基于OBE理念的机器人工程专业实践教学体系的构建

苏学满 刘玉飞 江本赤 孙丽丽 黄胜洲

DOI：10.3969/j.issn.1671-489X.2023.14.141

摘  要  基于工程教育专业认证 OBE（Outcome based edu-

cation，OBE）理念，确立了实践教学环节的能力目标。结合新工科专业特点，以满足地方战略性新兴产业人才需求为专业目标，依据学校“造出来—动起来—用起来”能力产出的培养模式及专业建设思路，构建实践性教学环节课程体系，对地方应用型本科院校机器人工程专业的人才培养具有一定的参考意义。

关键词  机器人工程；OBE；工程教育；新工科；实践性

教学

中图分类号：G642.44    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2023）14-0141-04

Construction of Practical Teaching System of

Robot Engineering Specialty Based On OBE Con-

cept//SU Xueman， LIU Yufei， JIANG Benchi， SUN

Lili， HUANG Shengzhou

0  引言

截至2021年，中国工业机器人市场已连续八年

稳居全球第一。近5年来中国工业机器人产量增长迅速，从2016年的7.2万台增长到2021年的36.6万

台。《“十四五”机器人产业发展规划》[1]指出，在新的发展时期，将我国建设成为全球机器人技术创新的策源地、高端制造的集聚地和集成应用的新高地。《中国制造2025》[2]明确了制造升级的发展方向，工业机器人是重中之重。随着中国制造业的转型升级，机器人将成为制造业全面实现智能化的关键装备。据《制造业人才发展规划指南》[3]统计，我国目前机器人的产业供求比例为1∶10，工业机器人产业人才缺口在300万左右，预计到2025年将突破450万。作为新兴产业的特殊人才，工业机器人专业人才的需求已出现明显结构性短缺，成了产业发展的致命伤。国家芜湖机器人产业园已落户机器人企业120余家，形成关键零部件、工业机器人、特种机器人、机器人系统集成、智能装备全产业链集聚发展态势。但随着机器人项目的快速增长，人才的持续需求存在很大的缺口。

2016年，东南大学最先开设机器人工程专业；2017年，共有25所本科院校开设机器人工程专业；2018年又增加了60所本科院校；2019年再增62所；2020年、2021年分别新增53、21所。机器人工程专业作为新工科（Emerging Engineering Educa-tion，3E）建设专业将为战略性新兴产业——机器人产业提供人才支持和智力支撑。由于机器人工程专业是新增专业，并且具有多学科交叉的特点，各院校依托专业背景不尽相同，导致机器人工程专业建设与人才培养没有形成统一的模式，仍处于探索阶段。

2017年，安徽工程大学开始机器人工程专业招生，肩负着为芜湖机器人产业培养具有社会责任感、创新精神、创业意识和实践能力的机器人产业高素质应用型人才的使命。如何培养能从事机器人关键技术研究、整机开发、关键零部件研制、机器人集成应用的高素质应用型人才是亟待解决的课题。而实践性教学是人才培养的关键环节。如何构建实践性教学体系是保证教学目标达成的重要

手段。

1  新工科背景下，实践性教学环节的重要性

新工科是基于国家战略发展新需求、国际竞争新形势、立德树人新要求而提出的我国工程教育的改革方向，其内涵为：以立德树人为引领，以应对变化、塑造未来为建设理念，以继承与创新、交叉与融合、协调与共享为主要途径，培养未来多元化、创新型卓越工程人才[4]。

机器人工程专业作为新工科专业是国家战略和需求，承担着人才培养、科学研究、社会服务、文化传承创新、国际交流合作的职责使命和实现中华民族伟大复兴中国梦的历史使命，是落实立德树人新要求的重大举措。作为新工科专业，强化实践和创新创业教育是其关键任务之一。

辩证唯物主义认为，实践是检验真理的唯一标准，实践观点是马克思主义认识论的首要和基本的观点。1937年，毛泽东在《实践论》中深刻阐述了理论与实践、知和行的关系，人们认识具体事物的辩证过程是以实践、认识、再实践、再认识的形式循环往复[5]。“实践出真知”“读万卷书，行万里路”“纸上等来终觉浅，绝知此事要躬行”“力行而后知之真”“行是知之始，知是行之成”，古往今来，无数名言名句无不强调实践的重要性。当前，在新工科人才培养过程中同样需要实践。

為了实现新工科内涵建设，机器人工程专业建设中实践环节需要解决以下问题。

1）明确人才培养目标：面向产业培养人才，避免与产业脱节。机器人产业作为战略性新兴产业，人才需求旺盛，应培养出满足产业需求的应用型高素质人才[6]。

2）确立实践的重要地位：注重工程教育，避免重理论轻实践。工程改变世界，科技创造未来，工

程教育决定着人类的今天，也决定着人类的未来[4]。要注重理论联系实际，引导学生边干边学。

3）明确实践能力培养的途径：加强工程实践训

练，避免实践能力不足。目前对未来工程师的质量标准尚未有一个统一的界定，美国工程院发布的《2020的工程师：新世纪工程的愿景》报告指出，实践能力是未来工程师应该具备的素质之一[7]。

4）强化人才培养师资保障：加强师资队伍建

设，避免有学无教。教育者应先受教育，加强教师实践和创新创业教育教学能力[8]。

2  基于OBE理念的工程教育

工程教育对建设教育强国、服务现代化建设，具有重大战略意义。工程教育是我国建设世界重要人才中心和创新高地的必然选择[9]，在推进我国工业化、建立完整工业体系进程中发挥了至关重要的作用，是培养学生解决工程问题的综合能力的重要途径。

OBE理念是一种以成果为导向，以学生为中心，采用逆向思维的方式进行课程体系建设的理念[10]。学习成果体现为不同能力结构，能力的实现主要通过课程教学的实施来完成。因此，课程体系构建对最终学习成果的达成至关重要。要求每一种能力都要有具体的课程来支撑，在能力与课程之间形成明确清晰的对应关系，同时，设置的每一门课程都要对能力的实现有具体的贡献。

紧扣机器人产业对本科人才的需求特点，坚持以产出为导向的工程教育的理念，必须明确四个方面的内容：

1）预期的学习成果是什么（毕业要求）；

2）为什么要达成这样的学习成果（培养目标）；

3）达成学习成果的途径是什么（课程体系）；

4）如何评价有没有达成学习成果，并持续改进教学效果（评价体系）。

工程教育专业认证是国际通行的工程教育质量保障制度，也是实现工程教育国际互认和工程师资格国际互认的重要基础[11]。工程教育专业认证作为促进高校工程教育改革和质量保证体系建设的重要一环，能够有效强化当前的工程教育水平[12]。“学生中心、产出导向、持续改进”理念是工程教育的新范式，应作为新工科建设必须遵循的人才培养模式。要坚持并全面落实以学生为中心的理念，加强师生互动，增强学生的“向学力”。贯彻落实实践性教学环节是达成学生解决复杂工程问题能力的首要条件，而构建实践性教学体系是前提和保证。

3  机器人工程专业实践性教学体系的构建

如何有效地培养未来智能制造领域战略性新兴产业——机器人产业所需的工程实践能力强、创新能力突出的高素质应用型的新工科人才，成为诸多应用型本科高校面临的难题。为了契合安徽工程大学“培养德智体美劳全面发展，具有社会责任感、创新精神、创业意识和实践能力的高素质应用型人才”的培养目标和“支撑产业、服务地方”的办学定位，达成机器人工程专业“培养饱含家国情怀，兼备正确人生观和价值观，扎实且全面的自然科学和机器人工程技术基础知识，较强的机器人工程实践和终身学习能力，较好的团队精神、创新意识和国际视野，较强的社会责任感和职业素质，能从事机器人关键技术研究、整机开发、关键零部件研制、机器人集成应用的高素质应用型人才”的专业培养目标，根据机器人产业的人才需求，确立了“造出来—动起来—用起来”人才培养思路，根据其能力要求构建机器人工程专业实践性教学体系。

3.1  面向产业的能力产出

培养机器人产业急需的高质量应用型人才是机器人工程专业进行新工科建设的目标，根据产业需求构建实践性教学体系符合新工科建设要求。能力目标与产业链之间的关系如图1所示。根据产业链不同企业的性质，归纳为“造出来—动起来—用起来”的能力目标。

“造出来”能力主要面向机器人产业的上游企业，主要是机器人关键零部件企业，包括控制器、减速机、伺服电机、传感器等企业。“动起来”能力主要面向机器人产业的中游企业，主要是机器人整机企业。“用起来”能力主要面向机器人下游企业，主要是机器人集成应用企业。根据该培养模式，可以培养机器人全产业链的应用型人才。

3.2  能力构成及支撑环节设置

根据“造出来—动起来—用起来”的目标要求，分别确立了不同的能力构成，并设置了实践性支撑环节，其关系如图2所示。

3.2.1  “造出来”的能力

“造出来”的能力包括机械设计能力、控制算法设计能力、嵌入式系统开发能力等。机械设计能力包括机器人新型机构设计、机器人本体设计、机器人末端执行器设计，以机械设计能力为基础，兼具现代设计工具的分析应用能力，能够利用Solid-

Works、ANSYS等软件进行设计、分析与仿真，达成工程教育专业认证中的毕业要求。

主要的实践性支撑环节有制图测绘、机械设计课程设计、工业机器人拆装、工业机器人本体课程设计、学科竞赛、科研项目训练、毕业设计、机器人创新训练。控制算法设计能力包括算法设计与编程实现等，其实践性支撑环节有高级语言课程实验、机器学习课程实验等。嵌入式系统开发能力包括硬件设计能力、编程调试能力等，其实践性支撑环节有计算机组成与结构课程实验、嵌入式原理与应用课程实验等。

3.2.2  “动起来”的能力

“动起来”的能力主要包括机器人驱动与控制、末端执行器的驱动与控制、移动平台的运动控制。以机器人运动学动力学分析为基础，兼具轨迹规划能力、程序设计能力，能够利用MATLAB进行建模、预测与仿真，达成毕业要求。

主要实践性支撑环节有机器人驱动与控制课程设计、机器人建模与仿真实验、高级语言实验、机电设备PLC控制实验、机器人操作系统ROS课程实验、学科竞赛、科研项目训练、毕业设计、机器人创新训练。

3.2.3  “用起来”的能力

“用起来”的能力主要包括机器人集成应用方案设计、现场安装调试。以机器人集成应用方案设计为基础，兼具现场安装调试能力、PLC程序设计能力、人机界面设计能力、传感器与机器视觉应用能力、气动控制系统设计能力、工业机器人操作编程能力。

主要实践性支撑环节有工业机器人系统创新专题设计、工业机器人操作与编程、机电设备PLC控制实验、机器视觉实验、传感器原理及应用实验、学科竞赛、科研项目训练、毕业设计、机器人技能培训、机器人创新训练。

通过上述实践性教学环节的設置，基本能够达成机器人工程专业实践能力的毕业要求。

4  结束语

紧紧围绕新工科建设内涵，遵循OBE工程教育理念，确立了机器人工程专业“造出来—动起来—用起来”的面向机器人产业的专业建设与人才培养模式，构建满足新工科建设要求的实践能力、创新创业能力的实践性教学体系，确保应用型人才培养质量的高要求。

5  参考文献

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项目来源：安徽省高等学校质量工程项目“以知识点为粒度的人工智能类专业课程体系构建”（2019jyxm0225）、“智能制造背景下机械类专业复合型人才培养模式研究”（2021jyxm0120）；安徽省提升专业服务十大新兴产业项目“智能化趋势下机械类专业服务高端装备制造产业能力提升路径研究”（2021fwxxcy006）；安徽省教学示范课项目“工业机器人”（2020SJJXSFK0320）；安徽工程大学本科教学质量提升计划项目“特色专业‘机器人工程”（2020tszy02）、“基于OBE理念的机器人工程专业实践性教学环节培养体系构建”（2021jyxm59）、“基于问题和工程案例为导向的机器人工程专业理论课程教学改革研究”（2021jyxm43）、“项目驱动模式下数控加工实训教学模式研究与实践探索”（2021jyxm45）。

作者简介：苏学满、黄胜洲，副教授；刘玉飞，安徽工程大学人工智能学院智造系主任，副教授；江本赤，安徽工程大学人工智能学院副院长，副教授；孙丽丽，讲师。