桂 伟 聂晶晶 周 浩

武汉商学院 湖北武汉 430056

1 概述

机器人工程专业的实践教学在机器人工程专业应用型人才培养中有着重要地位,针对机器人工程专业实践教学创新性强、多技术综合及产教高度融合特点,构建形成具有“层次性、递进性和综合性”特点的机器人工程专业实践教学体系。通过实践教学与工程项目的无缝对接,拉近教育与工程的距离,实现实践教学内容与技术更新相结合,拓展实验内容的深度和广度,使学生尽早接触先进技术,凸显机器人工程专业多学科交叉融合的特点。

2 CDIO-KSQA内涵

一般意义上的“协同育人”是指多方协同合作共同培养学生,落脚点主要在学校的人才培养上。而本文涉及的“校企协同育人”是指校企双方基于“互惠互利、双向共赢”的思路开展合作,以实现人才培养与企业发展的双向共赢。

“CDIO”是指企业产品项目的构思(Conceive)、设计(Design)、实现(Implement)和运作(Operate)的整个生命周期,本文主要是基于CDIO的项目化教学理念,研究校企合作开展项目化实践教学的思路与措施,以实现校企协同育人的目的;“KSQA”是指应用型人才所必须具备的:专业知识(Professional Knowledge)、实践技能(Practical Skills)、职业素质(Professional Quality)、工程能力(Engineering Ability)。

本文结合国内机器人工程专业人才培养的实际情况,探讨将应用型人才培养与CDIO四大能力相结合的思路,构建以CDIO教育理念为指引、以校企协同育人为手段、以企业实际项目为依托,以项目化教学为途径,以专业知识的传授、实践技能的提升、职业素质的培养、工程能力的形成为核心目标的“CDIO-KSQA型”机器人工程专业应用型人才培养的实践教学体系。

3 “CDIO-KSQA型”实践教学体系构建

3.1 实践教学体系构建调研

3.1.1 机器人工程专业活动对毕业生工作/学习影响的较大情况

从随机调研的机器人工程专业毕业生来看,90%以上的学生认为机器人工程专业的实验实习教学环节对学生毕业后继续学习及工作影响较大,有半数以上学生认为专业知识及课外科技活动对今后的学习工作影响较大。

3.1.2 机器人工程专业学生存在较大差距需要加强训练的能力情况

从随机调研的机器人工程专业毕业生来看,60%以上的学生认为学生的实践动手能力对学生今后继续学习及工作影响较大,有半数以上学生认为专业基础能力及计算机能力对今后的学习工作影响较大。从这方面可以看出在机器人工程专业的人才培养中要着重加强学生实践动手能力、专业基础能力及计算机能力的培养,调研反馈的具体情况,如下表所示。

机器人专业学生存在较大差距需要加强训练的能力情况表

3.2 “CDIO-KSQA型”双主线项目层进式实践教学体系

本文从CDIO工程教育理念出发,以学生兴趣为主体,以工业机器人和智能机器人两个专业方向为切入点,以培养工业机器人与智能装备新兴产业及传统产业转型升级急需的机器人工程师为目标,以“构思、设计、实现和运作”工业机器人工作站系统集成项目和智能机器人软硬件开发项目为主线,构建机器人工程专业“CDIO-KSQA型”双主线项目层进式实践教学体系,紧密围绕学生工程认知能力、工程验证能力、工程设计能力及工程应用能力的培养,开展全链条、全流程、全周期不间断的工程化训练。

4 “三段五层”实践教学课程群构建

机器人工程专业双主线项目层进式实践教学,着重强化学生的工程理念,以工程项目为载体,坚持工程理念不断线,以项目驱动的方式实现对学生实践能力培养,使其在实践课程教学中,能够将相对独立的课堂理论知识进行综合应用,逐渐提高学生的工程应用能力。

为形成能够支撑学生职业发展的实践教学课程群,机器人教研团队开展了“学生希望在实践教学中学习到哪方面知识”的调研,超过七成学生希望通过实践教学学习机器人编程、设计和创新方面知识。

机器人教研团队根据机器人工程专业发展方向及六大就业岗位对实践能力的培养要求,结合学生对实践教学的希望,构建“三段五层”实践教学课程群。

4.1 工业机器人实践教学课程群

工业机器人实践教学体系主要包括工业机器人基本技能实践层、工业机器人基本理论实践层、工业机器人机械设计实践层、工业机器人电气设计实践层及工业机器人综合设计应用实践层,五层实践教学依托工业机器人系统集成应用项目分三段依次开展层进式实践教学。

4.1.1 工业机器人初级认知阶段实践教学

工业机器人初级阶段主要开展学生基本技能基本理论的训练,主要包括工业机器人基本技能实践层和工业机器人基本理论实践层两个实践教学层。

其中由“专业认知实习”“制图实践”“工程实训”“电子工艺实训”及“电路分析”等基础课程实验构成的工业机器人基本技能实践课程群,主要培养学生的工程认知能力,帮助学生理解和巩固相应的工程基础知识,初步掌握工程基本技能。

由专业课程“工程力学”等课内实验、“模拟电子技术实验”专业独立实验课构成的工业机器人基本理论实践课程群,主要培养学生的工程验证能力。通过将理论课程放在实验室的理实一体化教学,学生在理论教学结束后直接在实验室通过项目验证理论知识,既可以深入理解理论知识,又可以提高学生理论与实践相结合的能力,激发学生的学习兴趣,使学生得到充足的训练时间和机会,提高工程验证能力。

4.1.2 工业机器人中级提升阶段实践教学

工业机器人中级阶段主要开展学生机器人机械、电气模块化设计的训练,主要包括工业机器人工作站机械设计实践层和工业机器人工作站电气系统设计实践层两个实践教学层。

其中由“机械设计基础课程设计”“机器人编程实训”“机械设计基础”课内实验及“机器人工装设计实验”等独立实验课构成的工业机器人工作站机械设计实践课程群,主要培养学生具备利用机械设计常用软件开展机器人工作站机械本体结构设计、工装夹具等非标零部件设计的工程设计以及机器人工作站运动仿真能力。“机器人编程实训”课程主要对学生运用仿真软件RobotStudio对码垛生产线中的设计方案进行运动仿真,进而优化码垛机器人工作站机械结构设计。

由“电气控制课程设计”“电气控制与PLC实验”及“电机与拖动实验”等独立实验课构成的工业机器人工作站电气设计课程群,主要培养学生具备利用电气设计常用软件开展工业机器人工作站电气控制的软、硬件设计的工程设计能力。

工业机器人中级阶段实践教学利用工业机器人实践项目,通过课程设计、综合实训课程及独立实验课,指导学生学习使用机器人基本的硬件设备,包括电机、单片机及传感器等,掌握控制原理和方法,能够实现简单机器人系统的设计与控制,实现对学生进行更深入的专业技能培养和训练,帮助学生由浅入深,层层递进,逐步掌握工业机器人应用的基本知识及开发部分功能模块的能力。

4.1.3 工业机器人高级强化阶段实践教学

工业机器人高级阶段实践教学,主要开展工业机器人工作站系统集成综合设计应用,包括工业机器人综合设计应用实践教学层。

由“生产实习”“毕业实习”“智能制造综合课程设计”“毕业设计”“计算机辅助设计”独立实践课及“MES系统实验”等独立实验课组成的工业机器人综合设计应用实践层,主要培养具有智能装备及典型行业自动化生产线的集成设计、技术改造及运行管理的工程应用能力。

高级强化阶段是在完成初级认知、中级提升阶段学习之后,按照学生工业机器人发展方向和岗位能力需求,强化实践动手能力,加深对智能制造行业中工业机器人系统集成应用的理解,并尝试比较复杂的工业机器人工作站系统集成设计。

4.2 智能机器人实践教学体系

智能机器人实践教学体系主要包括智能机器人基本技能实践层、智能机器人基本理论实践层、智能机器人机械设计实践层、智能机器人电气设计实践层及智能机器人综合设计实践层,五层实践教学紧紧依托智能机器人软硬件设计开发项目分三段依次开展层进式实践教学。

4.2.1 智能机器人初级认知阶段实践教学

智能机器人初级阶段主要开展学生基本技能基本理论的训练,包括智能机器人基本技能实践层和智能机器人基本理论实践层两个实践教学层。

其中由“专业认知实习”“制图实践”“工程实训”“电子工艺实训”及“电路分析”等基础课程实验构成的智能机器人基本技能实践课程群,主要培养学生的工程认知能力,帮助学生理解和巩固相应的工程基础知识,初步掌握工程基本技能。

4.2.2 智能机器人中级提升阶段实践教学

智能机器人中级阶段主要开展学生机器人机械、电气模块化设计的训练,主要包括智能机器人机械设计实践层和智能机器人电子系统设计实践层两个实践教学层。

其中由“机械设计基础课程设计”“机器人编程实训”“机械设计基础”课内实验及“机器人运动学控制实验”等独立实验课构成的智能机器人机械设计实践课程群,主要培养学生具备利用机械设计软件开展智能机器人本体结构优化设计的工程设计能力。

由“单片机技术课程设计”“嵌入式系统技术实验”及“电子线路计算机辅助设计”等独立实践课构成的智能机器人电子设计实践课程群,主要培养学生具备利用电气设计软件开展智能机器人的软、硬件设计的工程设计能力。

工业机器人中级阶段实践教学利用智能机器人实践项目,通过课程设计、综合实训课程及独立实验课,指导学生学习使用机器人基本硬件设备,包括电机、单片机及传感器等,掌握控制原理和方法,培养具备利用嵌入式处理器,实现对机器人的传感系统、控制电路、电源管理系统及通信接口电路等硬件系统设计与测试能力。

4.2.3 智能机器人高级强化阶段实践教学

智能机器人高级阶段实践教学,主要开展智能机器人软硬件综合设计,包括智能机器人综合设计实践教学层。

由“生产实习”“毕业实习”“智能机器人控制综合课程设计”“毕业设计”“机器人操作系统ROS原理及应用实验”独立实验课及“微机原理及单片机应用技术”课内实验课组成的智能机器人综合设计实践层,主要培养学生具有机器人系统的通信、底层驱动、控制、智能化软件系统开发的工程应用能力。

高级强化阶段是在完成初级认知、中级提升阶段学习之后,按照学生智能机器人发展方向和岗位能力需求,强化实践动手能力,加深对智能服务机器人的理解,并尝试比较复杂的智能机器人软、硬件设计。

5 小结

机器人工程专业双主线项目层进式实践教学体系,以培养学生工程认知能力、工程验证能力、工程设计能力及工程应用能力为目标。三段五层实践教学课程群,紧紧围绕两个专业方向的实践教学案例,按照先由下至上模块到整体,再由上至下整体到模块的原则进行整体设计。从初级认知阶段到中级提升阶段,根据项目分支开展各模块学习、实践到树立机器人基本操作、整体设计、电气控制及感知规划概念;从中级提升阶段到高级强化阶段,面向机器人具体整体任务出发到各模块设计及控制,初步形成了机器人工程专业“项目引领、岗位实境,分层培养、逐级递进,多方联动、前后贯通”的实践教学特色。