面向机械臂设计与制造的基础工程训练教学模式研究与实践

【摘要】高校工程训练是工程教育的主要载体，是培养学生工程实践与创新能力的基础课程。在生产数字化背景下，文章以“数字素质+X”为教学目标，根据分布式认知理论树立实践系统观，引入机械臂和数字工厂仿真技术，建立传统与智能有机融合的实践平台；将机械臂的设计、制造、运行全制造周期分解成项目任务融入各实践模块，通过线上预约、作品流转、社区交流等策略建立教学要素交互机制，构建面向机械臂设计与制造的系统化工程训练模式；采用“OBE+CDIO”理念组织教学，突出实践认知主体，取得了预期的教学效果。

【关键词】基础工程训练；数字素质；交互机制；实践系统观；教学模式

【引用格式】淮文博.面向机械臂设计与制造的基础工程训练教学模式研究与实践[J].黑龙江教育（理论与实践），2025，79（4）：61-65.

【中图分类号】G642.0【文献标识码】A【文章编号】1002-4107（2025）04-0061-05

一、引言

习近平总书记在党的二十大报告中指出，加快实施创新驱动发展战略，加快实现高水平科技自立自强[1]。创新驱动的本质是人才驱动，培养大批适应国家工业化战略发展需要的高质量创新型人才，是我国高等教育的重要使命和责任。工程教育是我国高等教育的主体，肩负着培养学生实践创新能力的重任。而高校工程训练作为新时代工程教育的主要载体[2-3]，应识变、应变，创新教学体系和人才培养模式，实现内涵式高质量发展，为培养时代新人提供有力支撑。

近年来，国内许多高水平大学开展了面向新工科人才培养要求的工程训练教学改革，成果丰硕，但与世界水平的高等工程教育目标相比仍有差距，存在工程实践知识更新滞后、教学手段陈旧、知识点单一、教学内容与模式不能适应产业变革发展新要求等问题[4-7]。西安理工大学工程训练国家级实验教学示范中心（以下简称“工程训练中心”）按照分布式认知理论，结合学校办学特色和人才培养定位，在工程训练中引入了“中国制造2025”重点发展产业多自由度机械臂、数字化工厂仿真等先进技术，建立了面向机械臂设计与制造的系统化工程训练教学模式。

二、系统化工程训练教学建设原则及目标

（一）分布式认知理论

分布式认知理论认为，认知是一个包括认知主体和认知环境的系统，是对信息进行加工的过程，这个过程分布于个体内、个体间、媒介、环境、文化、社会和时间等各认知要素之中[8]。认知科学认为，认知分布于个体大脑内，大脑是实现认知功能的基础。认知分布在媒介中，是信息在媒介中传递表征状态的一种计算过程，所谓媒介，即公式、符号、图表、教具、仪器、设备等，不同的信息分布对认知系统的影响是显著的。认知分布在文化中，受文化直接或间接地影响，不同文化背景的认知主体有不同的认知风格。认知分布在社会中，受认知系统中的规则和与之相关的其他个体的影响，如不同的学校、班级、教师、学生，以及不同的培养目标、课程设置、教学计划等均会对认知产生显著影响。认知分布在时间上，即分布在认知主体的过去、现在和未来。综上所述，分布式认知理论从系统视角强调了认知系统中各要素及各要素之间的交互作用对认知的促进作用，为工程训练教学改革提供了理论支撑。

（二）系统化工程训练教学建设原则

“工程训练”是面向大学一、二年级学生开设的实践性基础课程，涉及数字建模仿真、金属工艺实践、控制系统设计、数字工厂仿真等实践内容，涵盖了20多个实践模块（单元），通过系统的工程实践训练，学生获得对机械、电子、信息、管理等专业技术在工程应用中的感性认识和深切体验，培养学生的实践能力、工程意识、职业素养，开阔知识视野，激发创新热情，并为相关理论课程和实验课程学习奠定必要的实践基础。

传统工程训练教学模式忽略了各教学要素的交互作用，将实践认知固化在每个实践模块中，不利于学生潜能发掘和创新思维培养[9-10]。根据分布式认知理论，工程训练是实践认知过程，这个过程分布在学生、教师、实践平台、教学组织等要素中，每个要素均会对工程训练效果产生显著影响。因此，应从系统视角开展工程训练教学建设，具体原则如下。

①树立实践系统观。要以系统的观点对待工程训练中的学生、教师、资源等要素，这些要素间的功能关系是开展工程训练的基础。

②建立交互机制。分布式认知理论认为，交流交互是实现认知目的的必然方式。因此，要在工程训练各实践模块之间建立关联，为学生、教师、资源创造交互机会，促进学生对知识的认知与获取。

③引入先进资源。分布式认知理论强调人工制品在认知中的重要性。工程训练中的人工制品重点指工具、设备等教学资源，具有承载知识、转载实践任务、产生认知留存效应、改变思维方式的积极作用。所以，资源建设是工程训练改革的重点任务。为积极应对新一轮科技革命和产业变革，国家提出加快发展新质生产力。新质生产力要求劳动者不仅要适应数字技术的快速发展，更要熟练掌握和创新运用数字技术，引领数字技术革命。因此，应在工程训练中引入数字技术及装备，扩展学生实践对象的范围和领域，让学生的知识视野、实践能力、创新思维在工程训练中提升到新高度。

④坚持立德树人。习近平总书记指出，“要从党和国家事业发展全局的高度，坚持为党育人、为国育才，把立德树人融入思想道德教育、文化知识教育、社会实践教育各环节”[11]。《高等学校课程思政建设指导纲要》指出，落实立德树人根本任务，必须将价值塑造、知识传授和能力培养三者融为一体、不可割裂。工程训练应将课程思政贯穿工程训练全过程，落实为党育人、为国育才的根本任务。

（三）系统化工程训练教学目标

在新一轮科技革命和产业变革下，数字化新理念、新业态、新模式正全面融入生产生活的各领域和全过程，催生了数字化技能需求[12]。培养数字化工程人才已成为高校的新使命和新目标。工程训练作为实践通识教育，既要立足根本，坚持技术本质教育，又应高瞻远瞩，融合新技术，因此，需要确立“数字素质+X”的教学目标。所谓数字素质，即通过数字化实践平台使学生获得数字化、智能化技术在工业领域应用的直观认识，并具备初步操作及应用的能力；这里的“+”不仅指代“附加”，更侧重于“融合”之意，即将数字素质与其他教学目标高度融合，意味着工程训练内容是传统技术与数字化技术的综合运用；教学目标“X”除了指代工程实践能力、团队协作能力、职业素质等基本的目标要求，对于系统化工程训练，更强调培养系统意识、创新意识。按照上述建设原则和“数字素质+X”教学目标，工程训练中心把机械臂制造全周期有机融入全部实践过程，要求学生按照制造工艺流程完成机械臂设计与制造、数字化工厂仿真作业等实践任务，具体教学目标及实现方式如下。

①深化理论知识理解。通过亲自设计方案、亲手操作设备，完成机械臂制造实践任务，学生获得对机械、材料、电子、信息、计算机、网络等专业知识在工程应用中的感性认识和体验，为相关理论课程和实验课程学习奠定必要的实践基础。

②培养基本数字素质。通过机械臂数字化设计、传统与现代制造、数字工厂作业仿真等实践环节，培养学生基本数字素质及初步应用能力，开拓学生知识视野，激发学生创新热情。

③树立系统意识，培育创新思维。学生按照机械臂制造工艺流程，在适切的教学支架下，合作完成设计、选材、加工、检测、装配、调试、仿真等项目式实践任务，通过亲身参与机械臂完整生产周期，培养工程实践能力，树立系统意识，培育创新思维。

④塑造职业素质。通过作品流转、工序衔接、在线交流等教学策略，引导学生在实践中亲身体验和自发思考，如“他人作品给自己的方案制定带来什么影响？对机械臂的整体性能产生什么影响？为什么？要注意什么？该怎么做？”，自然而然地培养学生的质量意识、责任意识和协作能力，塑造学生的职业素质。

同时，课程思政贯穿教学全过程，培养学生的工匠精神，增强学生科技强国的自信心、科技报国的家国情怀。

三、系统化工程训练实践平台及功能

物质决定意识，认识来源于实践。实践平台是实现教学目标的基础条件。根据系统化工程训练特点及“数字素质+X”的教学目标，实践平台建设既要坚持技术本质创新，又应积极引入现代技术，将传统与智能化技术有机融合，提供基础、直接、全面、综合、先进的工程实践体验。工程训练中心通过资源优化重组、校政企联合共建、数字技术赋能、循环机制建设等举措，打造了面向机械臂设计与制造的工程训练平台，覆盖了全部实践模块，并为其他专业的课程设计、基础实验、创新创业实践提供了有力支撑。

①传统制造技术实践平台。该平台包括车削、钳工、铣、刨、齿、焊接、铸造、热处理等设备，支撑15个实践模块，可用于机械臂部分工件加工制造。学生通过观感、听感、触感直接了解传统制造方法的基本原理、加工工艺、操作规程、设备保养等方面的知识及技能。

②现代制造技术实践平台。该实践平台有加工中心、电火花线切割机、激光切割机、3D打印机、快速成型机等设备，支撑5个实践模块，可用于机械臂部分工件加工制造。通过实践，学生初步理解数控加工原理，基本掌握数控编程、加工工艺、操作规程、设备保养等方面的知识和技能。

③电工电子实践平台。该实践平台配备常用电子仪器、Android嵌入式操作系统、HMI人机交互单元、PLC控制单元、运动控制单元，支撑5个实践模块，可用于机械臂控制系统开发。通过实践，学生基本掌握电路设计、制作、编程、组装、调试等基本能力。

④数字技术实践平台。该实践平台将工程训练与真实工业情景紧密结合，包括云计算中心、数字工厂仿真平台（DigitalFactorySimulationPlatform）、信息化众创社区，支撑3个实践模块，可开展机械臂数字孪生作业仿真实践。通过实践，学生体验制造业的数字化、智能化，开拓知识视野，激发创新热情。

⑤备件库。一是用于回收每个实践模块的合格作品；二是为后续实践模块提供毛坯，实现工序衔接；三是耗材循环利用，节约资源，减少教学运行成本。

四、系统化工程训练课程及内容

系统化工程训练内容包括机械臂设计与制造、数字孪生及作业仿真，涉及产品设计、制造、仿真运行，涵盖全生产周期，覆盖更多专业内容和知识点。将机械臂中17种非标准零件及控制系统作为制造对象，将制造任务以项目形式按工艺分解为20多个实践模块。四五名学生组成1个项目团队，按照制造工艺流程进入相关实践模块，合作完成制造、装配、机器人作业仿真等任务。系统化工程训练内容及实践平台如图1所示。

（一）课程设置

系统化工程训练课程面向不同专业，坚持可行性原则，适量适度设置机械臂制造项目，课程分为A、B、C、D、E5个类别，均由17个实践模块组成，每个模块8学时，其中，13个模块是教学计划规定的必修内容，其余4个模块是要求学生根据兴趣自由选择的必修内容。例如，工程训练（A）面向机械大类专业学生开设，要求制造适量的工艺复杂的工件，设计制作控制系统部分电路；工程训练（B）面向自动化类专业学生开设，要求完成适量简单的机械制造工序和整个控制系统制作及编程。为实现“数字素质+X”教学目标，机械臂仿真实践是所有专业学生的必修内容。

（二）实践内容

①课程概论。在工程训练开始前，集中讲授课程基本情况、实践内容、实践目标、成果形式、实施计划、其他要求等，使学生深刻认识工程训练在人才培养中的重要意义，明确目标，端正思想，树立信心，为出色完成工程训练各项任务做好准备。

②机械臂结构数字模型设计实践。包含1个实践模块，在云计算中心开展。以智能焊接、物料搬运、在线分拣、在线装配等功能需求为导向，项目团队分工设计机械臂数字化模型。通过实践，学生了解机械臂在智能制造中的广泛应用、关键技术和前沿问题。

③基于机械臂制造的金属工艺实践。包含15个实践模块，在传统与现代制造技术实践平台开展。项目团队根据机械臂数字模型，编写课程指定工件的制造工艺；按制造工艺合作完成设计、选材、加工、检测、装配等项目式实践任务。通过实践，学生直观认识传统制造工艺及原理，培养工程实践、团队协作能力，树立质量意识、系统观念。

④机械臂控制系统设计与开发实践。包含3个电子实践模块、2个电工实践模块，在电工电子实践平台开展。项目团队根据机械臂功能需求，设计控制电路、选择电子元件、焊接PCB板、编程、搭建驱动电路、调试控制系统，实现机械臂规定的功能。通过实践，学生深入了解电工电子知识，掌握机械臂控制原理与方法，培养综合应用能力、团队协作精神。

⑤机械臂仿真实践。包含3个实践模块，在数字技术实践平台开展。项目团队利用数字工厂仿真平台生成机械臂的数字孪生，在数字化工厂中完成机械臂在线装配、分拣、物料搬运、智能焊接等规定任务。通过实践，学生直观了解机器人技术及智能制造领域的前沿技术和热点问题，开阔知识视野，激发创新兴趣。