新工科背景下机器人工程专业实践教学体系构建

随着新工科理念的兴起，社会各界对培养具有创新能力、实践能力和综合素质的工科人才提出了更高的要求。机器人工程专业是在控制科学与工程、机械工程、电子信息与电气工程、计算机科学等学科的基础上建立起来的，同时与国家建设需求、国际发展趋势和未来挑战相互交叉共融发展。作为一个跨学科的新兴专业和新工科的典型代表专业，机器人工程专业的人才培养的质量越来越受到广泛关注。

机器人工程专业实践教学是培养学生实践能力、创新能力和团队合作能力的关键环节，通过实践教学，学生可以将所学知识应用到实际项目中，加深对机器人技术的理解和掌握，实践教学对于培养具有全面综合能力的机器人专业人才尤为重要。然而，目前机器人工程专业人才培养在实践教学方面存在一些问题和挑战，例如，实践教学内容与实际需求脱节、实践教学方法单一、实践环节设置不足等。因此，为了培养符合新时代需求的高素质机器人工程专业技术人才，有必要对现有实践教学体系进行深入分析，针对具体环节和具体问题，提出有效的改进措施，构建契合新时代和新工科发展要求的机器人工程专业实践教学体系。

1 当前机器人工程专业实践教学体系存在的不足与问题

1.1 实践内容与行业需求仍有差距

机器人工程专业的课程设置通常包括基础课程和专业课程两部分。基础课程如机械设计基础、计算机科学基础等，为学生提供了扎实的理论基础；专业课程则涵盖机器人学、控制理论、人工智能等，针对性强。然而，课程内容的更新速度往往滞后于技术发展的步伐，导致学生学习到的知识与实际需求存在一定差距。传统的机器人专业课程设置与行业需求之间存在一定的脱节，缺乏与最新技术和应用趋势相匹配的教学内容。机器人技术的发展迅速，新的应用场景和技术要求不断涌现，而目前的实践课程更新的速度却相对较慢，实践教学内容往往依赖于固定的实验模块和教学案例，难以适应行业技术的快速变化，导致学生所学内容与实际工作中的需求存在一定的差距。

1.2 实验设备等实践教学资源不足且更新缓慢，对人才培养的支撑有限

机器人工程专业作为新工科背景下设立的全新专业，部分高校的教学资源建设尚不完善，主要表现在虽然有些高校设有机器人实验室，并配备了基本的机器人系统和相关设备，但设备的数量不足限制了学生的实践机会，同时由于借用的其他专业设备的陈旧，使得一些高级实验和复杂的应用场景无法实现，限制了学生的动手能力和创新能力。此外，许多高校的机器人实验设备更新不及时，实验室的硬件设施和软件工具往往较为陈旧，这不仅限制了学生的实验内容，也影响了实践教学的效果。同时，实验课程通常仅包括机器人操作、编程和控制等基本技能的培训，但缺乏对学术综合应用能力的培养。

1.3 教学方法单一，缺乏综合性训练且学生参与度不足

传统的教学方法主要以课堂讲授和基础实验演示为主，较少涉及实际工程项目的综合训练，缺乏多样化和灵活性，无法激发学生的学习兴趣和参与度。学生在学习过程中缺乏对实际工程问题的解决能力和综合应用能力的培养，这使得他们在毕业后面对实际工程问题时往往显得经验不足。目前，机器人工程专业实践环节设置较少，学生缺乏实际项目经验和团队合作能力的培养。部分课内实验和专业技能实验仍采用传统的分组方式进行，学生在教师的指导下完成实验，主要以线下观摩、演示和验证性实验为主。然而，这种方式受时间、空间、设备数量等多种因素的制约，导致学生参与度低，实验效果不理想。

1.4 教师工程实践能力不足与教学能力差异

机器人工程专业的师资力量在一定程度上影响着实践教学的质量。部分高校通过引进行业专家、开展校企合作等方式，提升教师的实践经验和教学能力，但整体上，机器人工程专业的师资力量仍存在不足，多数高校机器人工程专业的教学团队仍以自动化、控制工程等已有学科教学团队为主，缺乏全新专注于机器人工程专业人才培养的教学研究团队。部分教师在实践教学方面的经验不足，只能侧重机器人工程技术的基本理论方法的讲解，未能充分结合实际工作中的问题进行教学，导致教学效果受限。此外，由于机器人工程的跨学科特性，教师在某些领域的知识掌握可能不够全面，教师的跨学科知识储备和实践经验的差异，也影响了教学效果的一致性和质量水平。

2 机器人工程专业实践教学体系的改进对策

2.1 更新课程内容，紧跟行业发展

为了缩小实践教学与行业需求之间的差距，高校应定期更新课程内容，引入最新的技术和应用案例。通过与相关行业企业进行合作，了解最新的技术发展趋势和实际应用需求，及时调整专业课程设置，确保实践教学内容的前沿性和实用性。

2.2 更新实验设备，提升实践条件

高校应加大对实验设备的投入，及时更新陈旧的设备和工具，引入先进的技术和设备。通过建设现代化的实验室，提供丰富的实验资源，提升学生的实践体验。此外，可以通过与企业合作，借用行业内的先进设备，增强学生的实际操作机会。

2.3 引入项目驱动的教学方法

采用项目驱动的教学方法，鼓励学生参与实际工程项目，从而提升综合应用能力。通过设置综合性项目，让学生在解决实际问题的过程中，培养工程实践能力和创新思维。此外，还可以组织学生参与课外科研项目或竞赛，增加实践经验。

2.4 加强师资培训与团队建设

高校应加强对教师的培训，提升教师的实践教学能力和跨学科知识储备。通过组织教师参与行业培训、企业实践等方式，增强教师的实践经验和教学能力。同时，鼓励教师间的合作与交流，形成一个跨学科的教学团队，提高整体教学质量。

2.5 强化校企合作，搭建实践平台

进一步加强与企业的合作，建立实践基地和实习平台，为学生提供更加多元化的实践机会。通过与企业合作，开展联合培养、实习实训等项目，增强学生的实际操作能力和工程应用能力。此外，可以邀请企业专家参与教学，提供实际问题的解答和指导。

3 南京工业大学机器人工程专业实践教学体系改革措施

机器人工程专业是南京工业大学电气工程与控制科学学院顺应新工科发展方向，于2022年新增的本科专业，专业紧扣制造强国战略，紧跟国际学科发展动态，面向新一代机器人技术发展的需求，重点聚焦制造业、建筑业、医疗服务等行业高素质复合型机器人工程技术人才的培养。以下是南京工业大学机器人工程专业人才培养体系示例（如图1所示）。

3.1 整合资源，完善“四层次”专业实践实习教学体系

机器人工程专业的实践教学需要与企业、研究机构和社会组织进行密切合作。这种合作可以提供学生与真实需求和应用场景接触的机会，使他们能够解决实际问题并获得实践经验。学生通过参与企业的研发项目、参观工厂和实验室，与专业人士进行交流和合作等多种实践形式，不仅可以增强学生的实践能力，还可以培养他们的创新意识和职业素养。主要实践性教学环节安排如表1所示。

南京工业大学机器人工程专业以培养掌握各类现代机器人结构、控制、感知、决策系统设计、研发以及集成应用、生产运行与管理等技术的应用型人才为目标。在校内根据基础实验平台→专业实验平台→工程创新平台→职业素养平台“四层次”专业实践实习教学体系，不断加强校内实训基地建设，机器人工程专业实践实习教学结构如图2所示，并依托地方优势资源，校企共建实践教学基地，形成了校内与校外结合、仿真与现场优势互补的实践教学环境。本专业积极与校外实践基地开展深度合作，提供技术咨询、人员培训、技术合作等服务，形成良好的合作关系，与国内外知名企业签订产学研合作协议、实习基地协议，为实践基地的巩固和拓展打下坚实基础。

（1）基础实验平台。学生在大学一、二年级进行专业基础课程实验，培养学生的工程意识，初步锻炼工程实践能力。

（2）专业实验平台。学生在大学三、四年级进行专业实验，培养学生专业意识、专业技能，全面提高学生的职业能力和综合素质。

（3）工程创新平台。结合学生具体情况，贯穿大学四年，通过参与教师科研项目，参加各种竞赛，提高学生专业综合能力及创新意识。

（4）职业素养平台。学生在大学四年级通过参加“职业技能证书和技能培训、生产实习、毕业设计”等实践环节，提升其职业能力和创新能力。

3.2 进一步加强专业实验室建设，提升学生自主学习能力

机器人工程专业的实践教学需要学生具备自主学习和探究的能力，以适应快速变化的技术环境和市场需求。一方面，为保证专业应用型人才培养，本专业建有机器人工程专业实验室和现代控制技术实训室；通过校企合作，与埃斯顿机器人、罗克韦尔自动化等企业共建联合实验室。同时，合作公司定期派工程师为师生提供技术培训和讲座，有力支持了实践教学和学生科研创新及学科竞赛活动，锻炼提升了学生动手实践能力和科技创新能力。另一方面，本专业通过加强学生的科研能力培养、开设优秀毕业论文和创新设计等活动，提高学生的自主学习能力和创新能力。

3.3 完善校内实习，创新基地的建设

在满足课内实践环节的基础上，充分开放校内实践基地，为学生开展科技创新、技能大赛等课外活动提供良好的条件。这些举措，最大化地提高了校内外实践基地的利用率。此外，同一学科实验室互为补充、各类实验实践教科研平台对学生全面开放，有专门的实验室作为机器人工程专业学生课外实践创新活动基地，进而为组建科技小组、竞赛团队、创新创业团队、备战各类学科竞赛以及完成毕业设计（论文）提供了有力保障。

3.4 进一步拓展校外创业实践基地建设

努力依托行业联合企业，在现有实践基地的基础上再增加相对稳定、深度合作的校外实习基地，与南京埃斯顿共建“工业机器人应用开发培训中心”，与南京科远集团、中车南京浦镇车辆有限公司、上海柏楚电子科技股份有限公司、江苏维力安智能科技有限公司建立了实习基地，这些单位为本专业学生提供了认知实习、劳动教育、生产实习以及部分专业课程的实践教学环境，保证了学生的实践教学需求。本专业严格按照教学计划，统一安排学生到实践基地实习、实训，学生在生产、技术和管理等各个环节得到实际锻炼。

3.5 进一步提升实践教师队伍建设

机器人工程专业的实践教学需要教师具备丰富的实践经验和专业知识，以指导学生进行实践活动。学校通过加强教师的培训和指导，提供更多的实践机会和资源，以提升教师的实践水平和专业素养。同时，机器人工程专业的实践教学还需要与其他相关学科教师进行合作教学，以提供更全面的知识和技能培养。例如，机械工程学科可以提供机械结构设计和制造的知识，电子工程学科可以提供电路设计和控制系统的知识，计算机科学学科可以提供编程和算法设计的知识。跨学科合作教学可以通过开设共享课程、组织跨学科项目和实验室等方式进行。这种合作可以帮助学生更好地理解机器人系统的复杂性，并培养跨学科思维和综合应用能力。

另外，还需要通过加大投入、内培外引，进一步加强师资队伍建设。本专业联合埃斯顿、苏美达等国内知名机器人企业，对专职实验教师进行实践教学技能的培训，提高教师的教学能力。同时对专业课教师进行实践能力的培训，与实验教师组队全程参与到专业实践教学工作中。校内外实习、实训基地为学生配备了中高级职称的技术人员作为实习指导教师。在校内，本专业建立了一支实践能力强、双师素质突出的师资队伍。在校外指导教师的配备上，坚持“实习单位推选、学校选聘”的原则，一方面选派教师参加指导，另一方面聘请了一批实践经验丰富、责任心强，业务水平高的一线工程师作为兼职实习指导教师，每名指导教师每批指导的学生数不超过20人，确保教学质量。

3.6 严格执行实践教学计划安排，保证实践教学课程质量

本专业所有实践教学都按教学计划进行编写教学大纲和实践教学指导书。学生在实验前完成实验预习报告、设计方案，实验中进行验证和调试，教师全程指导，实验后整理数据完成实验分析和报告，实践环节中所有文档齐全、规范。

本专业严格遵循《南京工业大学实验教学工作规定》《南京工业大学生产实习工作条例》《南京工业大学校外实习基地建设与管理办法》等管理文件，从时间、场地、经费、指导教师等方面全面保障实践教学。目前实验、实习、训练等各环节均能按照教学计划、实践课表有序实施，实践项目开出率100%，确保实践教学质量。

3.7 改革实践教学内容，建立基于项目驱动的实践教学体系

项目驱动是机器人专业实践教学的核心理念之一。在项目驱动的实践教学中，学生将通过参与真实的机器人项目，从问题定义、设计、制造、测试到最终应用，全面锻炼他们的实践能力和解决问题的能力。项目可以包括机器人比赛、工程项目或与企业合作的实际应用项目等。教师应引导学生在项目中发现问题、探索解决方案，并培养他们的团队合作和沟通能力。

根据行业需求和学生兴趣，选取具有一定挑战性和实际应用价值的机器人项目作为实践教学的核心内容，并建立与项目驱动实践教学相适应的课程体系和教学团队，提供必要的实践设施和资源支持。同时，在项目实践过程中，通过跨学科教师进行合作指导，促进机器人工程专业与其他相关学科（如机械工程、电子工程、计算机科学等）间的合作，培养学生的综合能力和跨学科思维。在项目选择与设计过程中，发挥开放办学和校企合作优势，通过与企业、研究机构以及社会组织进行合作，将实践教学与实际应用场景结合，选择适合学生自身水平的真实问题作为实践项目，使学生在解决实际问题的过程中获得锻炼和成长。最后，建立项目实施与效果评估机制，采用定量和定性的评估手段，对实施过程和效果进行评估和反馈，及时调整教学策略和方法，不断优化实践教学体系。

4 结语

新工科背景下的机器人工程专业实践教学体系是推动机器人工程专业教育发展的重要举措。经过近几年的大力改革与资源支持，我校机器人工程专业不断优化和改进实践教学体系，建立了“四层次”专业实践实习教学体系，重构了实践课程体系和实践教学内容，建立了多元化的实践教学评估体系，涵盖学生的知识水平、技术能力、团队合作能力和创新能力等方面，通过项目报告、实践展示、团队评价和实践能力考核等全面评价学生的实践表现。同时，拓展建立了30多个校内外实践教学基地，聘请了20位跨学科校企合作实践导师，并立项了多项实践教学改革项目。通过项目驱动式教学和校企合作办学，学生的实践能力和创新能力得到了较大提升，对专业学习的兴趣和自信显著增强，先后在全国工业机器人大赛等国家级比赛中获得一等奖，实践育人的效果得到了充分验证。事实证明，该教学体系能够培养学生的实践能力、创新能力和团队合作能力，提高机器人专业人才的综合素质和竞争力。机器人专业实践教学是一个多方面的系统工程，在未来，随着机器人技术的快速发展和应用场景的不断拓展，机器人工程专业实践教学将面临更多的机遇和挑战，需要持续关注并不断进行调整和改进。

（作者单位：南京工业大学电气工程与控制科学学院）