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旨在培养学生高阶思维的应用型大学机器人工程实验教学体系构建初探

四川大学锦城学院智能制造学院 王一舒 2021/11/15 19:09:26

   [摘 要] 本文主要探讨了构建一套致力于未来型人才培养理念的机器人专业实践教学体系。通过在开放的机器人实验平台上,针对我校机器人工程专业的培养目标,深入挖掘机器人实验室现有实验设备的潜力,构建机器人工程专业实验教学体系,提高现有设备的利用率和机器人专业的实验教学质量,培养具有高阶思维要求的机器人工程专业学生。
   [关键词] 高阶思维;应用型大学;实验教学;课程体系
  
   0 引言
   21世纪的学校需要整合3个“R”(即核心课程)和4个“C”,即批判性思维与问题解决、交流合作、创造与创新。2016年9月,《中国学生发展核心素养》总体框架正式发布,其提出了六大素养并细化为18个基本要点,包括理性思维、批判质疑、勇于探究、勤于反思、问题解决、自我管理等[1]。由此可见,不管是美国还是中国,均将高阶思维认知能力列为未来人才的必备技能。因此,未来学校的建设必须以培养学生的高阶思维认知能力为目标与基本理念,以为未来社会提供创新型人才为目的[2]。
   随着新一轮科技革命与产业变革,教育部在2017 年2月提出了新工科建设理念,并发布了《关于开展新工科研究与实践的通知》和《关于推进新工科研究与实践项目的通知》,为中国的理工科教育指出了新的方向和目标。工程教育与产业发展紧密联系,从新工科人才的培养要求和目标来看,在理工科教学中实验教学将会起到比以前更为重要的作用,在新工科人才培养过程中实验教学将成为最重要的一个教学环节[3]。然而普通高校现行的工科实验教学在方式,方法和内容上基本都达不到新工科提出的未来型人才培养要求和目标。特别是在提升学生工程科技创新、创造能力;树立综合化工程教育理念方面现有的实验教学体系和方式还有很大的欠缺。机器人工程专业是近年才设立的一个新的专业,实验教学体系尚处于摸索阶段[4]。
   因此,构建一套致力于未来型人才培养理念的机器人专业实践教学体系,通过在开放的机器人实验平台上,采用嵌入式多轴运动控制器作为控制系统,实现机器人的示教再现、离线编程、运动控制、机构设计及仿真,图像采集等多个实践分支。在传统工业实践教学环节中引入新技术,充分挖掘我校智能制造学院新建机器人实验室的教学支持潜力,在专业综合实验、工程应用综合设计、生产实习、课外科技创新和毕业设计中,进一步培养学生认识和理解工程实际、综合运用理论及提高解决工程实际问题的能力、团队协作、人际沟通与创新意识,使学生具备高阶思维并解决复杂工程问题的能力,指导应用型本科的学生在实践中学习,在实践中研究,在实践中创新。
   1 研究目标及主要内容
   1.1 研究目标
   通过充分调研国内外机器人专业实验教学现状的基础上,针对我校机器人工程专业的培养目标,深入挖掘机器人实验室现有实验设备的潜力,构建机器人工程专业实验教学体系,提高现有设备的利用率和机器人专业的实验教学质量,培养具有高阶思维要求的机器人工程专业学生。
   1.2 主要内容:
   如图1所示,首先完成入学示教实验环节设计:以新生参观为主,指导教师展示六自由度机械臂的操作及应用,提高学生对机器人工程的学习热情及专业认可度。其次,完成课带/独立实验环节设计(包括实验指导书1-4册,分别在大二/三上下学期开设),同时结合大二/三年级专业基础/方向课,如《机器人学导论》、《机器人视觉系统及应用》、及《智能机器人综合实践》等,开设系列课带/独立实验。最后,完成课程设计/毕业设计实验环节设计,结合学生专业所长及未来工作岗位/报考研究生的专业需要,可开展系列设计相关实验课程,包括工业机械臂机构设计及快速成型、运动学仿真、轨迹规划、图像采集等专业方向,并提供参考性实验指导书。
  


   图1 拟构建机器人工程专业实验教学体系
   2实验室建设及课程体系建设并驾齐驱
   2.1 现有课程体系中实践环节的构成
   在现有的机器人工程专业课程体中,实践类课程受制于实验室硬件建设,包括课内实验、综合设计及课程/毕业设计,有大量空间与实验室建设相结合,并有效支撑各项毕业要求[5]。
  

   图2 机器人工程专业课程体系结构图
   2.2培养学生高阶思维的课程实验教学结合实例
   以专业基础双语课程《机器人学导论》为例,该课程设置在本科第四学期,是在入学实践、基础课程(机械、电学、力学、计算机语言等)与实验课程陆续开设之后,设置的导向性专业基(未完,下一页

  

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