馮治國 管琪明 周崢嶸 何林

摘要：在面向智能制造的新工業(yè)體系下，我國高等工程教育培養(yǎng)具有創(chuàng)新思維和實踐能力的工程技術(shù)人才，對促進(jìn)我國經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型升級、全面提升國家競爭力具有重大意義。論文針對貴州大學(xué)工程實踐類項目現(xiàn)狀進(jìn)行分析，結(jié)合貴州省裝備制造行業(yè)對工程技術(shù)人才需求，由貴州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院和工程實訓(xùn)中心建立機(jī)器人與智能制造技術(shù)創(chuàng)新實踐基地，在新工科人才培養(yǎng)思想指導(dǎo)下，開展以機(jī)器人技術(shù)為載體的工程實踐與創(chuàng)新教育教學(xué)科技活動，闡述機(jī)器人項目創(chuàng)新實踐、機(jī)器人實踐平臺、教學(xué)資源和運行管理機(jī)制等方面的探索和嘗試。結(jié)果表明，建設(shè)實踐基地，促進(jìn)我校機(jī)器人教育，實踐教學(xué)過程能有效提升學(xué)生的工程能力和創(chuàng)新意識，提高學(xué)生對現(xiàn)代企業(yè)生產(chǎn)技術(shù)需求的適應(yīng)能力，推進(jìn)我校在培養(yǎng)新型工程技術(shù)人才方面改革和創(chuàng)新。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人；新工科；工程實踐；創(chuàng)新教育；人才培養(yǎng)

中圖分類號：G642；TH-4文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1674-7615（2017）04-0026-04

DOI：10.15958/j.cnki.jywhlt.2017.04.006

隨著全球以智能制造為主導(dǎo)的工業(yè)革命推進(jìn)，為制造企業(yè)培養(yǎng)融合自動化技術(shù)、信息通信技術(shù)及計算機(jī)應(yīng)用技術(shù)等技術(shù)的新型模式的工程技術(shù)人才，已成為促進(jìn)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的關(guān)鍵因素[1-2]。我校機(jī)械工程學(xué)院始終以服務(wù)于貴州裝備制造業(yè)的人才培養(yǎng)和科學(xué)研究為宗旨，主動適應(yīng)機(jī)械工程專業(yè)本科教育和貴州裝備制造企業(yè)對人才培養(yǎng)的需求，實時調(diào)整機(jī)械工程專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)，不斷深化教學(xué)改革，優(yōu)化人才培養(yǎng)方案，完善課程體系，更新教學(xué)內(nèi)容，積極改革教學(xué)方法和手段，強(qiáng)化教學(xué)管理，教學(xué)質(zhì)量不斷提高。為了進(jìn)一步提高我校工程技術(shù)人才培養(yǎng)質(zhì)量，增強(qiáng)學(xué)生工程實踐能力，我校機(jī)械工程學(xué)院和工程實訓(xùn)中心依托“機(jī)械工程”學(xué)科，聯(lián)合貴州省裝備制造行業(yè)的企業(yè)，建立了機(jī)器人與智能制造技術(shù)為主的創(chuàng)新實踐基地，以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實踐能力為重點，堅持傳授知識、培養(yǎng)能力與提高素質(zhì)協(xié)調(diào)發(fā)展。

機(jī)器人與智能制造技術(shù)創(chuàng)新實踐基地建設(shè)，在“新工科”人才培養(yǎng)指導(dǎo)思想下，緊密圍繞提高我校工程技術(shù)人才培養(yǎng)質(zhì)量，探索性建立了由課內(nèi)實驗和課外創(chuàng)新實踐相結(jié)合，工程訓(xùn)練與創(chuàng)新設(shè)計實踐互補(bǔ)的教學(xué)實踐體系。在教學(xué)過程中應(yīng)表現(xiàn)產(chǎn)學(xué)研合作、科教協(xié)同、本研協(xié)同等，啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識，使學(xué)生具備符合新經(jīng)濟(jì)要求的思維方式。本文針對我校當(dāng)前工程實踐類項目存在問題，依托于我校機(jī)械工程學(xué)院和工程實訓(xùn)中心，對如何開展以機(jī)器人為載體的工程教育進(jìn)行積極的探索和實踐。

一、學(xué)?，F(xiàn)有實踐類項目存在問題

（1）實驗內(nèi)容與生產(chǎn)實際脫節(jié)，缺乏工程實際應(yīng)用性。

我校的機(jī)電課程實驗教學(xué)中，實驗基本上是配合理論教學(xué)而開設(shè)，如機(jī)電傳動、可編程控制器、綜合測控等相關(guān)實驗，其實驗內(nèi)容停留在驗證和演示狀態(tài)，基本不具備工程實際應(yīng)用性。

（2）實驗內(nèi)容單一具體缺乏系統(tǒng)連貫性，難突出實踐能力的培養(yǎng)。

目前開展的機(jī)電類實驗，主要是針對某具體知識點，缺乏系統(tǒng)的綜合性實踐項目，理論和實踐脫節(jié)。各實驗之間缺乏關(guān)聯(lián)性，沒有將“機(jī)”和“電”有機(jī)結(jié)合，導(dǎo)致實驗教學(xué)環(huán)節(jié)中知識點的系統(tǒng)性不夠突出，不具備培養(yǎng)學(xué)生工程實際應(yīng)用能力。

（3）實驗設(shè)備難以體現(xiàn)工程項目性。

我校機(jī)電專業(yè)現(xiàn)有實驗設(shè)備僅僅能提供在理論教學(xué)支撐，難以滿足工程實踐的要求。所以，需結(jié)合企業(yè)實際工程需求，開發(fā)具有工程實際應(yīng)用的機(jī)電系統(tǒng)設(shè)備，使學(xué)生掌握典型的機(jī)電一體化技術(shù)，理解機(jī)電系統(tǒng)的核心技術(shù)和整體概念。

二、機(jī)器人項目開發(fā)與創(chuàng)新教學(xué)實踐

在深入剖析我校前期實踐類項目存在的問題基礎(chǔ)上，機(jī)器人與智能制造技術(shù)創(chuàng)新實踐基地的項目開發(fā)的主導(dǎo)思想是突出系統(tǒng)性、工程性、綜合性及實踐性等特點，提高學(xué)生的工程技術(shù)應(yīng)用能力和工程實踐能力，增強(qiáng)學(xué)校人才培養(yǎng)與企業(yè)人才需求的適應(yīng)性。這與我國“新工科”形勢下要求建立完善高校與行業(yè)企業(yè)、科研院所協(xié)同育人機(jī)制，形成工程教育與產(chǎn)業(yè)共同發(fā)展，提升學(xué)生的工程意識、實踐能力、創(chuàng)新精神的思路是一致的。

在現(xiàn)代企業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用機(jī)器人技術(shù)及智能制造技術(shù)已成為企業(yè)提升核心競爭力的關(guān)鍵。所以，工科院校的工程教育中，以智能機(jī)器人技術(shù)為載體的教學(xué)實踐與創(chuàng)新能力培養(yǎng)已經(jīng)得到廣泛認(rèn)可。因此，機(jī)器人與智能制造技術(shù)創(chuàng)新實踐基地結(jié)合我校工科人才培養(yǎng)模式及貴州裝備制造業(yè)的需求，充分利用中西部高校提升綜合實力專項資金項目、貴州省教育廳本科教學(xué)項目、貴州省科技廳科技工程項目等項目資助，購置Baxter機(jī)器人、廣州數(shù)控搬運機(jī)械臂等設(shè)備，開發(fā)了“可重構(gòu)柔性制造系統(tǒng)”、“自動化物流輸送”、“食品灌裝自動生產(chǎn)線”等企業(yè)應(yīng)用型項目。這些項目在教學(xué)模式上是項目在教學(xué)模式上是通過老師講解可重構(gòu)系統(tǒng)的設(shè)計、安裝、調(diào)試及維護(hù)；在課程內(nèi)容設(shè)置上，系統(tǒng)性考慮知識點的學(xué)習(xí)與理解和工程技能訓(xùn)練，通過項目開發(fā)獲得相關(guān)的知識點和技能訓(xùn)練。這種模式是自上而下，由系統(tǒng)到局部，有助于學(xué)生對知識點理解和提升技能應(yīng)用能力。圖1所示為由我校機(jī)械工程學(xué)院和貴州普天物流公司聯(lián)合研發(fā)自動化物流輸送線，涉及了產(chǎn)品拾取與輸送、產(chǎn)品在線檢測、分選入庫等生產(chǎn)過程的自動化，集成通信技術(shù)、生產(chǎn)流程管理技術(shù)，形成現(xiàn)代企業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用的機(jī)電一體化系統(tǒng)。學(xué)生可以通過該生產(chǎn)線熟悉機(jī)械手拾取功能、結(jié)構(gòu)設(shè)計與運動控制；產(chǎn)品傳輸過程中傳感器技術(shù)的應(yīng)用，加強(qiáng)對光電傳感器、紅外傳感器、編碼器、光電行程開關(guān)等器件的認(rèn)知；產(chǎn)品生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)管理，了解現(xiàn)代企業(yè)生產(chǎn)流程中信息化技術(shù)。

三、開放式機(jī)器人創(chuàng)新實踐平臺建設(shè)

機(jī)器人教育是借助于機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展來推動工程教育的優(yōu)化和改進(jìn)，以提高學(xué)生的實踐能力和工程素質(zhì)為目標(biāo)。因此，機(jī)器人與智能制造技術(shù)創(chuàng)新實踐基地定位于多層次的教學(xué)、競賽及科研活動，主要包括：（1）機(jī)器人教學(xué)和實驗；（2）機(jī)器人為主學(xué)科競賽方案設(shè)計與實施；（3）滿足我校機(jī)械工程學(xué)院為主的科研項目開發(fā)。機(jī)器人與智能制造技術(shù)創(chuàng)新實踐基地通過將機(jī)器人技術(shù)與科技活動的有效結(jié)合，著力培養(yǎng)學(xué)生的工程創(chuàng)新意識和工程實踐能力。

在機(jī)器人與智能制造技術(shù)創(chuàng)新實踐基地，學(xué)生可以在校內(nèi)導(dǎo)師和企業(yè)導(dǎo)師的指導(dǎo)下，通過“可重構(gòu)柔性制造系統(tǒng)”、“自動化物流輸送”、“食品灌裝自動生產(chǎn)線”等項目，進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計、裝配、調(diào)試等工程訓(xùn)練，充分了解企業(yè)生產(chǎn)加工工藝流程。圖2所示為學(xué)生在貴州省高等學(xué)校大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目資助下開發(fā)的多功能可重構(gòu)小型車銑數(shù)控加工系統(tǒng)，學(xué)生利用基地提供的完成步進(jìn)電機(jī)、滾珠絲杠等關(guān)鍵部件，選用鋁型材作為基礎(chǔ)部件，構(gòu)建了車、銑功能的可重組小型機(jī)床，搭建了機(jī)床控制系統(tǒng)硬件平臺，利用單片機(jī)Arduino驅(qū)動控制步進(jìn)電機(jī)，編程實現(xiàn)機(jī)床直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)、回零、對刀、調(diào)速等功能。

機(jī)器人與智能制造技術(shù)創(chuàng)新實踐基地通過購置NAO雙足機(jī)器人、探索者機(jī)器人等設(shè)備，開展了“NAO足球?qū)埂?、“探索者越障機(jī)器人”、“探索者搬運機(jī)器人”等競賽型項目，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行機(jī)構(gòu)設(shè)計、傳感器技術(shù)、機(jī)電傳動與控制、單片機(jī)技術(shù)等課程的學(xué)習(xí)和實踐。在校內(nèi)導(dǎo)師的指導(dǎo)下，參加“全國大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競賽”、“全國大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計大賽”“‘挑戰(zhàn)杯全國大學(xué)生課外科技作品競賽”、機(jī)器人大賽、飛思卡爾全國智能車等學(xué)科競賽均取得了優(yōu)異的成績，學(xué)生的實踐能力、工程素質(zhì)和創(chuàng)新意識有了明顯的提升。圖3所示為我校機(jī)械學(xué)院碩士研究生和本科生協(xié)同制作的全地形越野小車，獲得2017中國工程機(jī)器人大賽暨國際公開賽的工程越野項目全地形賽的1個二等獎和1個三等獎。

四、教學(xué)研究與教學(xué)資源建設(shè)

機(jī)器人與智能制造技術(shù)創(chuàng)新實踐基地是緊密圍繞機(jī)器人技術(shù)及機(jī)械工程方向建設(shè)，深化工程教育創(chuàng)新改革，申報與承擔(dān)多項貴州省教育教學(xué)改革課題，如“貴州大學(xué)大學(xué)生綜合創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練中心”、“基于卓越工程師計劃可重構(gòu)柔性制造系統(tǒng)實踐平臺建設(shè)”、貴州省省級本科教學(xué)工程重點項目“基于PBL-CDIO的可重構(gòu)制造工業(yè)系統(tǒng)綜合創(chuàng)新實踐課程改革與實踐”。

圍繞開展的實踐項目，編寫了系列綜合實踐教學(xué)大綱、實驗指導(dǎo)書及設(shè)計規(guī)范、電子教學(xué)課件等教學(xué)文件，并且在教學(xué)條件成熟條件下，面向全校學(xué)生設(shè)置具有學(xué)分的創(chuàng)新實踐教學(xué)課程，如“機(jī)器人創(chuàng)新訓(xùn)練”、“機(jī)器人概論與實踐”等。在“機(jī)器人創(chuàng)新訓(xùn)練”課程中，基于不同層次學(xué)生，指導(dǎo)學(xué)生分組完成巡線機(jī)器人的制作過程，所用器件和材料、配件由基地統(tǒng)一采購，學(xué)生利用“探索者”機(jī)器人套件組裝三輪、四輪小車車體，采用Mehran控制板搭建直流電機(jī)的驅(qū)動電路，通過Arduino編程軟件編寫直流電機(jī)驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)小車運動控制。對于低年級同學(xué)由于知識點的不夠全面，要求實現(xiàn)小車自動控制。對傳感器技術(shù)有一定認(rèn)識的學(xué)生，要求加上灰度傳感器，自動識別軌跡，控制小車巡線運動。對于高年級學(xué)生或研究生，不僅要求小車巡線而且要越障，所以學(xué)生需要自行安裝多傳感器進(jìn)行信息融合，提高小車巡線軌跡控制精度和越障能力。

實踐基地通過項目實施，師資隊伍建設(shè)得以加強(qiáng)。一方面，培養(yǎng)指導(dǎo)教師了解“新工科”形勢下的工程教育理念，理解現(xiàn)代企業(yè)對工科學(xué)生的新要求，增強(qiáng)教師對工程實踐類課程的認(rèn)知；針對性制定項目課程的教學(xué)指導(dǎo)方案，通過說課、研究討論、考核評價等環(huán)節(jié)，使指導(dǎo)教師掌握工程實踐課程的組織過程和指導(dǎo)方法。另一方面，通過產(chǎn)學(xué)研結(jié)合模式、提高指導(dǎo)教師的業(yè)務(wù)能力、培養(yǎng)指導(dǎo)教師在技術(shù)創(chuàng)新、創(chuàng)業(yè)與實踐等方面的素質(zhì)和能力，將創(chuàng)新理念貫穿于教學(xué)實踐中。

五、運行管理機(jī)制建設(shè)

根據(jù)機(jī)器人與智能制造技術(shù)創(chuàng)新實踐基地的定位思想，為確保推動學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，實踐基地實施創(chuàng)新管理模式，全方位開放實踐平臺，著力提升學(xué)生的創(chuàng)新意識和工程實踐能力。

實踐基地執(zhí)行實踐指導(dǎo)團(tuán)隊組織管理模式：由學(xué)術(shù)造詣深的教授牽頭，配以工程實踐能力強(qiáng)的中青年教師作為實踐活動指導(dǎo)主力，以管理能力強(qiáng)的專職教師作為組織管理負(fù)責(zé)人。遵循這種組織模式，實踐基地以我校機(jī)械工程學(xué)院的教授和貴州裝備制造行業(yè)的專家為帶頭人，他們的具有豐富的科研經(jīng)歷、工程實踐能力強(qiáng)，能夠與時俱進(jìn)地謀劃和修訂工程技術(shù)創(chuàng)新人才培養(yǎng)的思路和方案。機(jī)械工程學(xué)院具有豐富教學(xué)科研工程經(jīng)驗的中青年教師作為主要技術(shù)指導(dǎo)。工程實訓(xùn)中心的專職教師作為創(chuàng)新實踐基地負(fù)責(zé)人，組織開展基地的全面工作及日常運行管理。機(jī)械工程學(xué)院教師的碩士研究生參與指導(dǎo)，主要負(fù)責(zé)技術(shù)培訓(xùn)和傳幫帶。

實踐基地組織學(xué)生參與科技競賽的管理模式：技術(shù)方案討論，關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，專家教授研討，強(qiáng)化訓(xùn)練。學(xué)生面向全校，主要來自機(jī)械、電力電子、計算機(jī)等專業(yè)的碩士研究生、本科生，一般以研一、大三、大二學(xué)生為主力。依據(jù)參賽類型和比賽規(guī)則，學(xué)生自由組合形成小團(tuán)隊，每個團(tuán)隊設(shè)置1個負(fù)責(zé)人。參賽團(tuán)隊制定詳細(xì)工作計劃，由指導(dǎo)教師全程檢查、落實相關(guān)環(huán)節(jié)的工作。每個團(tuán)隊一周匯報至少一次工作進(jìn)展情況，說明工作中遇到的問題及困難，由指導(dǎo)教師和團(tuán)隊共同討論制定解決辦法。

六、結(jié)論

新經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展迫切需要新型工科人才支撐，需要高校面向未來培養(yǎng)具有創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力和跨界整合能力的工程科技人才。如何有效地以機(jī)器人為載體實現(xiàn)多學(xué)科技術(shù)共享、培養(yǎng)和激發(fā)學(xué)生的協(xié)作創(chuàng)新能力，是我國高校開展機(jī)器人教育的重點思考的方向。我校機(jī)械工程學(xué)院和工程實訓(xùn)中心根據(jù)我校工科人才培養(yǎng)理念，結(jié)合貴州省裝備制造行業(yè)的需求，利用校企合作模式建立機(jī)器人與智能制造技術(shù)為載體建立創(chuàng)新實踐基地，通過開展了適應(yīng)企業(yè)生產(chǎn)的以機(jī)器人技術(shù)、智能制造技術(shù)為主的項目研發(fā)、科技競賽的機(jī)器人等教學(xué)科技活動，培養(yǎng)了學(xué)生工程教育實踐能力和創(chuàng)新意識，使學(xué)生能夠?qū)⒗碚摵蛯嵺`的緊密聯(lián)系，理解和掌握工程技術(shù)的核心，提高學(xué)生對現(xiàn)代企業(yè)生產(chǎn)技術(shù)需求的適應(yīng)能力。而且通過該創(chuàng)新實踐平臺建設(shè)，全面促進(jìn)和改善我校工程教育實踐條件，加強(qiáng)實踐指導(dǎo)教師隊伍，推動我校在培養(yǎng)新型工程技術(shù)人才方面向前邁進(jìn)。

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