基于工程教育认证的《工业机器人项目综合训练》课程改革与探索

沈红芳 印松 王廷军

摘   要：基于工程教育认证，学生能力的培养如何实现？文章以《工业机器人项目综合训练》课程为例，通过调研企业的需求和需要解决的问题，以工程认证毕业要求为标准，制定了课程培养目标，选取几种典型的工业机器人应用场景，构建以真实“工业现场”情境再现为特色的机器人综合实训平台，并从课程目标、教学实施、考核方式等方面对该课程进行了改革与探索。

关键词：工程教育认证;工业现场;综合训练;实践平台

中图分类号：TP242 文献标志码：B 文章编号：1673-8454（2021）12-0073-04

一、引言

工程教育为全面建成小康社会提供了基础支撑平台，为全面建成现代化强国提供了战略引领力量，也为人类命运共同体的发展提供了中国经验[1]。工程教育认证的目标体现在教育改革方面就是：产出导向、持续改进、学生中心，并由此形成毕业标准12条要求[2]，主要任务是培养学生解决复杂工程问题的能力。而解决复杂工程问题能力的培养，关键字是“能力培养”。那么，如何实现上述能力的培养？这就要求课程教学能实现对毕业要求的支撑，考核评价能证明对毕业要求的支撑。本文以《工业机器人项目综合训练》课程为例，对该课程现状、课程目标、课程教学、考核评价等方面进行了一系列的改革和探索。

二、课程现状及需要解决的问题

《工业机器人项目综合训练》课程是我校机械电子工程专业重点建设课程，目前已申报成功“2019年度上海市教委本科重点建设课程”，是一门多专业基础和多知识领域融通型的将经典理论学习与项目实践及产业技术深度结合的课程[3]。本课程是在完成《机械设计》《液压与气压传动》《机电传动控制》《机械工程测试技术》《机电控制技术》《工业机器人技术与应用》等课程的学习，并完成了“生产实习”之后进行的以实践为主的综合性的教学环节。

通过对工业机器人应用行业相关企业和用人单位的调查和反馈，我们整理出高校毕业生在实际岗位中遇到的一些问题：①缺乏行业特点的专业背景知识;②技术知识不扎实;③所学专业知识与工作需要脱节;④不了解相关行业法规标准知识;⑤动手实践能力薄弱;⑥自我管理能力较差;⑦上岗培训周期长。

上述问题反映出在教育实践中，学生的能力培养没有满足现代工业要求，学生的工程能力以及自主性、创造性没有得到充分的发展。究其原因，一是相较于近年来国内机器人产业所表现出来的爆发性发展态势，高校、职校等机构的课程教学相对滞后。二是忽视了工业机器人在工业现场的实际应用场景，以及对工业机器人应用能力和技术的培养。三是单一课程实验由于时间的限制，演示性、验证性较多，且过多依赖理论的教学方式，严重影响了学生学习积极性和主观能动性的发挥。[4]

三、课程目标设定

根据上述企业调查结果，对照《工程教育认证标准（2017年11月修订）》中毕业标准12条要求，围绕培养目标和全体学生毕业要求的达成，设定本课程所要达成的目标，具体如表1所示。

四、课程教学改革

课程教学是实现毕业要求强有力的支撑，围绕表1中6项课程目标的要求，在课程教学设计上，以项目为中心，选取了几种典型的机器人应用场景，创建以“工业现场”为特色的实践教学平台开展项目设计，以学生为主体、成果为导向、教师为引导实施教学过程。

1.教学内容持续改进

作为一门工程性、综合设计性强的实践课程，《工业机器人项目综合训练》课程融合了前期所学的多门专业课程知识。比如，一套三工位物料分拣流水线的系统集成了以机器人为主体、流水线、传感器、驱动及传动装置、气动系统等为外围设备的多门相关专业课程的知识。通过完成项目任务，可以将单一的知识点进行有机融合，形成一个有效的知识体系，培养学生专业知识能力和工程实践能力。

通过搭建典型的工业机器人工业现场的实践平台，使学生了解真实的行业背景及相关行业标准，培养其工程素养，使其能尽快适应岗位要求。随着学生规模的扩大，对设备台套数的需求增加以及对真实场景再现的需求，需要指导教师不断学习和跟踪现代企业生产过程，改进和增设项目平台。目前，除了原有的三工位物料分拣流水线系统：主体由两台Fanuc机器人和一台ABB机器人组成（见图1）和双协作装配机器人（见图2）：主体由两台ABB机器人组成的实践平台外，又在原来一套单一的Fanuc并联机器人搬运平台的基础上[5]，增加了另一台UR机器人及视觉系统的应用，改建成双协作键帽装配机器人（见图3）的实践平台。

以双协作键帽装配机器人实践平台为例，平台硬件构件、项目要求和需要完成的任务如下：

（1）平台硬件构成：如图3所示，该平台由一台Fanuc并联机器人与一台UR机器人、西门子PLC1500控制器、流水线、待装配的键盘、键帽、电源、机械架构等组成。

（2）项目描述：将传送带上送来的键帽安装到键盘相应位置。

（3）具体任务要求：在连续工作模式下，人工将键帽上料于传送带;待传送到位后，机器人A（Fanuc）启动视觉系统，识别键帽字母;将传送带上的键帽拾取并放置于指定位置的槽中;待机器人A回归原位后，机器人B（UR）取下键帽，并将其压装入键盘的相应位置;重复以上任务;采用机器人对以上任务进行操作，执行器为吸盘;采用PLC+机器人的控制结构，PLC通过IO并口与机器人A通信，通过Profinet总线与机器人U机器人B进行通讯;通过触摸屏编程实现人机界面，要求包括启动、停止、转速显示、当前状态等信息;利用仿真软件对机器人的工作过程进行仿真。

2.教学过程实施

以完成上述任务为例，学生首先要对项目进行分析、方案设计;其次需要以团队的形式在3周内分工合作完成：①工业机器人的操作和运动轨迹示教编程及调试;②利用虛拟仿真软件Robot Studio对上述运动过程进行运动仿真;③西门子PLC1200/1500控制器程序编写及调试;④与HMI组态、编程调试;⑤末端执行器的选择和安装;⑥气动系统的设计;⑦流水线机械结构设计等，最终要完成项目报告并参加答辩考核。

具体实施措施：

（1）以学生为主体：建立课程网站，通过课程网站的建设，实现将丰富的课程资源通过网络信息平台进行共享;向学生提供录像与视频观看课程资源;进行相关知识准备。

（2）以教师为引导，实行过程跟踪：本课程安排在大四上学期的后半段，为期3周。实训开始前，各项目组要先进行项目方案的预答辩，以保证项目的顺利开展。在实训期间，每天都由具有工程背景的专业教师跟踪学生在实验室的实践过程，以便实时处理各种应急状况，进行实践指导，保障操作安全。

（3）以成果为导向：在项目完成后，完成项目报告，进行项目汇报，答辩考核。

（4）评选验收成绩高的团队为全体学生演示设计的成果，促进全体学生持续改进。

以上教学过程的实施，有助于培养学生基于项目和任务的主动学习方法以及进行问题分析、设计开发和使用工具的专业能力;培养其安全意识、责任等工程素养以及沟通、团队合作、终身学习的发展能力。

3.课程考核改革

成果导向教育（Outcomes-Based Education，缩写为OBE），强调以学生的预期学习成果为核心，关注教育的产出结果和产出[6]。基于面向产出的理念，课程考核由原来简单的“平时考勤+答辩+实验报告”的方式改为采用工程实践方法，结合项目要求，采用全程跟踪与进程式评估，注重过程考核及成果导向评价。主要考核全体学生独立钻研、团队合作、分析问题和解决问题的工程实践能力及全面的综合素质能力[7]。

（1）建立考核预审机制，确保考核内容和方式与课程目标有效关联。

（2）考核评分：以成果为导向，对学生最终实践成绩给予评价。考核评分由平时成绩、实验报告和项目汇报三部分组成。

①平时成绩：通过平时跟踪，考察学生在设计开发方案、操作技能、使用工具、独立完成及团队合作等方面的能力。

②实验报告：考察学生获取相关技术资料，撰写实验报告和系统操作说明书，利用工程项目管理的思想进行方案设计、任务分工与协作、进度控制及项目调试与验收等的能力。

③项目汇报：在规定时间完成实训任务后，每位学生需要提交一份设计方案及详细的实施报告，以团队为单位考核其完成一个完整项目任务的情况。同时对每位学生分工负责的部分进行现场答辩，考查其对专业知识的掌握程度、对指定任务的完成程度、对完整任务的贡献度以及表达能力和创新能力的程度。

考核最终结果将根据学生讲解设计思路、现场答辩及项目报告等，由多名指导教师给出验收成绩。

（3）考核评分构成见表2，以表2中个人与团队评价为例，考核评分标准如表3所示。

五、结语

本课程自2014年起开设，随着实践平台的不断开发与建设，学生可以接触到更多的应用场景。由于工业现场特色的场景更接近工程实际，学生的学习兴趣和主动性得到充分发挥，尤其是需要综合应用前面所学的各单科知识以及获取新的知识，往往表现出较强的进取心、好奇心、求知欲以及独立思维能力、逻辑判断能力和举一反三、触类旁通的能力。

在学生们的项目总结报告中，往往都用了 “获益匪浅”“虽然很累，但是很值得”“感谢这次实践，感谢老师”“团队成员给了我很大帮助”“坚持不懈、有勇气和信心去解决遇到的问题”等词语表达自己内心的感受，也证实了开展以学生为中心、以成果为导向、以项目为主线的教学方法，有助于课程目标的达成。后续将考虑企业的深度参与，创建更多的实用情境，使课程质量得到持续改进和提升。

参考文献：

[1]吴岩.新工科：高等工程教育的未来——对高等教育未来的战略思考[J].高等工程教育研究，2018（6）：1-3.

[2]顾佩华.新工科与新范式：概念、框架和实施路径[J].高等工程教育研究，2017（6）：1-13.

[3]周萌，曹政才，吴启迪.新工科背景下基于“五位一体”的机器人技术教学改革研究[J].高等工程教育研究，2020（4）：66-70.

[4]王晓华，王杰，李海燕，等.高校开放实验室建设的探索[J].实验室研究与探索，2013，32（9）：219-221+254.

[5]印松，唐矫燕.工业机器人综合训练平台[J].实验室研究与探索，2016，35（2）：55-58.

[6]邱竹，张根华，钱斌.OBE视角下地方应用型本科专业建设标准体系研究[J].大学教育， 2020（12）：17-19.

[7]王常順，潘为刚，张广渊，等.新工科背景下应用型本科院校电类专业实践教学体系改革[J].科技风，2020（20）：43-44.

（编辑：李晓萍）