冯治国 管琪明 周峥嵘 何林

摘要：在面向智能制造的新工业体系下，我国高等工程教育培养具有创新思维和实践能力的工程技术人才，对促进我国经济转型升级、全面提升国家竞争力具有重大意义。论文针对贵州大学工程实践类项目现状进行分析，结合贵州省装备制造行业对工程技术人才需求，由贵州大学机械工程学院和工程实训中心建立机器人与智能制造技术创新实践基地，在新工科人才培养思想指导下，开展以机器人技术为载体的工程实践与创新教育教学科技活动，阐述机器人项目创新实践、机器人实践平台、教学资源和运行管理机制等方面的探索和尝试。结果表明，建设实践基地，促进我校机器人教育，实践教学过程能有效提升学生的工程能力和创新意识，提高学生对现代企业生产技术需求的适应能力，推进我校在培养新型工程技术人才方面改革和创新。

关键词：机器人；新工科；工程实践；创新教育；人才培养

中图分类号：G642；TH-4文献标识码：A文章编号：1674-7615（2017）04-0026-04

DOI：10.15958/j.cnki.jywhlt.2017.04.006

随着全球以智能制造为主导的工业革命推进，为制造企业培养融合自动化技术、信息通信技术及计算机应用技术等技术的新型模式的工程技术人才，已成为促进制造业转型升级的关键因素[1-2]。我校机械工程学院始终以服务于贵州装备制造业的人才培养和科学研究为宗旨，主动适应机械工程专业本科教育和贵州装备制造企业对人才培养的需求，实时调整机械工程专业人才培养目标，不断深化教学改革，优化人才培养方案，完善课程体系，更新教学内容，积极改革教学方法和手段，强化教学管理，教学质量不断提高。为了进一步提高我校工程技术人才培养质量，增强学生工程实践能力，我校机械工程学院和工程实训中心依托“机械工程”学科，联合贵州省装备制造行业的企业，建立了机器人与智能制造技术为主的创新实践基地，以培养学生的创新精神和实践能力为重点，坚持传授知识、培养能力与提高素质协调发展。

机器人与智能制造技术创新实践基地建设，在“新工科”人才培养指导思想下，紧密围绕提高我校工程技术人才培养质量，探索性建立了由课内实验和课外创新实践相结合，工程训练与创新设计实践互补的教学实践体系。在教学过程中应表现产学研合作、科教协同、本研协同等，启发学生的创新意识，使学生具备符合新经济要求的思维方式。本文针对我校当前工程实践类项目存在问题，依托于我校机械工程学院和工程实训中心，对如何开展以机器人为载体的工程教育进行积极的探索和实践。

一、学校现有实践类项目存在问题

（1）实验内容与生产实际脱节，缺乏工程实际应用性。

我校的机电课程实验教学中，实验基本上是配合理论教学而开设，如机电传动、可编程控制器、综合测控等相关实验，其实验内容停留在验证和演示状态，基本不具备工程实际应用性。

（2）实验内容单一具体缺乏系统连贯性，难突出实践能力的培养。

目前开展的机电类实验，主要是针对某具体知识点，缺乏系统的综合性实践项目，理论和实践脱节。各实验之间缺乏关联性，没有将“机”和“电”有机结合，导致实验教学环节中知识点的系统性不够突出，不具备培养学生工程实际应用能力。

（3）实验设备难以体现工程项目性。

我校机电专业现有实验设备仅仅能提供在理论教学支撑，难以满足工程实践的要求。所以，需结合企业实际工程需求，开发具有工程实际应用的机电系统设备，使学生掌握典型的机电一体化技术，理解机电系统的核心技术和整体概念。

二、机器人项目开发与创新教学实践

在深入剖析我校前期实践类项目存在的问题基础上，机器人与智能制造技术创新实践基地的项目开发的主导思想是突出系统性、工程性、综合性及实践性等特点，提高学生的工程技术应用能力和工程实践能力，增强学校人才培养与企业人才需求的适应性。这与我国“新工科”形势下要求建立完善高校与行业企业、科研院所协同育人机制，形成工程教育與产业共同发展，提升学生的工程意识、实践能力、创新精神的思路是一致的。

在现代企业生产中应用机器人技术及智能制造技术已成为企业提升核心竞争力的关键。所以，工科院校的工程教育中，以智能机器人技术为载体的教学实践与创新能力培养已经得到广泛认可。因此，机器人与智能制造技术创新实践基地结合我校工科人才培养模式及贵州装备制造业的需求，充分利用中西部高校提升综合实力专项资金项目、贵州省教育厅本科教学项目、贵州省科技厅科技工程项目等项目资助，购置Baxter机器人、广州数控搬运机械臂等设备，开发了“可重构柔性制造系统”、“自动化物流输送”、“食品灌装自动生产线”等企业应用型项目。这些项目在教学模式上是项目在教学模式上是通过老师讲解可重构系统的设计、安装、调试及维护；在课程内容设置上，系统性考虑知识点的学习与理解和工程技能训练，通过项目开发获得相关的知识点和技能训练。这种模式是自上而下，由系统到局部，有助于学生对知识点理解和提升技能应用能力。图1所示为由我校机械工程学院和贵州普天物流公司联合研发自动化物流输送线，涉及了产品拾取与输送、产品在线检测、分选入库等生产过程的自动化，集成通信技术、生产流程管理技术，形成现代企业生产应用的机电一体化系统。学生可以通过该生产线熟悉机械手拾取功能、结构设计与运动控制；产品传输过程中传感器技术的应用，加强对光电传感器、红外传感器、编码器、光电行程开关等器件的认知；产品生产过程数据管理，了解现代企业生产流程中信息化技术。

三、开放式机器人创新实践平台建设

机器人教育是借助于机器人技术的发展来推动工程教育的优化和改进，以提高学生的实践能力和工程素质为目标。因此，机器人与智能制造技术创新实践基地定位于多层次的教学、竞赛及科研活动，主要包括：（1）机器人教学和实验；（2）机器人为主学科竞赛方案设计与实施；（3）满足我校机械工程学院为主的科研项目开发。机器人与智能制造技术创新实践基地通过将机器人技术与科技活动的有效结合，着力培养学生的工程创新意识和工程实践能力。

在机器人与智能制造技术创新实践基地，学生可以在校内导师和企业导师的指导下，通过“可重构柔性制造系统”、“自动化物流输送”、“食品灌装自动生产线”等项目，进行系统设计、装配、调试等工程训练，充分了解企业生产加工工艺流程。图2所示为学生在贵州省高等学校大学生创新创业训练计划项目资助下开发的多功能可重构小型车铣数控加工系统，学生利用基地提供的完成步进电机、滚珠丝杠等关键部件，选用铝型材作为基础部件，构建了车、铣功能的可重组小型机床，搭建了机床控制系统硬件平台，利用单片机Arduino驱动控制步进电机，编程实现机床直线插补、圆弧插补、回零、对刀、调速等功能。

机器人与智能制造技术创新实践基地通过购置NAO双足机器人、探索者机器人等设备，开展了“NAO足球对抗”、“探索者越障机器人”、“探索者搬运机器人”等竞赛型项目，引导学生进行机构设计、传感器技术、机电传动与控制、单片机技术等课程的学习和实践。在校内导师的指导下，参加“全国大学生工程训练综合能力竞赛”、“全国大学生机械创新设计大赛”“‘挑战杯全国大学生课外科技作品竞赛”、机器人大赛、飞思卡尔全国智能车等学科竞赛均取得了优异的成绩，学生的实践能力、工程素质和创新意识有了明显的提升。图3所示为我校机械学院硕士研究生和本科生协同制作的全地形越野小车，获得2017中国工程机器人大赛暨国际公开赛的工程越野项目全地形赛的1个二等奖和1个三等奖。

四、教学研究与教学资源建设

机器人与智能制造技术创新实践基地是紧密围绕机器人技术及机械工程方向建设，深化工程教育创新改革，申报与承担多项贵州省教育教学改革课题，如“贵州大学大学生综合创新创业训练中心”、“基于卓越工程师计划可重构柔性制造系统实践平台建设”、贵州省省级本科教学工程重点项目“基于PBL-CDIO的可重构制造工业系统综合创新实践课程改革与实践”。

围绕开展的实践项目，编写了系列综合实践教学大纲、实验指导书及设计规范、电子教学课件等教学文件，并且在教学条件成熟条件下，面向全校学生设置具有学分的创新实践教学课程，如“机器人创新训练”、“机器人概论与实践”等。在“机器人创新训练”课程中，基于不同层次学生，指导学生分组完成巡线机器人的制作过程，所用器件和材料、配件由基地统一采购，学生利用“探索者”機器人套件组装三轮、四轮小车车体，采用Mehran控制板搭建直流电机的驱动电路，通过Arduino编程软件编写直流电机驱动程序实现小车运动控制。对于低年级同学由于知识点的不够全面，要求实现小车自动控制。对传感器技术有一定认识的学生，要求加上灰度传感器，自动识别轨迹，控制小车巡线运动。对于高年级学生或研究生，不仅要求小车巡线而且要越障，所以学生需要自行安装多传感器进行信息融合，提高小车巡线轨迹控制精度和越障能力。

实践基地通过项目实施，师资队伍建设得以加强。一方面，培养指导教师了解“新工科”形势下的工程教育理念，理解现代企业对工科学生的新要求，增强教师对工程实践类课程的认知；针对性制定项目课程的教学指导方案，通过说课、研究讨论、考核评价等环节，使指导教师掌握工程实践课程的组织过程和指导方法。另一方面，通过产学研结合模式、提高指导教师的业务能力、培养指导教师在技术创新、创业与实践等方面的素质和能力，将创新理念贯穿于教学实践中。

五、运行管理机制建设

根据机器人与智能制造技术创新实践基地的定位思想，为确保推动学生创新能力的培养，实践基地实施创新管理模式，全方位开放实践平台，着力提升学生的创新意识和工程实践能力。

实践基地执行实践指导团队组织管理模式：由学术造诣深的教授牵头，配以工程实践能力强的中青年教师作为实践活动指导主力，以管理能力强的专职教师作为组织管理负责人。遵循这种组织模式，实践基地以我校机械工程学院的教授和贵州装备制造行业的专家为带头人，他们的具有丰富的科研经历、工程实践能力强，能够与时俱进地谋划和修订工程技术创新人才培养的思路和方案。机械工程学院具有丰富教学科研工程经验的中青年教师作为主要技术指导。工程实训中心的专职教师作为创新实践基地负责人，组织开展基地的全面工作及日常运行管理。机械工程学院教师的硕士研究生参与指导，主要负责技术培训和传帮带。

实践基地组织学生参与科技竞赛的管理模式：技术方案讨论，关键技术攻关，专家教授研讨，强化训练。学生面向全校，主要来自机械、电力电子、计算机等专业的硕士研究生、本科生，一般以研一、大三、大二学生为主力。依据参赛类型和比赛规则，学生自由组合形成小团队，每个团队设置1个负责人。参赛团队制定详细工作计划，由指导教师全程检查、落实相关环节的工作。每个团队一周汇报至少一次工作进展情况，说明工作中遇到的问题及困难，由指导教师和团队共同讨论制定解决办法。

六、结论

新经济快速发展迫切需要新型工科人才支撑，需要高校面向未来培养具有创新创业能力和跨界整合能力的工程科技人才。如何有效地以机器人为载体实现多学科技术共享、培养和激发学生的协作创新能力，是我国高校开展机器人教育的重点思考的方向。我校机械工程学院和工程实训中心根据我校工科人才培养理念，结合贵州省装备制造行业的需求，利用校企合作模式建立机器人与智能制造技术为载体建立创新实践基地，通过开展了适应企业生产的以机器人技术、智能制造技术为主的项目研发、科技竞赛的机器人等教学科技活动，培养了学生工程教育实践能力和创新意识，使学生能够将理论和实践的紧密联系，理解和掌握工程技术的核心，提高学生对现代企业生产技术需求的适应能力。而且通过该创新实践平台建设，全面促进和改善我校工程教育实践条件，加强实践指导教师队伍，推动我校在培养新型工程技术人才方面向前迈进。

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