“课程+项目+竞赛”三位一体的“专创融合”课程教学改革与实践——以机器人工程学综合课程设计课程为例

吴青聪，陈柏，吴洪涛

（南京航空航天大学 机电学院，江苏南京 210016）

教育部强调高校的创新创业教育需要面向全体、分类施教、结合专业、强化实践，促进学生全面发展[1-3]。南京航空航天大学深入探索了专业教育与创新创业教育融合的方法，建立以需求为导向的创新型人才培养新机制，促进了人才培养与经济建设、社会发展、创业就业需求的紧密对接[4]。机器人工程学综合课程设计是南京航空航天大学新工科本科专业机器人工程的新型专业核心实践课程。本文以该课程为例，深入挖掘科创项目与学科竞赛在新工科专业教育中的重要作用，探索“课程+项目+竞赛”三位一体的“专创融合”课程教学改革与实践方法，满足航空航天、智能制造、国防军事、康复医疗等行业对综合型创新人才的需求[5-6]。

1 “专创融合”课程教学改革目标与策略

机器人工程具有学科交叉性强、实践性强、应用性强的特点[7]。然而，作为新兴的新工科专业，现阶段机器人工程专业的人才培养模式仍存在诸多问题，如：课程内容多，学时不足，学生对专业知识学习的要求较高；专业师资不足，教师教学水平有待提升；创新创业教育与专业教育的融合度不高，考评机制不完善，缺少过程性考核；课程吸引力不强，学生缺乏学习积极性；校外资源引入较少等[8]。

针对上述问题，本文依托机器人工程专业人才培养经验与成果，以专业课程、科创项目、学科竞赛为载体，以机器人工程学综合课程设计课程为研究对象，深入探索了“专创融合”课程教学改革与实践方法。本课程的教学改革目标在于：将机器人学科的前沿理念、技术和工程实践经验融入教学全过程，通过专业知识与创新实践的紧密结合，培养学生的团队协作意识、科学素养、实践能力和创新精神，鼓励其参与各类机器人科创项目与学科竞赛，实现创新型、复合型新工科人才培养目标。

机器人工程学综合课程设计课程根据机器人工程专业的人才培养要求，制定了课程的教学改革策略，具体如下：

（1）保证课程开设顺序的合理性。本课程是机器人工程专业核心必修课程机器人工程学的重要后续创新实践环节。学生充分运用在先修理论课程中已经掌握的机器人结构设计、运动学、动力学、感知系统、驱动系统、控制系统、典型应用等专业知识，在实践中进行验证和提高[9]。学生由掌握专业知识向学习实践技能递进，有助于形成连贯的学习思路，掌握相对完整的知识体系。

（2）创新教学模式和教学方法。机器人工程专业将学生所学的机器人工程专业的核心理论知识与机器人科创项目和学科竞赛充分结合，并融入校内学术导师的一线科研成果，以及校外企业导师的工程实践经验。通过创新实践，学生将科创竞赛实操能力以项目化的方式融入专业课程学习，并主动探索机器人技术前沿知识，培养学生的团队协作意识、实践能力和创新精神[10]。

（3）以学生为中心，实施多元化、过程性评价与考核，促进学生的个性化发展。机器人工程专业采用以大学生创新创业实践项目、机器人科创竞赛作品、学术论文、科创成果知识产权、科技报告等为主要形式和依据的多元化考核方法[11]，实现评价主体的多元化、评价方法的多样化、评价内容的全面化、评价时机的全程化。

2 “专创融合”课程建设方案

机器人工程学综合课程设计课程以成果为导向，探索“课程+项目+竞赛”三位一体的“专创融合”课程教学改革方案：一是创新教学模式，充分利用优质微课、慕课等线上资源，进行线上线下混合项目式教学；二是以科创项目和竞赛为牵引，促进学生构建机器人专业知识体系；三是充分利用校内优质教学、科创团队，组建跨专业、跨学科、校企联合的教学团队，对学生开展个性化的人才培养。“专创融合”课程的建设技术路线如图1 所示。

图1 南京航空航天大学机器人工程学综合课程设计“专创融合”课程建设方案

2.1 教学模式与专业创新深度融合

（1）构建“课程+项目+竞赛”三位一体、深度融合的课程体系。面向新工科专业的高素质、高层次、复合型、创新型人才培养目标，机器人工程专业基于先修专业核心主干课程机器人工程学的核心知识点，以大学生创新训练计划项目和大学生机器人竞赛（如中国机器人大赛、RoboMaster 机甲大师赛等）的竞赛内容和知识能力需求为牵引，并结合国际前沿技术研究成果、校内教师的科研项目研发基础以及企业导师的工程项目实践经验，构建“课程+项目+竞赛”三位一体、深度融合的创新实践课程体系。教学内容主要涉及：机构学与优化设计方法、运动学与动力学、感知系统与驱动系统、控制系统与算法开发、仿真分析与实验方法、系统集成与应用等。

（2）探索以学生为中心，以科创为牵引，多种方法混合的项目式教学方法。机器人工程专业以学生为中心，将竞赛内容、理论知识和实践经验以项目化的方式融入专业课程教学，促进创新教育与专业教育协同发展[12]。课程采用线上线下混合的教学模式，结合启发式、探究式、案例式等多种教学方法，激发学生的学习兴趣和积极性。在线上教学环节，教师利用微课、慕课等优质线上教学资源，并结合先修课程的理论知识，设计和优化比赛及项目的研究方案，培养学生的自主学习能力。在线下教学环节，教师结合“大创”项目的申报计划、机器人竞赛的内容要求以及学生的个人特点，将学生分为若干个项目团队，布置科创项目或学科竞赛课题任务，开展创新实践教学活动。在专业知识教学环节中，教师注重专业知识的基础性、研究性和前沿性，通过多种途径融入创新方法和思想，培养学生的专业创新意识；在实践教学环节中，教师注重创新思维的培养，提升学生在机器人专业课程学习中的创新实践能力。

2.2 丰富教学资源，组建跨学科、校企联合的教学团队

课程依托南京航空航天大学机电学院的“智能制造核心装备”“高端装备制造”等省部级重点培育示范中心与创新基地，以及智能机器人设计与实践大学生主题创新区，充分利用智能机器人与数控技术教研室、机器人设计与控制技术教研室、机器人与多体系统教研室等特色机器人教学科研基地设备平台，研究工业机器人、协作机器人、全向移动机器人、机器人运动捕捉系统、康复机器人、并联机器人等，为学生创新实践活动和“专创融合”教学提供了丰富的线上、线下教学软硬件资源。教学团队长期致力于机器人领域的教学、研究与科创指导工作，教学水平和科研能力突出。多位来自机器人龙头企业的具有丰富工程经验的工程师加入教师队伍，组成跨学科的校企合作教学团队[13]，并以教育部“111”创新引智计划、江苏省外国专家工作室为基础，结合智能装备与机器人系列国际会议，开展机器人工程教学国际交流活动，邀请微纳机器人、特种机器人、生物医学工程、机器学习与模式识别等领域的国际名师指导教学活动，为课程项目设置与竞赛实践指导提供一线生产经验。

2.3 制定过程化、多元化的课程评价考核方法

课程考核以产出为导向，采用过程化、多元化评价指标[14]。课程成绩主要包括三大部分：一是学生自主在国家精品在线开放课程等优质线上教学平台学习，并根据分配的具体项目任务撰写总结材料，占总成绩的20%，主要考查学生掌握机器人工程学专业知识的能力。二是学生的平时表现成绩，即在项目各个阶段的线下答辩成绩、完成质量，占总成绩的30%。通过过程性的跟踪教学，培养学生主动发现问题、解决问题和自我管理的能力，激发学生的团队意识和实践与创新精神。三是学生的项目研究成果和项目结题报告，项目研究成果形式多样化，包括且不限于实物样机、三维模型、仿真和实验数据、机器人科创竞赛作品与获奖、获批的创新实践项目等级、发表的学术论文水平等，占总成绩的50%。通过成果导向的考核方式，保证了考核的全面性、过程性与合理性。

3 实施成效

机器人工程学综合课程设计课程具有延续性、实践性和交叉性的特点，注重培养学生的创新实践能力、团队协作能力与工匠精神，落实立德树人根本任务。在南京航空航天大学机器人工程专业人才培养方案中，从大一到大四，分层次设置了集趣味科创、学科竞赛、项目研修于一体的全过程“双创”教育体系。其中，学生在大一、大二强化通识教育和基础实践训练，在大三、大四开展项目式教学、实验室科研和导师制课题研究。通过“科教结合、产教结合、虚实结合”，学校建成新工科背景下智能机器人主题创新区，将其与课堂教学同步进行，教师根据学生个性特征，因材施教，引导高年级学生向不同的微专业细分方向拓展。学校通过创新创业机制与校企联合培养模式，鼓励学生参加国内外各类机器人学科竞赛与科创项目，本专业参加学科竞赛的学生覆盖率超过90%，人均主持或参与1 项以上大学生创新创业训练计划项目。近三年，课程培养的学生在“挑战杯”中国大学生创业计划竞赛、中国“互联网+”大学生创新创业大赛、中国机器人大赛等各项竞赛获国家级和省部级奖100 余项，获批国家级和省级大学生创新创业训练计划项目40 余项，学生创新创业成绩突出。

4 结语

南京航空航天大学机电学院以学生为中心，以课程核心知识点为基础，以科创项目和学科竞赛为牵引，构建“课程+项目+竞赛”三位一体、深度融合的创新实践课程，有效解决了课时不足、师资缺乏、考核方式单一等问题，培养了学生的团队协作意识、实践能力和创新精神，丰富了大学生在各类科创项目和学科竞赛中取得的成果，而且充分调动了教师的教学积极性，促进了教师科研工作水平的提高，实现了教与学双受益的目标。该模式还在持续探索和实践过程中，在后续的课题研究中，学校将进一步拓展该课程设计的深度和广度，实现专业教育与创新创业教育的深度融合。