智能機器人綜合設計實踐層,五層實踐教學緊緊依托智能機器人軟硬件設計開發(fā)項目分三段依次開展層進式實踐教學。

4.2.1 智能機器人初級認知階段實踐教學

智能機器人初級階段主要開展學生基本技能基本理論的訓練,包括智能機器人基本技能實踐層和智能機器人基本理論實踐層兩個實踐教學層。

其中由“專業(yè)認知實習”“制圖實踐”“工程實訓”“電子工藝實訓”及“電路分析”等基礎課程實驗構成的智能機器人基本技能實踐課程群,主要培養(yǎng)學生的工程認知能力,幫助學生理解和鞏固相應的工程基礎知識,初步掌握工程基本技能。

4.2.2 智能機器人中級提升階段實踐教學

智能機器人中級階段主要開展學生機器人機械、電氣模塊化設計的訓練,主要包括智能機器人機械設計實踐層和智能機器人電子系統(tǒng)設計實踐層兩個實踐教學層。

其中由“機械設計基礎課程設計”“機器人編程實訓”“機械設計基礎”課內實驗及“機器人運動學控制實驗”等獨立實驗課構成的智能機器人機械設計實踐課程群,主要培養(yǎng)學生具備利用機械設計軟件開展智能機器人本體結構優(yōu)化設計的工程設計能力。

由“單片機技術課程設計”“嵌入式系統(tǒng)技術實驗”及“電子線路計算機輔助設計”等獨立實踐課構成的智能機器人電子設計實踐課程群,主要培養(yǎng)學生具備利用電氣設計軟件開展智能機器人的軟、硬件設計的工程設計能力。

工業(yè)機器人中級階段實踐教學利用智能機器人實踐項目,通過課程設計、綜合實訓課程及獨立實驗課,指導學生學習使用機器人基本硬件設備,包括電機、單片機及傳感器等,掌握控制原理和方法,培養(yǎng)具備利用嵌入式處理器,實現(xiàn)對機器人的傳感系統(tǒng)、控制電路、電源管理系統(tǒng)及通信接口電路等硬件系統(tǒng)設計與測試能力。

4.2.3 智能機器人高級強化階段實踐教學

智能機器人高級階段實踐教學,主要開展智能機器人軟硬件綜合設計,包括智能機器人綜合設計實踐教學層。

由“生產實習”“畢業(yè)實習”“智能機器人控制綜合課程設計”“畢業(yè)設計”“機器人操作系統(tǒng)ROS原理及應用實驗”獨立實驗課及“微機原理及單片機應用技術”課內實驗課組成的智能機器人綜合設計實踐層,主要培養(yǎng)學生具有機器人系統(tǒng)的通信、底層驅動、控制、智能化軟件系統(tǒng)開發(fā)的工程應用能力。

高級強化階段是在完成初級認知、中級提升階段學習之后,按照學生智能機器人發(fā)展方向和崗位能力需求,強化實踐動手能力,加深對智能服務機器人的理解,并嘗試比較復雜的智能機器人軟、硬件設計。

5 小結

機器人工程專業(yè)雙主線項目層進式實踐教學體系,以培養(yǎng)學生工程認知能力、工程驗證能力、工程設計能力及工程應用能力為目標。三段五層實踐教學課程群,緊緊圍繞兩個專業(yè)方向的實踐教學案例,按照先由下至上模塊到整體,再由上至下整體到模塊的原則進行整體設計。從初級認知階段到中級提升階段,根據(jù)項目分支開展各模塊學習、實踐到樹立機器人基本操作、整體設計、電氣控制及感知規(guī)劃概念;從中級提升階段到高級強化階段,面向機器人具體整體任務出發(fā)到各模塊設計及控制,初步形成了機器人工程專業(yè)“項目引領、崗位實境,分層培養(yǎng)、逐級遞進,多方聯(lián)動、前后貫通”的實踐教學特色。