基于机器人技术产教融合的工程训练实践教学研究

龙彦泽 李颂华 王永华 张啸尘 陆 峰

（沈阳建筑大学 辽宁沈阳 110168)

一、现行高校工程教学存在的问题

我国确实已经成为工程教育规模世界上较大的国家，无论在校生的规模还是毕业生人数都高居世界前列。本科工程教育作为高等教育体系重要的一部分，为我国的经济发展和社会进步培养了大量工程科技人才，取得的成绩是有目共睹的。然而，随着我国经济社会、科学技术和高等教育的快速发展，工程科技人才就业市场发生了巨大变化，人才的结构和质量规格均无法满足社会和产业界的需要。在新的形势下，全球化、创新经济、工程复杂性以及人类可持续发展面临的一系列问题，也给我国的工程教育提出了新的挑战。重点大学本科工程教育越来越表现出不适应性。从学生的表现来看，他们在工程实践能力、人文情怀、可持续发展能力、跨文化沟通能力等方面尤为欠缺。

二、新工科下的机器人技术实践特色教学人才培养

系统引入国外开展机器人学科教学比较早、成果卓著的高校的经验，结合国内高等教育机制，在中科院院士带领的专家顾问团队的指导下，经过广泛调研，将机器人工程专业划分为四个培养方向，即：机器人机电系统；机器人运动学、动力学及控制；机器视觉及机器人感知技术；人工智能应用。作为一个新工科方向，将以自主移动智能机器人为平台带来一系列的新技术、新知识，它们成为机器人工程专业的核心课程。而工程训练实践课程，主要通过机器人课程的学习，使学生掌握各类元器件的工作原理，通过对标准结构件、传感器、执行件等的任意组合，完成课程设定的实训内容。

同时在课程设置过程中，可以有意识地培养学生在各个方向上的理论及实践知识的掌握。机器人机电系统方向主要培养学生的机器人机械系统、电气系统的控制与运行；运动学动力学与控制方向主要要求掌握机器人的运动学、动力学以及控制知识；机器视觉与传感器融合方向主要培养学生的视觉处理，传感器与视觉的融合知识；人工智能应用方向主要培养学生基于视觉传感器的控制算法、机器学习等内容。

三、新工科下的机器人技术实践特色教学方式

教学项目“设置”。即将学生分组称之为项目团队，各团队不少于5名学生，学生的特长、兴趣最好不同。各团队成员自主研讨、协作实现一个项目任务目标，包括知识准备、方案设计、项目实施、项目评价等各环节，都由学生自主完成，教师仅在其中做引导工作。项目首先要求解决某个生产、生活中可能出现的实际问题；其次需要各团队思考如何将项目成果转化具有实际的商业价值，制定创业项目提出详细的计划书；然后向教师和广大同学以及企业代表路演。项目由学校与合作企业经广泛调研、共同讨论确立，或来自于企业在生产中遇到的实际问题；或来自于学科竞赛、创新竞赛；或来自于国家、省部级的科研项目。学生在完成项目的过程中来学习培养计划所要求的课程内容。

四、新工科下的机器人技术实践特色教学师资建设

培训学生，教师先行。学生的学习成绩很大程度上取决于教师的知识和实践能力水平，因此对教师的工程能力的培养极其重要。在进行教师课程培训时，培养解决实际工程问题的系统化训练，具备综合利用专业知识和科学实践方法准确解决实际问题的能力。教师的培训与学生的培训不同，原因在于教师的知识储备及见识丰富，应该侧重于工程实践能力的培养，将学生进行工程训练所能遇到的问题考虑全面。在一些重要环节中设置相应的思考题目，使学生对此步骤印象更加深刻，并可以通过这些思考题目，让学生产生创新思路，使教师对知识的应用达到深入浅出，才可以对学生进行全面的工程培训。

师资力量的提高、师资队伍的建设遵从“请进来，走出去”的原则，校企紧密合作。1.师资培训会。利用每年暑期，定期举办集中式的师资培训会，为期3～5天。在人工智能、机器学习、运动学、动力学、控制方法、机器视觉、传感器融合等学科方向开展示教，了解企业的岗位技能需求，从而明确人才培养的重点方向。2.教师在企业实岗进修。院校不定期派遣专业教师至企业当中，在实际工作岗位上与企业人员一起参与开发、生产实际过程，切身体验技术的实际应用。3.企业骨干进入院校兼职。院校聘请企业骨干人员作为校外指导教师、兼职教师、特聘教授等身份，直接参与授课环节，将企业的实践经验与课堂传授无缝结合。

五、新工科下的机器人技术实践特色教学实验室建设

计划建设实验室主要应用于人工智能学院机器人工程专业实验教学，同时承担科研项目部分任务，还可用于本科生毕业设计等实践教学活动，以及开展大学生创新创业活动。根据工程训练教学实践教学体系要求，针对学生教学课程开设如下课程：例如机器人运动学与控制、轮式机器人运动规划、多足机器人运动规划、机器视觉与传感器融合技术、机器学习与深度学习。以机器人运动学和控制实验内容为例，进行课程内容和实验介绍。

六、本科教学的分年度循环学习

在本科学生进行工程实践能力培养过程中，大一应该多进行基本数理知识和计算机知识的培养，了解机械行业概况及当前的先进制造技术的发展现状，具备专业学习能力，在进行工程实践培训时应该侧重基础原理性的培养，让学生达到了解的程度；大二掌握机械零件、机械结构和机械设备的工作原理，具备准确地识图和制图的能力，具备较为扎实的先进制造技术有关的专业基础理论和知识，让学生达到掌握基础知识的能力[1-5]；大三掌握金属材料的特征和机械制造加工工艺，熟悉计算机辅助设计制造的流程和核心技术，具备利用工程语言初步分析问题和进行专业表达的能力，让学生达到具备机械工程实践能力；大四在完成毕业设计的同时，通过多种现行机器人相关产品进行拆装测绘，形成生产图纸，工艺文件，并完成新的控制系统及其学科涉及专业进行设计，培养具备综合利用专业知识和科学实践方法准确解决实际问题的能力[6-8]。