與時俱進地開展大學專業特色課教學

周渝斌

摘要：根據我國在經濟建設新常態下對創新性人才的要求變化需要，對以前的專業特色課教學方案進行了大幅修改。首先是教學內容，從單一教材發展為多本教材，并添加了跟當前技術發展相匹配的內容;其次是從知識性灌輸向實踐教學轉變，即以項目為目標，確定教學方向;最后是實驗課程的變化，從堂內設置的小實驗到綜合性、制作性實驗。

關鍵詞：專業特色教育;教學改革;創新型人才;機器人課程教學;大學教育

中圖分類號：G642.0 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2016）36-0093-02

特色課程作為大學高年級的專業綜合型、知識拓展型課程，這種課程通常涉及到多門大學專業基礎課程的知識，具有交叉性、跨學科，雖然比普通課程難度大，但是好處同樣也多，非常有利于學生進行畢業設計和將來增加就業機會[1]，所以一直受到學生們的歡迎。本文以機器人技術基礎為例，談談如何有效地開展好專業特色課，使這種課既能做到與時俱進地不斷引入各種新發展技術，又可以作為大學生創新實踐或科技比賽的支持課程[2]。

機器人技術基礎本來是機械電子工程專業的專業必修課和機械自動化專業的專業選修課，但是這門課同時也可以作為其他各類學科的一門知識拓展型課程[3]。通過這門課程的學習，學生能夠熟悉、使用、研究和設計機器人，為從事機器人工程領域的工作奠定基礎。該課程需要學習的內容包括機器人學必要的基礎知識、各種類型的機器人部件、各個子系統、各種傳感器和機器人應用和理論方面的基本知識。具體來說，機械方面，主要包括機器人本體的機械結構、機械運動學，諸如典型的機械構成、常見的機械組成等;動力與驅動方面，包括電磁、液壓電機，以及各類微型或特異形式的驅動方式，如記憶金屬、超生波點擊等;控制方面，則包括控制系統、微處理器的應用、多種多樣的傳感器等，如視覺傳感器、仿生的觸覺傳感器等;運動控制方面則包括位姿分析、軌跡計算，如軌跡預測與優化、正向或逆向運動學等;最后還涉及到人工智能，即機械人如果進行邏輯分析、決策判斷，如進行語言語義分析、靜態或動態的視覺圖像分析等。該課程有很強的交叉性，跨多個學科，對學生的基礎知識要求也比較高，如機械設計、電子電路、傳感器、高等數學、計算機編程能力等，正因為如此，該課程總是作為本科高年級學生或者研究生階段的專業課程來開設。

在教學過程中我們發現，由于電影電視中對各種機器人的宣傳激發了青少年對機器人的興趣，人們通常認為的機器人或許就像他們從電影、電視里看到的那樣，這些都讓大學生對該課程的期望比較高。但是作為一門專業課程，又不能太過于娛樂化，因此，課程內容的組織成了首先要解決的問題。機器人課程的教材目前主要有高等教育出版社的《機器人學》，主編為劉極峰;另一本是清華大學出版社的《機器人技術及其應用》，主編為朱世強;還有一本是郭洪紅編著的《工業機器人技術》，由西安電子科技大學出版社出版。這三本教材主要教學內容都圍繞工業機器人，大概可分為三個部分的教學內容：動力學與控制、傳感器、機械結構，機器人學則更加注重機器人控制理論的分析和計算。這三本教材我們都使用過，但是教學效果一直不太理想，主要是因為學生的興趣要超過我們的教學內容。作為全校公開課，課堂內既有來自理工科專業的學生，也有來自管理學院和藝術學院工業設計系的學生。特別是我們經常遇到一些正在進行跟機器人技術相關的各種創新或者競賽項目的學生，他們遇到的一些問題，在課堂內無法解決，這讓他們比較失望，影響了這門課程的教學效果。對于這樣一門面向全校所有專業、不同背景的學生的課程，同時又是一門應用性非常強的課程，如何調整課程內容，使之真正成為學生們希望和期待的那樣，也就是說從學習中找到自己探求問題的答案，則成為我們要首先要解決的問題。直到我們發現一門由郭洪紅編著的《競賽機器人設計與實踐》，由科學出版社出版，才終于找到了解決辦法。

對于以前的教學方案，我們進行了大幅修改。首先是教學內容，從單一教材發展為多本教材，并添加了跟當前技術發展相匹配的內容，如軍事機器人、無人飛機、人工智能等;其次是從知識性灌輸向實踐教學轉變，即以項目為目標，確定教學方向;最后是實驗課程的變化，以前是設置堂內小實驗，現在則是綜合性、制作性實驗。下面詳細介紹一下我們的做法。

現有的三本機器人技術課本，都是針對工業生產型機器人，主要偏重于機械和控制兩方面，比如這三本教材都著重介紹了傳感器、運動姿態和軌跡規劃。人類文明的終極產物就是人造人，機器人，或者生化人。人類對于機器人的恐懼和迷戀，從1927年電影中出現的第一個機器人Maria誕生以來，其實有著長達一個多世紀的時間。全世界的電影人孜孜不倦的將一個又一個經典的機器人形象展現在了大眾的面前，學生們對機器人的映像，除了一些展會，就是來自于電影電視，如長興不衰的《星球大戰》、經典的《終結者》，還有《異形》中的生化機器人神父，等等。對于更多的比如生化機器人、人工智能方面則沒有涉及。課堂不能與實際脫離，我們在課堂內專門增加了針對生化機器人、仿生機器人相關的人造器官、人機結合方面知識。另一點就是關于人工智能（ArtificialIntelligence：AI），它是研究、開發用于模擬、延伸和擴展人的智能的理論、方法、技術及應用系統的一門新的技術科學，也是機器人發展最重要的一個環節。人工智能企圖了解智能的實質，并生產出一種新的能以人類智能相似的方式做出反應的智能機器，該領域的研究包括機器人、語言識別、圖像識別、自然語言處理和專家系統等。從AI誕生以來，由于理論和計算機技術的限制，一直沒有什么起色。但是近幾年來，基于深度神經網絡的學習方興未艾，以前的多層神經網絡的問題容易陷入局部極值點，如果訓練樣本足夠充分覆蓋未來的樣本，那么學到的多層權重可以很好的用來預測新的測試樣本，新的研究成果也促使我們在課堂上添加了相關內容。在課程結束前，我們還針對有關機器人是否替代人類以及機器人對人是否有害等哲學方面的問題，開辟了一堂討論課，激發了同學們對未來的思考。

培養大學生的創新素質是高等學校的一項重要使命，課堂教學也要緊扣這個要求，圍繞著如何激發學生的創造力和創新能力展開。以項目為導向是我們進行教學改革的第二項內容。以前我們的教學都是按照知識結構來設計教學大綱，這樣的教學類似于傳統的“填鴨式”教學，學生的接受意愿不高，教學效果不理想。而近些年來，高校開始重視大學生的素質教育，出現了各種創新項目和創新大賽，在很多大學生類的科技競賽中，有很多跟機器人相關，比如機器人足球比賽、機器人拳擊、防爆滅火救災機器人比賽等[4]。每年都有很多學生為比賽才報名參加機器人課程的學習。這些新的情況也啟發了我們對課程進行相應的調整，將本來比較刻板的單向教學變成有針對性的教學?？鬃釉浾f過：“知之者不如好之者，好之者不如樂之者?！笨梢娝貏e強調興趣的重要作用。于是我們將原來的教學結構打破，設置了幾個比賽類的制造項目，將機器人知識穿插在項目實施中，讓學生們帶著問題來學習。興趣是最好的教師，是感情的體現，是學生學習的內在感情驅動。在學生們完成項目的過程中，興趣讓學生對我們課內介紹的知識，能自覺地、主動地、竭盡全力去觀察、思考、探究，這樣最大限度地發揮學生的主觀能動性，容易在學習中產生新的聯想，而不同的項目，讓他們能夠進行知識的移植，做出新的比較，綜合出新的成果，進而也更加能培養和促進學生的創新能力。

最后是關于實驗課程的改革，以前是設置堂內小實驗，比如機器人傳感器實驗，學生在1個小時內，進行圖像抓拍，或者進行超聲波障礙物檢測。該實驗由于時間短、實驗內容簡單，并不能激發學生們對課程的深入理解。現在我們有了以項目為導向的教學，實驗內容改成具有綜合性、制作性的實驗，每個項目通過在課堂內的輔導，學生在課外進行制作[5]。小制作需要一定的費用，我們將學生們分組，每組學生共同分擔，由于每個制作的費用不到兩千元，主要部件可以借用學校實驗室配件，最后每個學生承擔的費用不到一百元。有的學生有大學生創新項目費的支持，可以制作出更加復雜和精美的作品。這樣的制作項目，學生既可以跟課堂內容結合，又能跟創新項目結合，激發了學生的求知欲。以前課堂內只有教師講授，現在的課堂內學生的參與性非常高，常常為了一個問題，大家群策群力，討論非常活躍，帶來了非常好的教學效果。

今天的高校，應該為打造更加全面的新世紀創新型人才培養的體系而改革。通過對專業特色課改革的實踐，我們不僅幫助了大學生拓展了知識面，而且增加了鍛煉其運用知識分析、解決問題的能力，更加注重培養他們的創新能力。

參考文獻：

[1]邵友竹.淺議大學專業課教學的特點[J].遼寧高等教育研究，1988，（6）.

[2]張峰，孫娟.提高大學專業課程教學效果的措施[J].文教資料，2010，（1）：213-215.

[3]王旭仁，姚葉鵬，劉麗珍.機器人課程建設探索和思考[J].計算機教育，2011，（15）：89-91.

[4]劉云平.談《機器人學》課程教學與大學生創新教育[J].中國科技信息，2011，（13）：152-153.

[5]張天航，李清富，吳澤寧.大學工科專業課教學存在的問題與對策[J].中國電力教育，2007，（S4）：460-461.