新工科背景下机器人本体设计课程建设与教学探索

杨明星　朱庆　时礼平

摘 要：机器人本体的结构和系统设计是机器人研究的重要内容，在机器人工程相关专业人才培养中起着基础性和广泛性的作用。本文以教育部新工科发展为背景，围绕机器人工程专业建设和人才培养目标，以机器人本体设计课程为例，通过对高校课程体系现状以及企业人才需求的研究，分析出课程体系在课程目标、课程内容、课程结构、课程实施和课程评价上存在的问题及相应的原因。并结合新工科的建设理念有针对性地提出高校课程体系优化的策略，探索机器人本体设计的课程建设与教学内容。

关键词：机器人工程；新工科；机器人本体设计；课程建设

习近平在十九届全国人大上首次提出“新时代”，标志着中国全面进入新时期。《教育部高等教育司关于开展新工科研究与实践的通知》中提出：“新工科研究和实践围绕工程教育改革的新理念、新结构、新模式、新质量、新体系开展。”这些都是新工课建设的重要内容，也是新工科建设的重要内容。“机器人工程作为我国以培养机器人产业、智能制造等领域创新创业型人才为目标的新工科专业，具有很强的新颖性、综合性和实践性，其建设成效将直接影响未来国家经济的发展和中国在全球经济中的主导地位。[1]”本文通过分析新工科背景下机器人工程专业建设的特点，梳理现阶段我校机器人工程专业的人才培养模式下机器人本体设计课程的性质与教学目标，提出机器人本体设计课程的教学内容设计和教学探索，以此期望学生熟练掌握机器人整机、核心零部件以及机器人系统设计等方面的知识，提高和促进学生在机器人工程领域内的样机设计开发和创新能力。

一、新工科背景下机器人工程专业建设的特点

为了适应新经济的发展，要在激烈的国际竞争中取得竞争优势，我们必须严格落实立德树人的要求。新的工程学科建设是教育系统深入学习和实践习近平新时代中国特色社会主义思想、做好高等教育工作的“奋进之笔”。同时，也是促进工科的交叉复合、工科与其他学科的交叉融合人才培养质量，实现公平公正，完善人才培养制度的重要举措。“复旦共识”中指出，各大工科高校都要加强自己的专业结构，不断深化，推进工科与其他学科的交叉融合，努力打造新的工科，促进工科的发展，充实工科的内涵和重点[2]。由此可以很明显地看到，在新的工程教育发展的大背景下，多个相同、不同学科的课程建设最为突出。但是，跨学科的主要目标并不在于建立一个新的学科，而在于拓展学生的知识范围，培养出综合能力强的人才。在课程体系的构建上，高校要抓住新工程的机遇，对传统的工程专业进行改革与升级，综合考虑各个专业的知识内容和比重，制定出一套实用性、多专业相结合的灵活人才培养方案。

安徽工业大学新开设的机器人工程专业，紧密围绕国家和区域智能装备制造业、战略性新兴产业，以“机器人技术与冶金智能装备”为特色，培养服务于机械、交通、电力、冶金、化工、建材等行业的具有一定国际视野和创新精神的应用型专业技术骨干人才。学校应该基于建设新工科大环境，努力建设机器人工程专业课程体系。在课程设置方面，应该打破传统的培养模式，采取分层教学模式，根据不同学生的学习水平以及综合素养设计相对应的教学方法，实现差异化、分层教学，按照基础、专业、提升等多个阶段实现有效的教学[5]。

二、调查方法

针对课程体系的内容调研，从文献材料的可操作性出发，选择了我校工程类专业的教学大纲，从课程目标、课程设置、课程结构、课程实施、课程评价五个层面进行文本收集和分析。

（一）人才需求调查方式与实施

在此基础上，笔者从两个方面进行了研究：首先，通过对行业协会官网的调研，了解机器人产业的发展趋势。第二，采用访谈的方式，采用电话采访的方式，对5个高校的对口单位进行了调研。

（二）课程体系现状调查方式与实施

本研究以教学过程、学生学习状况、兴趣需求、对课程的意见等为研究对象，对本专业的机器人专业毕业生进行了问卷调查。采用问卷调查法，通过分享链接、扫描二维码等方法进行问卷调查，共计235份问卷被回收。对于机器人专业老师，就课程设置、课程实施情况、课程效果、效果如何等问题，作者采用电话采访的形式，与专业老师进行一对一的访谈。

三、机器人本体设计课程的教学问题原因分析

机器人作为柔性生产不可或缺的设备，其本体结构及相关零部件的设计工作不仅需要多个学科理论基础，还需要丰富的工程知识和实践经验，蕴藏着巨大优化和潜力[3]。教师需要根据机器人工程专业的系统性课程，本着“理论-设计-应用”的理念进行课程内容的设计和教学，明确机械设计、机械原理、工程材料等各交叉课程之间的衔接关系，合理地安排机器人本体设计课程开设的教学内容，同时增设辅助教学实践课程，便于学生们做好知识迁移。通过调查我们发現主要存在以下问题。

（一）课程目标定位不准确，学习较为单一

通过对老师和学生的问卷调查，发现很多教师的发展对象依然局限在由教学专家和专业课程专家构成的教育行政部门。但因其视角的限制、对行业企业的认识、对工作流程的掌握、课程目标导向的倾向往往会偏向于专业知识而脱离实际工作，不能适应企业的需要[4]；同时，由于高校自身的特点和职业教育的特殊性，使得课程目标定位不够精确，难以适应学生的发展需要。此外，由于企业和行业的参与程度不高，对课程目标的确定也有很大的影响。另外，由于学生觉得课程很难达到要求，说明课程开发并没有把学生的主体性放在第一位，没有把学生的发展作为一个整体，把学生当成一个被动的学习对象，从而把学生的主体性边缘化，把学生的发展和课程的发展联系起来。

（二）知识体系缺乏实用性，与工作内容有差异

目前的教学内容与企业的工作实践有一定的距离，教学内容的组织是以知识逻辑为基础，而非以工作逻辑为基础，将原来属于一系列工作流程的知识分成若干个知识点，并将其分为若干学科类别。这种做法使学生能力在实践中难以提高，有些课程还分为理论与实务两大类，这就使理论与实践相分离，使学生无法更好地了解和灵活地使用知识[5]。同时，由于课程内容的分割，导致了学生对问题的思考单一，很难形成全面、整体的思考能力，很难在实践中解决问题。如果缺乏相应的综合能力，很容易造成教学内容的重复，造成教学内容的混乱，导致教学内容不能全面、系统地进行，从而影响教学效果。这些课程不但没有实际意义，反而增加了学生的学习负担。另外，脱离实践的内容因其自身的特点而变得僵化、固化，难以与技术、知识的动态变化相适应，导致教学内容过时，学生所学的知识难以与产业发展同步，导致人才培养的成效下降。

（三）课程结构不合理

目前的课程结构不够合理，而机器人本体设计是近年来兴起的一门课程，其根本原因在于它的价值定位不够全面，没有考虑到学生的全面发展。目前我国大学主要侧重于专业能力的培养，通识教育中忽略了培养学生的持续发展能力，将通识教育与职业教育人为地分割开来。专业教学的方向也比较单一，它只注重专业知识和技能，忽视了专业之间的关系。专业划分过于细化，高层次人才的培养不能满足企业的复杂需求，不能适应未来的发展。对理论与实践同样存在着片面的认识，仅仅按照教学的组织形式和表现形式人为地划分了理论与实际的关系，忽略了理论与实践的内在关系[6]：理论课程是对前人的实践经验的总结，包含了实践的内容，同时也包括了理论上的部分，以指导实际的实施。此外，在教学过程中，我们只注重学生的全面发展，缺乏多元化的人才观念，忽视了学生个性的培养。高等职业教育应实现可持续发展，特别是注重人的个性发展，这是由高校的特点决定的。在同一课程、同一教学模式下，不同的学生难以实现个体发展。职业教育的类型特征不能在高等职业教育中发挥应有的作用。

（四）校企合作模式单一，课程实施面临困境

目前，由于学校内部和外部资源的质量问题，总体而言校外校企合作尚未深化，校企之间的思想观念尚未转变。在与企业的交流与联络上，缺乏对企业需求的调研，难以将企业的需求反映到课程中，针对企业提供资源和条件对实际教学工作进行开展，探索课程实施模式。目前，校企合作采取的合作模式较为单一，并不深入，企业仅仅是参与了部分课程的实施，而不是整个过程。所以，即使把教学场所设在公司，也不利于学生的实际操作。

（五）课程评价单一，无法综合发展

课程评估要立足于学生的发展，对其进行全面、科学、系统的评估。目前的课程注重学生的书面测试结果，而忽略了实际操作能力的提高；忽视了对学生的学习态度、行为、学习的发展；由于评估缺乏从学生的全面发展出发，难以对其进行全面的评估，导致评估内容不完整，与课程目标相脱离，影响了学生的综合素质；评估也不能从学生的工作实际出发，以企业的工作需要来衡量，导致评估标准与专业标准的脱节，造成了学校的教学与工作的不协调，从而影响了评估的科学性和有效性[7]。

四、课程教学实践实施改革

（一）课程目标多元化，与实际结合教学

随着产业的需要，新经济、新技术的发展，对行业企业的要求越来越高，对技术、技能复合型人才的需求也在不断地变化。只有准确地把握社会需要，才能在课程体系的各个层面上进行相应的改革和实施，使之符合在目前即将来的工作环境中，学生的发展需要具备的能力。目前，工业企业对职位的需求不再局限于专业知识的能力，而是跨学科、跨专业的知识能力的培养[8]。因此，课程目标也要延伸到与产业链有关的工作与工作群体，涵盖了工作链条和专业群体的多个层面，以培养高素质的技术人员为使命，以适应产业发展的动态。

（二）以学生全面发展为要求，培养高素质人才

课程教学是一种具有职业性质的教育，大学的课程目标既要着眼于就业，又要兼顾学生的综合素质和可持续发展的需要。教育课程既要注重培养学生的专业素质，又要注重培养学生的个性和综合素质。随着时代的发展，现有的工作岗位对人的综合素质提出了更高的要求，光有专门的知识是很难在社会中站稳脚跟的，要有全面的素质和能力，才能适应时代的变化。为此，课程目标应进一步完善有关的综合素质要求，由单一的专业能力转向多元化的个性培养，并紧密结合学生的全面发展需求。综合素质的提高要求各学科之间的相互协作，每个学科都肩负着完成素质教育的使命，并在各个学科中实现全面发展。

（三）以区域优势为依托，人才培养为区域

为经济发展做出自己的贡献是高校的天职，许多大学之所以出现这种同质化现象，主要是因为其课程目标服务功能不强，缺乏服务导向。高校的课程目标应与区域经济发展紧密结合，从而为区域经济发展提供人才，为地区优势特色产业提供技术和智力的支撑与保障。为此，高等职业教育课程目标应根据地区经济发展的特征，立足于区域优势资源，根据大学的专业发展方向，根据本地区的专业发展需要，通过不断地调整和优化，使其具有针对性、有效性，为地区经济发展做出贡献。从另一个角度来说，只有把课程目标与区域发展相结合，才能真正体现出不同于一般学校和同类学校的特点，从而走出一条独特的发展之路。高校的课程目标与地域的优势相结合，不仅能够满足人才的需要，而且能够促进地区的工业经济发展，而且能够提高学生的适应能力，进而促进高质量的就业。

五、基于实际工作要求更新重整课程内容

（一）根据行业发展动态更新课程内容

在教学内容上，应与行业发展趋势保持一致，与新技术、新知识的发展保持一致，使学校的教学内容与行业的发展保持一致，而且随着市场的发展，行业的多元化，所涵盖的领域也应该越来越广。盲目地扩大教学内容，不仅使教学时间延长，而且使学生的学习负担加重。所以要把新的知识和技术内容纳入新的教学内容中，从内容的添加、整合到融合。采用交叉结合的方法，可以在不增加课时的情况下，充分发挥其教学特点。在学科专业基础课的教学中，主要是通过整合已有的理論知识，结合本专业的最新发展趋势，更新技术知识，巩固基础，更新内容，使学生能够更好地掌握已有的知识，为以后的学习打下坚实的基础。例如为了能够让学生积极地参加到课堂互动当中，激发学生的自主学习能力，应该引入“翻转课堂”等教学方式，发挥学生的学习主观能动性，在课前学习相关知识，教师在课堂上引导、推动学生学到的知识实现内化[9]。此外，借助“学习通”等网络平台，教师可以轻松共享各种教学资源（如参考电子版教材、动画演示案例、PPT课件、工程场景实录等），以便学生可在网络终端上及时进行课前预习和课后巩固。

（二）对接职业标准重组课程内容

高校因其直接面向就业的特点，非常注重培养学生的专业技术能力。所以，在教学内容上，应以专业技能为核心，与实际工作相结合。为了使教育和工作的有效结合，应使教学内容与专业规范紧密结合，使专业标准所规定的内容与课程内容融合，而不能单纯地按照专业的逻辑来列出。要依据专业标准的考试内容，把原来的教学内容按工作的逻辑和难度进行重组，形成相应的专业课程。不同的职业标准，代表着不同的知识和技巧，虽然课程的内容与专业标准相匹配，但实际上却是将课程的难度提升到了一个更高的层次，让课程之间的联系更加紧密，更加合理。另外，课程内容与专业规范的衔接，使学生在完成学业后可以取得相应的专业资格证书。通过对不同级别的专业标准内容的学习，可以使人才培养的层次更高，同时也可以学习到多种职业规范的内容，从而达到人才培养的复合性[10]。例如主要针对冷冲压用机器人、热冲压用机器人、数控机床用机器人、装配用机器人以及模块化工业机器人等典型工业机器人结构设计问题进行阐述，包括各类典型机器人的特征要求、方案制定与设计流程、机器人的运动原理及结构设计等内容。让学生们深刻认识和体会到机器人本体设计在中国制造业的地位，机器人技术在智能制造中的作用。该部分是工业机器人操作整机设计的重要组成部分，是机器人由概念设计到零部件、详细设计的重要依据。使得学生在对具体机器人本体实例中积累专业知识，具备专业的技能，提升解决具体问题的水平。

另外，课程内容与专业标准相衔接，实际上也是课程内容的“工程”。专业标准是建立在工作流程和工作项目基础上的，因此，课程的内容自然而然地分成了不同的模块，这些模块来自企业的实际问题，每一个模块都是一个独立的学习单元，在这个单元中，理论、实践、考试都可以被合并到一个模块中，将逻辑上的知识与知识结合起来，形成一门综合性的课程。这样，才能更好地促进理论与实践的结合，更有利于从学校向工作岗位的转变。

（三）整合逻辑相关内容形成综合课程

在教学内容杂乱无章的情况下，可以根据教学内容的具体情况，将相关的课程知识进行整合，从而形成一门综合性的课程。课程整合包括两个层面：一是针对内容密切、逻辑性强的学科，可以根据工作项目的具体情况，将其结合起来，形成较大的综合性课程，使教学内容更加系统、更加实用，从而理顺学生的学习逻辑与思维。从机器人本体设计课堂教学方面可以从保证机器人产品设计的规范性、协调性考虑，把学生带入机器人总体设计方案制定与设计流程、工业机器人的基本参数以及工业机器人的配置等内容学习[11]。使得学生能够从机器人设计的系统性出发，了解机器人设计的复杂性及位置的多面性，明确学习和科学研究过程中进行相互交流、学习的重要性，为工业机器人的设计与应用提供基础。二是突破学科壁垒，跨学科的方法进行教学内容的整合。通过将学科基础课和本专业的教学相结合，使枯燥的教学内容具有“生机”，使其成为一门更为实际的课程。这样一门更加具有专业性的综合性课程，既可以让学生真正认识到学科基础课的作用，又可以从根本上运用所学到的知识、观点来辅助专业的学习，既可以增强基础课程的实用性，又可以增强学生对工具的运用和问题的运用。这就要求突破学科的界限，各学科的老师都要主动参与，综合性的课程可以采取多个学院的合作模式，分階段的授课，然后是综合的实训。针对不同课程间不可回避的部分，可以采取不同的方法，使各学科的侧重点有所区别[12]。而对于难整合的学科，则可以将其置于同一单元，使其在学习过程中进行选择，从而实现知识的集成和交叉。通过一体化教学，可以使教学内容由散乱到有序。

六、构建宽基础、复合化、优化融合的课程结构

（一）构建模块化课程从宽基础、复合化出发

构建宽基础、复合模块化的课程体系，将课程划分为一般课程模块、专业基础课程组模块和专业课程模块。通识课程和学科专业基础课模块的设计目标是为学生提供广泛的基础知识平台，使其涵盖的范围更广泛，涵盖了在职业和教育的要求下，学生的各种思维、知识和能力的基本方法和原则。我们依托安徽工业大学的机器人工程新专业建设平台，实验室购置了多套六自由度工业机器人拆装平台、焊接机器人及其相关核心零部件，供学生参观认知学习和实践操作[13]。为了培养和提高学生的学习兴趣，上述采购设备包括实物平台和虚拟仿真系统两部分，引导学生使用Solidworks、Adams等工具软件对机器人本体结构进行三维造型设计、运动学及动力学仿真分析，积极参与机器人本体结构的设计与创新工作。坚持理论与实践相结合，遵循认知、设计和实践创新的原则，实物+虚拟仿真相互对应，便于教学和实验实训的同时增加了学习的目的性。

（二）课程的优化和融合应综合不同类型

不同类型课程进行优化融合为了能够让学生积极地参加到课堂互动当中，激发学生的自主学习能力，我们引入“翻转课堂”这种教学方式，发挥学生的学习主观能动性，在课前学习相关知识，教师在课堂上引导、推动学生学到的知识实现内化。 此外，借助“学习通”等网络平台，教师可以轻松共享各种教学资源（如参考电子版教材、动画演示案例、PPT课件、工程场景实录等），以便学生可在网络终端上及时进行课前预习和课后巩固。在选修课上，我们不能一味地扩大选修课的数量，而要按照新时代的需要，结合学生的能力和素质的培养，充分考虑到学生的职业发展、终身发展和个体发展。

（三）结合企业需求优化课程实施方式与条件

在日常课程教学中我们要转变“教师示范、学生重复”的教学模式，更多地采用基于工作的项目教学或案例教学，将实践训练与实际工作相结合，使学生能够从实际工作中理解和掌握问题，从而取得更好的学习效果。此外，还可以组成学习团队，团队成员可以共同承担教师的任务，这不仅可以让学生体验公司的工作，而且通过自己的学习形成良好的学习氛围。当然，这一转变也意味着教师应该改变教学观念、角色和对学生主体的尊重，从传授者到引导者，从传授知识到逐步传授，让学生能够以启发和引导的形式积极探索和解决问题，激发学生的学习兴趣和好奇心，在此过程中培养学生的自主性，显著提高学生的学习能力。

（四）评价内容全面化、多样化、多元化

新工科思想下的课程评估内容要与学生的综合发展目标相适应。因此，在评估的内容上应兼顾专业性质、专业能力和教育性的综合素质是衡量指标体系的重要组成部分。在评估专业技能时，应考虑到与企业的实际工作相结合的问题，即无论是在学校开设的实训实务课程，还是在校外的实习，评估的内容必须与企业的实际工作相结合，避免学校的学习和企业的工作脱离。评估的内容应包括学生的整个学习过程，不仅要评估学生的技能培训成果，还应包括在完成某一特定的项目时所体现的职业素养、工作流程的规范性、最终工作的完成和工作的绩效[14]。具体来说，我们不仅注重过程-结果，还要从其他综合能力、综合素质等方面入手进行评价，也可以针对企业项目评估内容，将学生分組进行评估，评估的内容包括项目完成情况、成绩和个人业绩，涵盖知识、能力和素质，评估内容涵盖了专业知识和能力。同时，也应与实际工作紧密结合，既能体现团队合作和相互竞争，又能凸显个人特点，同时也体现评价内容全面化、多样化、多元化。

七、结语

本文以教育部新工程开发为背景，探讨了机器人本体设计的课程建设和教学内容。在本文的研究和讨论中，笔者分析了新工程背景下机器人工程专业建设的特点，并根据现阶段机器人工程专业的发展要求和教育目标，为促进我国机器人专业人才培养目标的实现提供了一些有效的建议。

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基金项目：教育部产学协同育人项目（202102449059）；安徽省高等学校省级质量工程项目（2020szsfkc0159）；安徽省教育厅教学研究项目（2020jyxm0241）；安徽工业大学教育教学质量工程项目（XJ2022202）

作者简介：杨明星（1986- ），男，山东菏泽人，安徽工业大学讲师，博士，硕士生导师，研究方向为智能装备系统集成与控制。