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摘 要：我校工程训练中心把握机遇，在新工科建设的任务中，结合新技术、新产业的复合型人才需求，在工程训练中引入机器人教学，改变课堂模式，建立课内竞赛与课外竞赛相结合的培养模式，逐步提高学生的竞争意识、创新意识、实践意识及团队协助能力，激活了学生学习和研究的潜能。
关键词：工程训练；机器人教学；实践教学
本文引用格式：吴鹏, 等. 基于双赛制机器人教学在工程训练课程中的改革实践[J]. 教育现代化,2020,7(32):69-71.
the Reform and practice of Robot training in engineering training course based on double competition system
Wu Peng, SuN Zhen-zhong, HE Wei-feng, CHEN Yong-zhi, YANG Yu-hui
(School of Mechanical Engineering, Dongguan university of Technology, Dongguan Guangdong)
Abstract: Our engineering training center seizes opportunities. In the task of the construction of new engineering, our school combines the needs of new talents with new technologies and new industries, introduces robotic teaching into engineering training, changes the classroom model, and establishes a training model that combines in-class and extra-curricular competitions.In this way, students ‘consciousness of competition, innovation, practice and team assistance can be gradually improved to activate students’ potential for learning and research.
Key words: Engineering training; Robot teaching; Practical teaching
一引言
工程训练课程是由“金工实习”课程发展而来， 是一门实践基础课程，是机械类相关专业学生学习工程材料及机械制造基础等课程必不可少的一门课程，同时也是非机械类学生认识现代工业制造技术的一个实践教学环节，它对高等工科院校培养学生实践能力、提高工程素养具有重要意义。传统的金工实习包括锻造、锻压、焊接、热处理、机加工（车、铣、刨、磨）、钳工、数控加工等工种。但随着时代发展，金工实习的课程体系逐渐跟不上技术发展的步伐。其局限与机械制造等学科对接，造成了学生掌握的内容偏向性强，缺乏与其它相关学科互联互动的机制，缺少与新技术和新技能的有机融合 [1]。
2015 年，东莞理工学院被列为省市共建的高水平理工科大学对象；2016 年，机械制造及其自动化等 7 个专业被列入一本招生；2019 年，东莞理工学院成为全省唯一一所新型高水平理工科大学示范校 , 这些都对人才培养质量及其模式提出了更高的要求。我校一直以来注重学生工程实践能力的培养，2013 年在打破现有的金工实习课程体系的基础上，实施“ 卓越工程师教育培养计划”， 改变原有教学模式，分模块教学，强调成果导向，结合学生工程实践能力、创新能力等多方面培养要求，构建了新的工程训练 课程体系。新的课程体系中及时增设了 3D 打印加工、激光加工等特种加工工种，增加了“分组项目化制作” 实践环节。但随着全球产业格局调整，我国提出“一带一路”、“网络强国”等国家战略，高等工程教育也随即进入新的改革征程，“新工科”建设也成为新一轮的科技革命与产业革命的战略行动 [2]。2017 年， 我校工程训练中心把握机遇，在新工科建设的任务中，结合新技术、新产业的复合型人才需求，在工程训练中引入机器人教学，改变课堂模式，建立课内竞赛与课外竞赛相结合的培养模式，逐步提高学生的竞争意识、创新意识、实践意识及团队协助能力， 激活了学生学习和研究的潜能。在教育改革中“先行先试”，积极开展教学改革，加强应用型本科地方院校学生工程实践能力的培养，切实提高人才培养质量，满足东莞的区域经济和社会发展对高素质应用型本科人才的需要。
二 机器人课程嵌入实践课程的实施
（一） 机器人教学，循序渐进
2016 年，工程训练中心通过引入巨轮智能装备有限公司的 6 台 6 轴工业机器人，开展工业机器人教学。但实施过程中发现，由于课程人数多，不能保证同学人均一台设备操作实践，造成部分学生参与度不高。2017 年为了改善课程教学效果，调动学生的积极性，中心决定引入教育机器人。教育机器人指应用于教育领域的机器人，一般具备 4 个特点： 符合教学使用的相关需求；具有良好的性价比，特定的教学用户群决定了其价位不能过高；具有开放性和扩展性，可根据需要灵活增减功能模块，自主创新；友好的人机交互界面 [3]。经过广泛调研，最终选择 OpenBot2 教育机器人，它集遥控、巡线、避障和音乐播放等功能，采用基于 Arduino 控制器二次开发的 QTsteam 控制器，支持图形化编程及 BASIC 语音或者 C 语音编程，每套产品提供 30 余种、200 多个零配件用于开发。学生掌握各类元器件的工作原理后，通过对标准结构件、传感器、执行件等的任意组合，完成课程设定的实训内容。实践表明， 引入教育机器人后，在有限的教学空间内，保证了每个同学独立实践的时间，大大改善了机器人教学的环境，提高了教学质量。
教育机器人教学作为机器人的初识阶段，能够培养学生的兴趣，也是让人工智能教育大众化的重要一步。但目前工业机器人进入产业爆发区，行业人才的需求缺口巨大，其教学内容不可或缺。为能提高工业机器人实训效果，故将其内容拆分为两部分：一是机器人本体拆装，嵌入工程训练的钳工课程当中，让学生对机器人本体结构有深刻的认识；二是工业机器人案例教学嵌入至我校长安先进制造学院的实训课程中，这样既能保证学生实训的时间，也能在特色产业学院中实现应用场景的多元化。在整个课程体系中， 需对学生实训的每个阶段进行实时跟踪，及时对学生的实训情况进行研判，一方面检验学生是否参与了有效的实习，另一方面对学生的课程反馈情况进行经验总结，不断调整课程内容，改进教学管理。
（二） 课内竞赛式教学
教育机器人教学内容主要分成三部分：基础知识、实践教学、课内竞赛，其中基础知识与实践教学穿插进行。课程内容及安排如下表 1。
（1）基础知识：采用“边做边学”的方式，让学生掌握 Arduino 的编程方法，形成逻辑编程思维， 熟悉传感器、常见执行元件（舵机）等元器件的使用（如图 1）；
（2）实践教学：基于基础教学部分教授的电子元件，进行难度适中的综合项目实践（如图 2）；
（3）课内竞赛：把学生分成 3-5 个人的竞赛小组，学生自主设计擂台机器人进行比赛，采用积分赛 + 淘汰赛方式决出表现优秀的团队（如图 3）。
考核形式则注重过程考核，个人成绩与团队成绩各占总成绩 50%。个人成绩指规定时间内完成综合项目的质量及表现；团队成绩按擂台比赛排名，分为冠军、亚君、季军、优秀队伍四个档次。通过“赛学结合”的模式，让学生在有限的实践时间内，构建起基本的知识应用框架，形成一些的编程控制思维、产品开发概念、工程意识、成本意识及团队协助意识。
三 结合大学生竞赛，全面提升学生综合能力
（一） 课外竞赛的促进作用
课程内引入竞赛式教学，比赛氛围虽能激发同学的兴趣和竞争意识，但毕竟实训时间较短，容易形成知识思维定势，缺乏知识活力。为进一步开发和激发同学们的学习和研究潜能，强调理论知识和实践能力的有机结合，培养创新思维，中心作了课堂延伸方面改革。以挑战各类大学生竞赛为目的，推广“师徒作坊式”教育模式，吸引大批学生进入实验室开展实践训练。在参赛作品的设计准备过程，让学生有意识地打破惯性思维，把生疏的问题转换成熟悉的问题， 激发学生的求知欲，锻炼其独立学习思考能力、解决复杂工程问题能力、沟通协作能力及项目管理能力等[4]。同时在竞赛过程中，能够训练学生临场解决问题的能力，提高心理素质，增强个人自信心。
（二） 竞赛选取与成效
目前国内相关的机器人比赛有：世界机器人大赛、全国大学生机器人竞赛、中国教育机器人大赛、全国大学生工程训练综合能力竞赛、广东省工科大学生实验综合技能竞赛等。在选取目标竞赛方面遵循以下三点：一是贴近课堂教学内容；二是赛事主题紧跟新技术、新产业；三是学生拓展知识难度适中。经过以上几点考量，最终选取教育部组织的 2019 年第六届“全国大学生工程训练综合能力竞赛”的物料搬运机器人赛项作为目标赛项。竞赛命题“智能物料搬运机器人竞赛”要求学生自主设计并制作一款能执行物料搬运任务的智能移动机器人：该机器人能够在规定场地内自主行走，地面有黑色经纬线， 通过扫描阅读二维码获取任务后，自主寻找、识别任务指定的物料，并按任务要求的顺序将其搬运至指定的存放地点。工程训练中心经过赛事发布、组织报名、集体培训、设计制作、校省两级竞赛选拔等环节，最终我校 2 支队伍代表广东省参加国赛阶段比赛。经过两天的激烈角逐，我校代表队双双获得该赛项全国赛特等奖。
将大学生竞赛内容与课程内容相融合的教学模式，虽改革时间不长，但在提高教学质量和学生综合能力方面获得一定成效，能够把课堂与竞赛打通，促进指导教师与学生的交流互动，提升教师业务能力。
四 结束语
基于双赛制机器人教学的工程训练课程改革， 虽获得一定的成效，但新工科复合型人才培养要求不仅于此，接下来，我们将通过申请质量工程教学改革项目和学校实验室建设经费、专业建设费等， 多方筹集基金，完善实验室实训环境，增加一批教育机器人。根据应用型人才培养需要，完善教学内容、课程体系、课程考核和反馈机制等方面，力争机器人创新实训课程的“质”和“量”上都得以明显提升。同时，组建一支有一定的理论基础、实践经验丰富、来自实际设计的工程师或高级工程师组成的项目团队，每学年定期从企业邀请实际设计、生产一线的导师对学生的机器人创新实训项目进行指导，从而提高师资队伍整体工程实践能力。结合东莞的区域经济优势，利用好地方机器人产业资源，形成机器人领域“学赛研”结合的人才培养体系 [5]。
参考文献
[1]顾文斌 , 楼力律 . 面向卓越工程师计划的工程训练教学改革与创新 [J]. 教育管理 , 2018，10(30):119-120.
[2]王玥霁，程莎莉，刘敬露，等 .“3D 打印”工程实训课程混合式教学模式改革研究 [J]. 科教文汇 , 2018，10（436）:65-69.
[3]马志诚，陈敏 . 教育机器人在创新实践教学中的应用 [J]. 实验科学与技术，2008，6( 6) :96.
[4]田杰 , 鲍宏 , 周小帅 . 工程训练综合能力竞赛中创新人才培养机制探讨 [J]. 实验技术与管理 ,2016,33(12):17-20.
[5]常征 , 孙启峰 . 机器人教学对学生技术素养提升的探究 [J]. 教育现代化 ,2016 (34):174-178.
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