何伟锋 龚敏 吴鹏 郭建文

(1.东莞理工学院 机械工程学院，广东东莞 523808；2.机器时代(北京)科技有限公司，北京 100000)

工程训练是目前工科院校基本的教学课程，它是从“金工实习”课程进行更深层次的改革，从而进一步提高大学生的实践能力和工程素养能力，是大学生学习认知生产方式和生产工艺的重要实践教学环节[1]。工程训练教学内容分成四个层次，一是工程认知，二是基础实践知识培养，三是综合实践能力培养，四是自主创新能力培养[2]。为使四个层次能进一步融合和提升，除了日常的工程训练课堂教学以外，更重要的是通过项目化实训和开展学科竞赛的形式，进一步提升学生的综合实践能力和自主创新能力，从而提高本科教育水平和人才培养质量。

通过介绍东莞理工学院工程训练教学内容中的机器人教学模块如何以学科竞赛为依托，改革目前的教学目标和课程内容，以《全国普通高校大学生竞赛白皮书(2012-2017)》和近几年全国大学生机器人类别的学科竞赛命题为指导思想，通过建立师资培训项目组建导师组，布置多个课内机器人比拼竞赛命题。同时结合东莞理工学院实际情况，从教学理念、教学体系、教师思政育人能力、实训教学思政资源和实训平台改善五个层面进行机器人创新实训课程的改革，进一步提升学生的创新能力和综合工程素养，培养具备创新型和应用型素质的卓越工程师[3]。其中包括：建设成东莞理工学院机器人教学师资培训基地，提供交流教学经验、展示成果和共享资源的机会；建设成提高实验教师和学生机器人结构设计、机器人运动学、程序设计等知识内容的重要场所，提升师资队伍整体工程实践能力和提高学生创新能力和综合工程素养；建设成机器人创新实训教学与思政教学相互融合，进一步激发了大学生团结协作和精益求精的潜能，真正体会工匠精神，提高了大学生动手能力及竞争意识；促进教师加强自身素养和“师德师风”建设，为东莞理工学院的卓越工程师人才培养目标奠定良好基础；建设成各类大学生课外学科竞赛、创新创业活动的交流推广平台，营造创新创业文化氛围。

1 教学改革研究

东莞理工学院机械工程学院机器人创新实验室成立于2015年，是东莞理工学院工程训练中心主要实验室之一，教学用地面积约250 m2，最初只有2台三轴机械手和若干套arduino编程教学套件，但实训学生人数众多，无法保证学生人均一套设备进行实践操作，只能把机器人实训教学分多批进行。该教学模式存在两个问题：1)分组太多，实训学生的学时不可避免的减少，缺少了动手操作的机会，造成部分学生参与度不高；2)高强度的重复性教学内容，让实验教师缺乏教学激情，影响教学质量，上课疲劳也容易导致安全事故的发生。在深化教学体制和运行机制改革的同时，对工程训练机器人教学课程的教学改革势在必行。

基于国家创新驱动战略下高校创新人才培养的要求，结合学校坚持培养适应现代产业发展需要的高素质应用型创新人才的宗旨，在机器人创新实训教学中，以产业需求为导向，构建以师资培训交流、理论与实践教学、学生创新能力提升为主的培养体系，如图1所示。

图1 机器人创新实训教学的培养体系

东莞理工学院工科专业工程训练培养方案以应用型人才培养为目的，面向企业实际应用，着重强调学生在工程实践的应用能力，掌握各门工种的实践技能。而机器人创新实训教学是一门综合性较强的科目，它结合了电子、通信、机械等知识内容，通过搭建机器人主体机械结构，借助软件编程开发和数字通讯来开展教学活动。因此，在多学科融合的实践教学中，如何激发学生的学习兴趣、增强学习自信心、锻炼动手能力、提高创新能力，是机器人创新实训教学改革的重要研究内容。

根据东莞理工学院工程训练中心目前已有的实验条件、师资团队教学水平等实际情况，结合工科专业工程训练培养方案，优化教学体系，建立理工科大学生理论知识能力培养与工程实践能力提升协调发展的教学实践平台。主要的实施方案有：1)完善人才培养方案，采用基本理论教学、项目化训练、企业实战课题等形式，快速将理论知识运用到生产实践中；采取整个师资团队指导实训教学，实现每次3～4名指导教师辅导10～15名学生的小组化教学，制作完成的机器人进行课堂竞技，提高学生学习兴趣和教学效果。2)完善课程体系构建，坚持以创新实践教学与实际生产需求相结合，坚持以增强学生的创新发展意识和提高工程实践能力为目的。学生根据企业经典课题，能深入了解企业在产品研发、结构优化、程序编写、调试与应用等多方面的实践内容，实现理论与实践的紧密结合。3)加强实践平台建设，引入互联网+、挑战杯、全国大学工程训练综合能力竞赛、中国机器人大赛等学科竞赛的历年比赛命题，让学生在课程实践中以学科竞赛的命题完成作品制作，并根据大赛的评分标准进行该门课程的成绩考核。增加实训设备，保证学生人手一套设备，提高学生的工程实训参与度。4)加强师资队伍建设，每个学期选派若干名实训教师到企业进行交流实习，与企业签订横向课题共同开发项目，增加教师自身的实际工程项目经验。构建校企合作的培养方式，联合企业有经验的工程开发人员进行线上实训教学，通过企业经典项目案例与学生进行课堂互动，深入实施大学生工程创新能力的培养。

近年来，国内部分高校也开始将机器人创新实训教学引入工程训练进行探索[4]，如：上海交通大学工程训练中心开设“机器人创新控制基础与实践”、华中科技大学工程训练中心开设“机器人控制实训”、贵州大学工程训练中心开设“机器人技术与应用创新训练”、武汉理工大学工程训练中心开设“机器人创新控制基础与实践”……因此，东莞理工学院工程训练中心旨在依托学科竞赛，引入教育机器人进一步改革现有实践教学体系，结合工程训练中机器人课程的理论教学和实训教学，提升学科竞赛在实践教学中的比例，在新的层面提升大学生创业创新的能力。通过多方调研，决定选择30套OpenBot2教育机器人和4套机器时代“探索者”机器人制作包高级版作为教学设备。课程开设的内容主要是依据历年学科竞赛命题及企业部分实战课题，开设了全地形越障竞赛、智能物料分拣机器人、智能搬运机器人、码垛机器人等项目，学生掌握各类元器件的工作原理后，通过对标准结构件、传感器、执行件等的任意组合，既能完成课程设定的实训内容，后期通过强化训练，又能参加相关机器人的学科竞赛(如全国大学生工程训练综合能力竞赛智能物料分拣机器人项目、广东省工科大学生实验综合技能竞赛全地形越障机器人项目等)，达到“以赛促学、以赛促教”的目的，相关实战课题又能为企业提供相应的技术方案参考，从而提高大学生的创新实践能力[5]。

机器人创新实验室成立至今，每年接受约5 000名学生进行工程训练。经过5年的实践探索，这种创新教学模式的成效已经初步显现，学生的综合实践能力和创新能力均获得较大的提高，课程教学改革效果明显，学生参加多个学科竞赛取得佳绩，如表1所示；学生课堂作品竞技及参加校外学科竞赛情况如图2所示。

表1 近5年通过机器人课程教学改革取得的部分学科竞赛成果

图2 学生课堂作品竞技及参加校外学科竞赛

2 机器人课程的教学改革与实践

2.1 教学内容的改革

根据“广东省高等学校创新强效工程”和广东省“高等学校创新能力提升计划”的战略要求，结合当前机器人创新实训教学的现状和存在的问题，对其教学理念、教学体系、教师思政育人能力、实训教学思政资源、实训平台进行改革，以提高教学质量为核心，以深化教学改革为动力，以课程教学模式改革为重点，逐步加大对学生的创新实践能力和综合工程素养的培养。

1)建立“以赛促学、以赛促教”的教学模式。教师改变教学理念，改变以往单一的“填鸭式”教学方式，逐步转变为“理论、实训、竞赛三位一体”教学方式。实训课程开设理论教学，使学生掌握实训基本原理；结合实训教学，将书面上的理论知识以实验方式进行验证；以学科竞赛为拓展方式，进一步将学生掌握的理论基础和实践能力进行综合运用，针对学科竞赛命题进行自主创新、学以致用[6]。理论教学、实训教学与学科竞赛的相辅相成关系如图 3所示。

图3 理论教学、实训教学与学科竞赛的相辅相成关系

2)优化教学体系，增加专业拓展模块。通过调研国内各大高校工程训练中机器人创新实训课程和相关机器人类别的学科竞赛，整合目前已有的相关的理论教学基础课、实训内容和课程考核机制。在课程体系中适当增加培养学生综合运用知识能力应对多类学科竞赛命题的实训课程比重，除了设置了机器人原理讲解、程序编写和组装调试等模块外，打造独特的“专业拓展”模块[7]。具体操作如下：根据《全国普通高校大学生竞赛白皮书(2012-2017)》和近几年全国大学生机器人类别的学科竞赛，组建导师组并布置多个课内机器人比拼竞赛命题，由学生建立团队，根据各自的综合实践能力和兴趣爱好自主选择命题。最后由导师组根据学生的课堂表现、团队协作精神、作品创新点及竞技成绩等因素，综合评定学生机器人创新实训课程的总评成绩。

3)提高教师思政育人能力，发挥示范引领作用。课程思政的核心在于提升教师的思政教育，通过不断强化教师自身的师德师风建设，能有效保证课程思政的顺利实施。在机器人创新实训教学中融入课程思政，积极打造双师型教师队伍，坚持立德树人，明确教师在创新实践教学中的德育责任，自身作则，为人师表，不断提升教师自身的思想道德水平。在课程教学团队中，三名教师均为党员身份，其具有坚定的共产主义理想和中国特色社会主义共同理想，并且具备多年机器人实践教学经验，能帮助学生树立正确的世界观、人生观、价值观，提高时代责任感和历史使命感，并使其掌握机器人实训课程专业知识和提升工程实践创新能力。

4)挖掘课程思政元素，融入课内竞赛式实训教学。针对工程训练机器人实训教学，根据每个实训环节内容逐一挖掘其蕴含的思政资源，提炼实践教学内容中蕴藏的价值典范，形成生动形象、易于吸收的教学素材，实现实践过程的理论教学、动手实践、思政育人的相互融合的教学体系，最终达到实践育人的目的。工程训练和专业课程实验课是我国高校中实施工程教育的实践性教学平台，是学生学习机械工程知识，提高综合工程能力，培养工程情感、态度和价值观不可缺少的实践环节。在教学过程中，学生能充分体现“精益求精”、“严谨专注”、“持续创新”等工匠精神，以及树立和养成良好的工作习惯、安全责任意识等。通过挖掘课程中教学各环节和教学内容蕴含的思政元素，将教书育人落到实处，实现立德树人润物无声。

机器人创新实训课程方案面向全校学生开设8课时，共分为教师授课与学生实践2个部分，整个课程分组教学。机械基础让学生掌握机器人机械和组装相关内容，如：探索者零件种类及用途、模块化设计应用、基础模块搭建等；电子基础让学生掌握电子相关知识，比如主控板的使用、基础的编程、传感器的简单使用。实践项目阶段将学生所学知识应用到创新或竞赛中，培养大学生自主创新、精益求精的工作作风。

机器人创新实训教学内容主要分成三部分：基础知识、实践教学、课内竞赛，其中基础知识与实践教学穿插进行[8]。课程内容及安排如表2所示。

表2 机器人创新实训教学课程内容安排

5)加强实训平台建设和管理，提升机器人创新实训课程的“质”和“量”。通过申请质量工程教学改革项目和学校实验室建设经费、专业建设费等，多方筹集基金，完善实验室实训环境，增加多批教育机器人，从而改善实训学生人数众多、设备不够使用的问题。保证每一名实训学生人均一套教学设备，可以提高他们的学习兴趣，杜绝了课堂学生玩手机的情况发生。同时推行实训平台5S管理体系，将实训平台打造成与行业上一致的真实生产场景，提前让实训学生融入社会生产，提高实训过程中的安全生产意识，养成良好的时间观念和工作作风，为以后步入社会打下良好的工作基础。根据应用型人才培养需要，完善教学内容、课程体系、课程考核和反馈机制等方面，将机器人创新实训课程的“质”和“量”都得以明显提升[9]。

2.2 实训教学内容

在工程训练机器人实训教学环节中有效地融入课程思政内容，主要介绍随着我国人工成本的逐年递增，企业为节省成本来实现产业转型升级而采取“机器换人”的重要举措；介绍美的集团近年来进军机器人和工业自动化领域的整体布局，展示部分家电产品机器人生产线的柔性制造；介绍中国自主品牌吉利集团旗下的全自动高效汽车钣金冲压、焊接、组装生产线。通过以上几个案例分析，使学生懂得民族品牌的崛起、制造强国的建设，需要每个人的努力，少年强则国强，增强了大学生的使命感责任感。在实训环节中引入机器人程序编写、各部件组装和竞技比赛等教学模块，激发了学生动手、动脑和勇于拼搏的积极性，课程考核方案与竞赛内容一致，从而提升学生的主观能动性和应变能力，真正达到“以赛促学，以赛促教”的目的。

课程实施的具体教学内容，以分组形式，对课堂实训学生进行分组，开展三个具有代表性的机器人创新实训教学课程，如表3所示。通过以下三个课程学习，学生能掌握使用简单传感器的数字量(即开关量，0或1)检测功能；掌握触碰传感器的特性和使用方法；通过搭建检测电路，掌握“探索者”基本检测电路的连接方法；通过编写触碰开关程序，掌握图形化编程，C语言编程；学会使用“如果/否则”逻辑[10]。

表3 学生创新实践课程

3 结语

1)机器人创新实验室为全校学生提供教学实训使用。作为工程训练中心主要实验室之一，每年开出实验课约540学时，每年接受约5 000名学生进行机器人创新实习，逐步建设成各类大学生课外学科竞赛、创新创业活动的交流推广平台，营造创新创业文化氛围。

2)借鉴全国部分高校在工程训练中纳入机器人创新实训教学的经验，构建“以赛促学、以赛促教”的教学理念；改变以往单一的“填鸭式”教学方式，逐步转变为“理论、实训、竞赛三位一体”教学方式，提高教师的思政育人能力，将课程思政元素融入到机器人创新实训教学中，共同提高学生的创新实践能力和综合工程素养，这对于同类型高校都具有极大的推广和借鉴意义。

3)与时俱进，不断完善教学理念、教学体系、教师思政育人能力、实训教学思政资源和实训平台，培养出具备创新型和应用型素质的卓越工程师，从而提高本科教育水平和人才培养质量。