面向“新工科”的機(jī)器人方向?qū)I(yè)實(shí)踐課程體系的構(gòu)建

郭巖寶 王德國 海鳳 劉書海

[摘 要] 機(jī)器人技術(shù)是多學(xué)科交叉發(fā)展的前沿性、綜合性的高新技術(shù)，其應(yīng)用十分廣泛?！靶鹿た啤苯ㄔO(shè)對機(jī)器人教育提出了更高的要求，構(gòu)建機(jī)器人方向的課程體系具有重要意義。以理論知識與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合為原則，以中國石油大學(xué)（北京）機(jī)械與儲運(yùn)工程學(xué)院的機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化專業(yè)為例，以科研創(chuàng)新能力提升為核心，從基本課程和實(shí)踐課程、綜合實(shí)踐創(chuàng)新以及科研訓(xùn)練三個方面研究機(jī)器人方向課程體系的構(gòu)建。

[關(guān)鍵詞] 機(jī)器人方向;課程體系構(gòu)建;實(shí)踐創(chuàng)新;科研訓(xùn)練

[中圖分類號] G642.0? ? ? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2020）41-0350-03? ? [收稿日期] 2019-11-19

一、引言

為應(yīng)對新一輪的科技革命和產(chǎn)業(yè)變革，支持服務(wù)創(chuàng)新的發(fā)展，貫徹《中國制造2025》行動綱領(lǐng)，自2017年2月起，教育部積極推進(jìn)新工科建設(shè)，并發(fā)布了《關(guān)于推新工研究與實(shí)踐項(xiàng)目的通知》[1]。

新工程專業(yè)與傳統(tǒng)工程專業(yè)的區(qū)別在于對傳統(tǒng)工程專業(yè)的升級，如智能制造、云計(jì)算、人工智能、機(jī)器人等[2]。與傳統(tǒng)的工科人才相比，未來新興產(chǎn)業(yè)和新經(jīng)濟(jì)需要的是高素質(zhì)的復(fù)合型工程人才，具有較強(qiáng)的動手能力、創(chuàng)新能力和國際競爭力。

工程科學(xué)中的“新”是工程教育的新概念和學(xué)科的新結(jié)構(gòu)。新工程科學(xué)的建設(shè)和發(fā)展要求建立創(chuàng)新、系統(tǒng)和全周期工程教育的新概念。此外，有必要構(gòu)建一個將新工程與傳統(tǒng)工程相結(jié)合的學(xué)科“新結(jié)構(gòu)”。新工程學(xué)科的推廣和實(shí)施旨在適應(yīng)以新技術(shù)、新形式、新模式和新產(chǎn)業(yè)為代表的新經(jīng)濟(jì)發(fā)展。深化中國工程教育改革，建設(shè)工程教育強(qiáng)國，對服務(wù)和支持中國經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型升級具有重要意義。

機(jī)械工程是基于相關(guān)的自然科學(xué)和技術(shù)科學(xué)，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，研究和設(shè)計(jì)、制造各類機(jī)械產(chǎn)品，在設(shè)計(jì)、制造、操作和維護(hù)的整個生命周期中應(yīng)用學(xué)科的理論和技術(shù)[3]。該學(xué)科注重理論與工程實(shí)踐的結(jié)合，對其他科學(xué)領(lǐng)域的多學(xué)科和技術(shù)提供支持，是改造世界的有力工具。

機(jī)械工程學(xué)科不斷吸收自然科學(xué)和其他領(lǐng)域的新發(fā)現(xiàn)和新發(fā)明，開辟新的發(fā)展方向[4]。同時，機(jī)械工程領(lǐng)域還必須滿足新工程領(lǐng)域的發(fā)展需求，相互促進(jìn)、共同發(fā)展。因此，結(jié)合“新工科”背景，探索機(jī)電專業(yè)人才培養(yǎng)模式的改革具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[5]。

機(jī)器人技術(shù)已成為一個國家制造和技術(shù)水平的重要標(biāo)志。機(jī)器人越來越多地應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防、醫(yī)療保健、辦公自動化和生活服務(wù)等領(lǐng)域[6]，是近年來飛速發(fā)展的領(lǐng)域之一。智能機(jī)器人走進(jìn)學(xué)生的課堂是必然的，這不僅可以讓學(xué)生加深對理論知識的了解與應(yīng)用，還可以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維與動手能力。

二、創(chuàng)新課程體系，側(cè)重工程創(chuàng)新方法論培養(yǎng)

我校機(jī)械專業(yè)對學(xué)生的培養(yǎng)目標(biāo)是培養(yǎng)具有良好人文、學(xué)術(shù)和工程素養(yǎng)，并掌握開發(fā)機(jī)械和機(jī)電系統(tǒng)的人才;在設(shè)計(jì)、制造、控制和測試以及應(yīng)用能力方面具有基礎(chǔ)理論知識和系統(tǒng)專業(yè)知識的人才;獲得機(jī)械工程領(lǐng)域工程師所需的基礎(chǔ)工程培訓(xùn)，具有創(chuàng)新能力、實(shí)踐能力和國際視野的工程技術(shù)人才。為機(jī)械工程特別是石油工程設(shè)備的自主設(shè)計(jì)、制造、應(yīng)用研究和生產(chǎn)管理奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

基于上述培養(yǎng)目標(biāo)，我校現(xiàn)有的機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化專業(yè)核心課程包括畫法幾何和機(jī)械制圖、理論力學(xué)、材料力學(xué)、工程流體力學(xué)、工程熱力學(xué)與傳熱、電氣與電子、機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)、工程材料與成形技術(shù)、控制工程基礎(chǔ)、機(jī)械工程檢測技術(shù)、機(jī)電傳動控制、石油鉆井技術(shù)與設(shè)備、液壓傳動與控制。實(shí)踐課程包括大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)、電氣和電子實(shí)踐、機(jī)械和其他相關(guān)專業(yè)課程設(shè)計(jì)以及夏季的機(jī)械制圖工程實(shí)踐。大二暑期的金工實(shí)習(xí)，大三暑期的生產(chǎn)實(shí)習(xí)以及機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)、機(jī)電系統(tǒng)及其他相關(guān)課程綜合課程設(shè)計(jì)。

我校機(jī)械專業(yè)從通識教育、專業(yè)教育、實(shí)踐教學(xué)和第二課堂四個方面設(shè)置課程體系，最低總學(xué)分為185學(xué)分。其中要求通識教育課程最低為70學(xué)分，約占37.8%;專業(yè)核心課程（必修課）最低為47.5學(xué)分，約占25.7%;專業(yè)選修課的最低為25.5學(xué)分，約占13.8%。實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)（必修）至少有36個學(xué)分，約占19.5%。

（一）基本課程和實(shí)踐課程

課程設(shè)置要基于“新工科”的要求，以能力提升為目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐相結(jié)合，不斷創(chuàng)新開發(fā)機(jī)器人方向的課程體系。

1.適當(dāng)增加機(jī)器人方向選修課。我校機(jī)械專業(yè)的通識課和專業(yè)課等基礎(chǔ)必修課程比較豐富，并且也符合機(jī)器人方向的應(yīng)用，但是關(guān)于機(jī)器人方向的選修課較少，應(yīng)適當(dāng)增加，并且要增加實(shí)踐類選修課，以此來調(diào)動學(xué)生積極性，拓展學(xué)生們在機(jī)器人方面的視野，以及提高學(xué)生們的動手能力。

2.開設(shè)在線課程。學(xué)生上課時偶爾會出現(xiàn)跟不上老師的授課進(jìn)度等問題，如果能夠開設(shè)慕課、資源共享課等在線課程，學(xué)生課下能夠隨時觀看老師的教學(xué)視頻，復(fù)習(xí)老師講過的知識，這個問題便可迎刃而解，同時可以豐富學(xué)生的學(xué)習(xí)資源。

3.注重理論知識與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的融合。目前課堂教學(xué)屬于一種填鴨式灌輸，應(yīng)該在學(xué)生上理論課的同時配以相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)課或?qū)嵺`課，融合理論知識和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，促進(jìn)教師從主體轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲗?dǎo)，讓學(xué)生從只會說轉(zhuǎn)變?yōu)闀f會做，促進(jìn)學(xué)生從重得分到重能力的轉(zhuǎn)變。

4.引入案例教學(xué)，提高解決實(shí)際問題的能力。結(jié)合現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)裝置和教師的科研經(jīng)驗(yàn)，在教學(xué)中引入典型案例教學(xué)，提高學(xué)生設(shè)計(jì)繪圖、加工制作、撰寫報(bào)告等能力。同時，教師結(jié)合科研課題為學(xué)生設(shè)置開放型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，豐富學(xué)生的實(shí)踐學(xué)習(xí)課堂，進(jìn)一步提高學(xué)生解決實(shí)際問題的能力和動手能力。

5.適當(dāng)增加實(shí)驗(yàn)器材。實(shí)驗(yàn)課一般是以小組為單位做實(shí)驗(yàn)，導(dǎo)致有些學(xué)生沒機(jī)會親自操作實(shí)驗(yàn)，所以應(yīng)該適當(dāng)增加實(shí)驗(yàn)器材，合理安排學(xué)生實(shí)驗(yàn)時間，使每一位學(xué)生都能親手完成實(shí)驗(yàn)的每個步驟，對實(shí)驗(yàn)原理有清晰明確的認(rèn)識。

（二）綜合實(shí)踐創(chuàng)新

機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展日新月異，因此在工科院校建立機(jī)器人方向的實(shí)踐過程，或者在已有相關(guān)此類課程的基礎(chǔ)上進(jìn)行課程改革與創(chuàng)新是十分有意義的[7]。

我校有一支機(jī)器人隊(duì)伍，每年面向全校招收大量熱愛機(jī)器人技術(shù)的學(xué)生并參與管理，每年參加RoboMaster全國大學(xué)生機(jī)器人大賽等機(jī)器人相關(guān)賽事并取得很多獎項(xiàng)。應(yīng)該大力支持該隊(duì)伍的發(fā)展，在現(xiàn)有基礎(chǔ)上，完善教師團(tuán)隊(duì)指導(dǎo)創(chuàng)新的能力，領(lǐng)導(dǎo)學(xué)生一起做出更新更好的機(jī)器人。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是機(jī)器人教學(xué)不可或缺的一個重要環(huán)節(jié)，所以應(yīng)該設(shè)計(jì)機(jī)器人方向的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，包括程序編寫、機(jī)械加工等，讓學(xué)生更好地理解課堂上學(xué)到的理論知識，了解機(jī)器人在實(shí)際工程中的應(yīng)用。

我校學(xué)生的金工實(shí)習(xí)是在其他學(xué)校的實(shí)習(xí)基地進(jìn)行的，應(yīng)該在校內(nèi)建設(shè)自己的實(shí)習(xí)基地。在實(shí)踐中，實(shí)踐與課堂理論教學(xué)的互補(bǔ)可以更好地結(jié)合起來，促進(jìn)學(xué)生對知識的理解。創(chuàng)造一個企業(yè)化工程環(huán)境對學(xué)生的工程能力和工程素養(yǎng)的培養(yǎng)也是有好處的。

（三）科研訓(xùn)練

目前，高?？蒲星闆r普遍存在兩個問題，一是學(xué)生缺乏科研創(chuàng)新能力;二是相關(guān)課程體系不完善。究其原因，首先是因?yàn)榻處煂Ρ究粕蒲杏?xùn)練不重視，其次是學(xué)生科研意識不夠。

1.提升教師的科研水平。發(fā)揮教師在學(xué)生心目中的榜樣作用。首先，教師對科學(xué)研究的態(tài)度應(yīng)該是非常正確的。其次，教師的科研能力一定要強(qiáng)，學(xué)生們才會信服老師，愿意跟老師做科研，取得優(yōu)秀成果。再次，學(xué)校應(yīng)為教師帶領(lǐng)學(xué)生做科學(xué)研究提供良好的環(huán)境和條件，建立良好的研究平臺。

2.引導(dǎo)學(xué)生樹立科研意識。學(xué)生大一入學(xué)，教師在課堂上就要向?qū)W生滲透科研訓(xùn)練的重要性，輔導(dǎo)員在與學(xué)生交流時也要注重對學(xué)生科研方面的引導(dǎo)，鼓勵學(xué)生參加科技創(chuàng)新競賽，讓學(xué)生在競賽中體會科研的意義，感受科研的魅力。

3.將科研融入課程中。教師結(jié)合科研項(xiàng)目設(shè)置相關(guān)的實(shí)訓(xùn)課程，學(xué)生根據(jù)興趣選課，參照畢業(yè)設(shè)計(jì)的要求來設(shè)計(jì)這類課程，讓學(xué)生分組完成一項(xiàng)小課題。在這個過程中，可以鞏固學(xué)生所學(xué)專業(yè)知識，也能提高學(xué)生的科研知識及能力。

三、總結(jié)

本文基于理論知識與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合的原則，以科研創(chuàng)新能力提升為核心，從基本課程和實(shí)踐課程、綜合實(shí)踐創(chuàng)新和科研訓(xùn)練三個方面研究了機(jī)器人方向課程體系的構(gòu)建。強(qiáng)調(diào)了實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐教學(xué)在學(xué)生學(xué)習(xí)中的地位，發(fā)揮案例教學(xué)在解決實(shí)際問題中的作用，提升學(xué)生科研意識，培養(yǎng)學(xué)生科研創(chuàng)新能力。在新工程建設(shè)的背景下，不斷優(yōu)化和完善機(jī)器人方向?qū)I(yè)課程體系。

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