基于OBE教育理念的工业机器人课程教学研究——以应用型本科机械类专业为例

黄晨华，李湘勤

(韶关学院智能工程学院，广东韶关，512005)

一、引言

2015年，国务院正式印发《中国制造2025》，为我国制造业的发展指明了方向，推动了相关行业及技术的交叉融合。为应对新一轮的科技革命和产业需求，培养符合国家战略和社会需求的人才，教育部于2017年发布了《关于开展新工科研究与实践的通知》等一系列开展“新工科”建设的文件，掀起了全国高校专业设置和专业改革的高潮。[1]2016年，东南大学创建国内第一个机器人工程专业，至2020年国内共有249所高校获批建设机器人工程专业。[2]同时，越来越多的高校在机械类专业中新开设工业机器人课程，培养符合现代产业要求的人才。工业机器人是多学科交叉整合体，且在国内机械类专业本科阶段开设该课程的高校较少，开课质量参差不齐，授课内容千差万别，因此，有必要对工业机器人课程教学内容和方法进行深入研究。本文基于OBE(outcome-based education，基于成果导出的教育)教育理念，对工业机器人课程教学内容和教学方法展开研究，以提高该课程的教学质量。

二、工程教育认证与OBE教育理念

工程教育认证是按照认证机构对工科类人才培养的认证协议标准进行认证，由相同认证机构认证过的专业，其学位在国际上相互认可。目前，国际上被认可的工程认证协议标准主要有华盛顿协议、悉尼协议和都柏林协议。中国工程教育专业认证协会成立于2015年4月，于2016年6月正式加入华盛顿协议。[3]

OBE教育理念首先由William Spady提出，其核心思想是依据学生在学习结束时所要具备的能力，反向推导出必需的所有教学环节和教学活动，以支持学生所要具备的能力的培养形成。OBE教育主要包括以下四个环节。

第一，确定学习成果，即学习目标。这对教师而言是该课程的教学目标，教师的所有教学活动均基于这一目标开展；对学生而言是学完该课程后应获得的能力。

第二，学习成果达成的方式，这对教师而言是如何使学生获得学习成果，即各教学环节和教学活动。

第三，学习成果达成度评价，用合适的评价考核方法，以获知学生学习成果的达成度。

第四，持续改进措施，对学习成果达成度进行分析，找出教学组织、教学活动中存在薄弱的地方加以改进。

以上四个环节构成一个闭环，以持续提高教学质量。

三、学情分析

(一)教学目标不明确

在机械工程、自动化、控制工程、计算机、电子信息等不同领域均有与机器人相关的研究与应用，但各领域的侧重点不同。因此，不同专业的机器人课程的教学目标应有所不同。应用型本科机械类专业侧重于应用，专业能力强调的是结构的设计、分析、制造及机器人在制造行业的应用、集成等。应着重培养学生对机器人核心零部件的设计、分析、制造能力，如机器人本体的设计、分析、制造等。由于机械类专业的学生专业知识结构所限，因此，机器人的控制系统研发不应为其学习的重点，但学生应该能理解其原理且能应用。目前，应用型本科机械类专业的机器人教学目标大多针对性不强，在实际实施中教学效果欠佳。

(二)教材建设相对滞后

近几年来，国内出版了很多工业机器人方面的教材，这些教材大致可以分为两类。一类偏理论，机器人的相关理论内容较深，对应用层次的机械类专业本科生而言比较“难消化”。另一类则过于强调应用，内容侧重于机器人操作，机器人的相关理论的内容较少，对应用层次的机械类本科生而言，其理论内容过于单薄，学生“吃不饱”，此类教材较为适合于职业院校。目前，适用于应用型机械类本科生教学的教材较少。

(三)师资结构不合理

机器人是机械、电子、计算机、控制等技术的综合体，同时其应用性也很强。目前，大多数高校开设工业机器人课程的主讲教师，一些出自机械类专业，通过进修或培训，转为主讲机器人课程，对机器人相关理论特别是对机器人控制等方面的理论知识掌握不深；一些出自自动化或电子或计算机专业，这类教师在机器人控制及编程方面理论知识丰富，但在机械结构及应用场景等方面知识短板明显。

(四)学生知识储备不足

机械类专业课程以培养学生结构设计与制造能力为主，主干课程主要包括理论力学、材料力学、机械原理、机械设计、机械制造技术等课程，虽然也有计算机类、电子类、控制类及算法类的课程，但往往课时较少，较难达到使学生具备运用这些知识解决问题的能力的目的。

四、基于OBE教育理念的工业机器人课程教学

(一)学习目标制订

应用型本科高校应具备为区域经济社会发展服务的能力，为行业企业技术进步服务的能力，为学习者创造价值的能力。[4-5]因此，结合机械类专业特点和能力要求，工业机器人课程学生学习目标为以下几点：了解工业机器人发展历史、现状及分类；学会工业机器人的结构设计；理解机器人工作原理、控制方法；会编写工业机器人应用程序；能根据现场要求，设计基于工业机器人的自动化生产方案。

(二)教学环节与活动设计

1.分解学习目标，确定教学模式

为使学生达到预定的学习目标，本文对学习目标相关知识点进行分解，设计相应的教学环节和活动。对“了解工业机器人发展历史、现状及分类”目标以学生自主查阅资料为主，教师只介绍机器人方面的最新成果和进展；“学会工业机器人的结构设计”“理解机器人工作原理、控制方法”两个目标主要通过理论授课，结合学生自主学习来实现；“会编写工业机器人应用程序”“能根据现场要求，设计基于工业机器人的自动化生产方案”两个目标通过完成相应的实验和创新性课题来实现。考虑到学情，在教学活动中还应对需要加强的知识点加以补充。教学环节与活动设计见表1。

表1 学习成果与教学模式对应关系

2.按学习目标安排教学内容

适合机械类本科专业的教材较少，本文选用清华大学出版社出版，由战强主编的《机器人学》[6]作为基本教材，建议学生在学习过程中参考John J.Craig著的机器人经典教材《机器人学导论》[7]，教师在教学过程中补充教材中没有，但学生在实际常用的内容，如机器人本体结构设计、机器人用减速器、轴承等，理论教学的主要内容如表2所示，实验教学内容如表3所示。

表2 理论教学内容与学时安排

表3 实验教学内容与学时

3.多种教学方法并举，以提高学习成果达成度

一是自主学习。该方法主要应用在绪论部分，要求学生利用图书馆资料、网络等，查阅有关工业机器人的国内外发展历史、现状水平及发展趋势的文献资料，调研目前市场上主流产品及工业机器人在企业中的应用情况，然后撰写不少于5000字的综合报告。学生通过自主查阅资料，对工业机器人最新的现状有比较全面的了解，而不仅限于教材介绍的知识。

二是采用课堂与现场相结合的授课方式，采用小班授课，把理论授课安排在实验室。由于工业机器人重量较大且操作有一定的危险性，不适宜放在普通课室辅助上课，因此，把实验室做相应的改造，使之符合理论课的要求，这样大大降低了学生学习相关知识的难度，比如教师在讲到机器人结构时，可以现场指出并操作演示。机器人坐标系及其转换、机器人D-H模型的建立等内容是课程的重点，也是难点。学生因以前没有接触过实际的机器人，理解起来比较困难，采用现场教学后，学生的理解难度明显降低，保障了教学效果。

三是采用部分翻转课堂的形式，为了使学生更好地理解与运动相关的理论知识，教师除了利用工业机器人做相关的实验，还提供机器人实验箱，让学生可以按自己的兴趣搭建不同形式的机器人，并写出相应的控制程序。这部分内容只给出要求，学生利用课余时间完成大部分工作，并在课堂上提出存在的问题，全体师生一起讨论解决，达到了很好的教学效果。

四是以专题讲座的方式，解决师资力量不足、学生知识结构欠缺的问题。对知识跨度较大或主讲教师不熟悉的授课内容，学院邀请专业教师以专题的形式讲解，比如讲到轨迹规划时，其中牵涉路径优化算法及程序实现，可以邀请计算机专业的教师，对这一主题开展讲座。对学生知识结构上的不足，授课教师应在课前布置相应的自主学习任务，比如，在机器人动力学部分，学生对拉格朗日公式很难理解，教师应课前先布置学生复习相应的高等数学知识和理论力学知识。

五、多方面评价学习成果达成度，推进教学方法的持续改进

以学习成果达成度为指标，对教学方法持续改进。学习成果评价从两个方面进行。一方面是直接评价，主要包括课堂回答、讨论问题、实验报告成绩、完成的作业质量、结课考试成绩等。其中，课堂回答、讨论问题、实验报告成绩、完成的作业质量属于过程评价，反映某一阶段学习成果的达成情况，结课考试则评价学习成果总体达成情况。另一方面通过问卷调查的形式进行间接评价，通过超星学习通平台发放问卷，让学生对自己学习成果的达成度打分。学生对教师的评价直接采用学院每学期组织的学生评教数据。每个评价环节均应围绕对应的学习成果进行，特别是在结课考试中，试卷的内容、题型应与学习成果的评价相对应。每次课程结束后，教师依据评价分数，分析教学活动中的各个环节，包括教学模式、教学内容、教学方式，找出不足，加以改进，形成持续改进闭环。学习成果评价方式如表4所示。

表4 学习成果评价

六、结语

随着国内人力成本的上升，以工业机器人代替人的部分工作是大势所趋。工业机器人在工业生产中发挥的作用越来越大，加快中高端工业机器人人才的培养是社会所需。基于OBE教育理念开设的课程，学生学习时目标明确，有利于激发学生的学习兴趣，促进学生自主学习。教师教学时目标也很明确，有利于教师确定合理的授课内容，采用合适的教学模式。对专业而言，可以减少或消除“水课”，避免教学资源浪费，培养符合社会需求的高质量人才。