后疫情時(shí)代STEAM教育理念下的機(jī)器人學(xué)課程教學(xué)探索

任海川 王東署

摘要：在新冠疫情時(shí)起時(shí)伏、隨時(shí)都可能規(guī)模性爆發(fā)的后疫情時(shí)代，如何推行與實(shí)施新工科的高質(zhì)量教學(xué)，是教學(xué)領(lǐng)域的巨大挑戰(zhàn)。教學(xué)上，新工科建設(shè)更加強(qiáng)調(diào)多學(xué)科的交叉、融合與實(shí)踐。針對(duì)新工科對(duì)機(jī)器人學(xué)課程的新要求，本文對(duì)機(jī)器人學(xué)課程教學(xué)進(jìn)行了基于STEAM教育理念的教學(xué)探索。注重機(jī)器人學(xué)課程多學(xué)科交叉的教學(xué)特點(diǎn)，突出課程泛在學(xué)習(xí)與個(gè)性化學(xué)習(xí)緊密結(jié)合，降低教學(xué)中的疫情風(fēng)險(xiǎn)，以期提高后疫情時(shí)代新工科人才培養(yǎng)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：后疫情時(shí)代 新工科 STEAM教育理念 機(jī)器人學(xué) 泛在教學(xué) 個(gè)性化學(xué)習(xí)

Exploration of Robotics Teaching under the STEAM Educational Concept

in the Post Epidemic Era

R EN Haichuan*? WANG Dongshu

（School of Electrical Engineering， Zhengzhou University， Zhengzhou， Henan Province， 450001 China）

Abstract： In the post COVID-19 era， which is going up and will be prone to the large-scale outbreak at any time， how to carry out and implement high quality teaching of new engineering is a great challenge in the field of teaching. In terms of teaching， the new engineering construction lays more emphasis on the intersecting， the integration and the practice of multiple disciplines. According to the new requirements of the new engineering course for Robotics， this paper explores the teaching of Robotics course based on the STEAM education concept. Emphasis should be paid to the multi-disciplinary teaching characteristics of Robotics courses， and the close combinations of the ubiquitous learning and the personalized learning should be highlighted to reduce these epidemic risks during the teaching process， so as to improve qualities of engineering talents training in the post epidemic era.

Key Words：? Post epidemic era; New engineering; STEAM education concept; Robotics; Ubiquitous teaching; Personalized learning

隨著國(guó)家“雙一流”大學(xué)建設(shè)、“新工科”建設(shè)工作的全面啟動(dòng)，近3年來(lái)很多一流大學(xué)及高校高專紛紛成立機(jī)器人學(xué)院與機(jī)器人特色學(xué)科，培養(yǎng)高水平的機(jī)器人科技人才，滿足國(guó)家對(duì)于機(jī)器人專業(yè)創(chuàng)新人才的迫切需求。機(jī)器人學(xué)是一門集電氣、機(jī)械、自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)、數(shù)學(xué)、人工智能和工業(yè)設(shè)計(jì)等多學(xué)科交叉的綜合性課程，用于培養(yǎng)學(xué)生通過(guò)數(shù)學(xué)、物理、藝術(shù)等多基礎(chǔ)學(xué)科知識(shí)獨(dú)立解決機(jī)器人相關(guān)科學(xué)、技術(shù)與工程問(wèn)題的能力。機(jī)器人學(xué)課程教學(xué)因其學(xué)科的交叉性、融合性和實(shí)踐操作性，被認(rèn)為是融合STEAM（科學(xué)S、技術(shù)T、工程E、藝術(shù)A、數(shù)學(xué)M）教育的一條有效途徑，它幫助教師將科學(xué)過(guò)程、技術(shù)素養(yǎng)、工程實(shí)踐、藝術(shù)設(shè)計(jì)和數(shù)學(xué)素養(yǎng)置于學(xué)生理解的情境中，具有良好的教學(xué)研究與實(shí)踐價(jià)值。因此，在STEAM教育理念下重新審視大學(xué)的機(jī)器人學(xué)教學(xué)，已成為當(dāng)下新工科教育改革的研究熱點(diǎn)。

2009年開(kāi)始，美國(guó)麻省理工學(xué)院開(kāi)設(shè)《認(rèn)知機(jī)器人學(xué)》《機(jī)器人學(xué)導(dǎo)論》等課程，最先探索新型STEAM教育模式，其教學(xué)有著多種多樣形式，主要有課外實(shí)踐、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、競(jìng)賽等[1-2]。日本、德國(guó)雖然起步比美國(guó)晚，但極其重視機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，結(jié)合自身實(shí)際，大學(xué)探索STEM教育，設(shè)立有機(jī)器人課程、機(jī)器人研究會(huì)以及教育協(xié)會(huì)，每年定期組織針對(duì)不同學(xué)齡學(xué)生開(kāi)展的機(jī)器人教學(xué)與比賽，促進(jìn)機(jī)器人教育的快速發(fā)展[3-4]。在“互聯(lián)網(wǎng)+”的背景下，很多國(guó)內(nèi)學(xué)校都開(kāi)設(shè)有機(jī)器人相關(guān)教學(xué)課程，對(duì)機(jī)器人教育有了一定的研究成果。如清華大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、北京航天航空大學(xué)等高校將機(jī)器人教育與STEAM教育在教學(xué)目標(biāo)、內(nèi)容及評(píng)價(jià)等方面進(jìn)行了融合探索，闡述了機(jī)器人教學(xué)與STEAM教育融合的必然性，但機(jī)器人學(xué)課程設(shè)置、教學(xué)模式、資源整合等方面仍存在很多難題與挑戰(zhàn)[5-6]，如機(jī)器人課程教學(xué)模式與內(nèi)容相似，無(wú)法滿足不同專業(yè)學(xué)生需求，且限制了教師創(chuàng)造性思維，不能很好激發(fā)不同專業(yè)學(xué)生對(duì)機(jī)器人學(xué)課程的學(xué)習(xí)興趣;STEAM教育理念下機(jī)器人學(xué)課程移動(dòng)式泛在學(xué)習(xí)與以學(xué)生為中心的個(gè)性化學(xué)習(xí)相融合的平臺(tái)與實(shí)踐嚴(yán)重缺失;特別是在新冠疫情時(shí)起時(shí)伏、隨時(shí)都可能規(guī)模性爆發(fā)的后疫情時(shí)代，對(duì)在大學(xué)如何開(kāi)展STEAM教育理論下的機(jī)器人學(xué)教學(xué)改革與實(shí)踐，降低教學(xué)中的疫情風(fēng)險(xiǎn)，多方位提高機(jī)器人學(xué)教學(xué)質(zhì)量與學(xué)生沉浸式泛在學(xué)習(xí)體驗(yàn)，提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。本文將圍繞STEAM教育理念，結(jié)合筆者所在院系（電氣工程學(xué)院）專業(yè)實(shí)際情況，針對(duì)后疫情時(shí)代背景下的機(jī)器人學(xué)課程存在的問(wèn)題進(jìn)行分析，從教學(xué)模式、內(nèi)容、手段等方面對(duì)機(jī)器人學(xué)課程改革與建設(shè)進(jìn)行探索。

1 本院機(jī)器人學(xué)課程教學(xué)現(xiàn)狀分析

為詳細(xì)了解學(xué)生對(duì)機(jī)器人學(xué)課程的認(rèn)識(shí)，筆者對(duì)本院已學(xué)過(guò)機(jī)器人學(xué)課程的相關(guān)學(xué)生（4個(gè)專業(yè)240余人）進(jìn)行問(wèn)卷調(diào)查。根據(jù)反饋的調(diào)查結(jié)果，主要存在以下問(wèn)題。

1.1教學(xué)模式有缺點(diǎn)

機(jī)器人學(xué)課程教學(xué)一直沿用課堂教學(xué)講授為主的模式，偏重理論，學(xué)生多為被動(dòng)學(xué)習(xí)。而機(jī)器人學(xué)課程本身知識(shí)體系龐雜，涉及多學(xué)科交叉，覆蓋機(jī)械、自動(dòng)化、物理、數(shù)學(xué)、工業(yè)設(shè)計(jì)等多個(gè)領(lǐng)域知識(shí)。對(duì)于本院學(xué)生而言，平時(shí)課堂學(xué)習(xí)重點(diǎn)關(guān)注電學(xué)與控制科學(xué)相關(guān)，對(duì)機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)等方面大都無(wú)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，難于理解。另一方面，在新冠疫情時(shí)起時(shí)伏、隨時(shí)都可能規(guī)模性爆發(fā)的后疫情時(shí)代，僅僅線下講授教材內(nèi)容未能與時(shí)俱進(jìn)，難以在降低師生疫情傳播風(fēng)險(xiǎn)的前提下，進(jìn)一步提高教學(xué)質(zhì)量。

1.2教學(xué)內(nèi)容與實(shí)際應(yīng)用有距離

本院機(jī)器人學(xué)課程除教學(xué)課時(shí)外無(wú)仿真實(shí)驗(yàn)與課程實(shí)踐，教學(xué)內(nèi)容單一，沒(méi)能與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合，無(wú)法滿足不同專業(yè)學(xué)生（如本院相關(guān)專業(yè)）對(duì)機(jī)器人課程個(gè)性化教學(xué)、仿真實(shí)驗(yàn)與課程實(shí)踐相融合的需求。學(xué)生上課積極性不高，對(duì)于課程內(nèi)容學(xué)習(xí)不夠深入，大多流于表面。

1.3教學(xué)手段與后疫情時(shí)代新工科人才培養(yǎng)的迫切要求有差距

新冠疫情給新工科教育教學(xué)與人才培養(yǎng)帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)，急需采用4G/5G等先進(jìn)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，在后疫情時(shí)代實(shí)現(xiàn)機(jī)器人學(xué)課程的線上與線下混合教學(xué)融合，提供給學(xué)生沉浸式的泛在學(xué)習(xí)體驗(yàn)，真正實(shí)現(xiàn)任意地點(diǎn)、任意時(shí)間的個(gè)性化學(xué)習(xí)，降低師生疫情傳播風(fēng)險(xiǎn)。而現(xiàn)有的教學(xué)手段與人才培養(yǎng)方法還不能很好地滿足后疫情時(shí)代新工科人才培養(yǎng)的要求，存在較大差距。

2 機(jī)器人學(xué)課程改革探索

針對(duì)上述后疫情時(shí)代背景下機(jī)器人學(xué)課程教學(xué)過(guò)程中存在的問(wèn)題，筆者結(jié)合學(xué)校學(xué)院教學(xué)改革，以與所學(xué)專業(yè)良好結(jié)合，同時(shí)兼顧學(xué)生實(shí)際需求，提高課程的實(shí)用性為目標(biāo)，以期建立STEAM教育理念下的機(jī)器人學(xué)課程教學(xué)體系及模式。具體擬從以下幾個(gè)方面對(duì)機(jī)器人學(xué)課程教學(xué)改革進(jìn)行探討。

2.1 構(gòu)建機(jī)器人學(xué)課程移動(dòng)泛在教學(xué)平臺(tái)

通過(guò)超星學(xué)習(xí)通、雨課堂、釘釘?shù)溶浖C(jī)器人學(xué)課程移動(dòng)泛在教學(xué)平臺(tái)，包括機(jī)器人學(xué)課程在線考勤、離線課程講解、在線課程講解與復(fù)習(xí)、課程討論、課件分享、課程題庫(kù)、在線預(yù)約、學(xué)生分組與自評(píng)等功能，可實(shí)現(xiàn)在手機(jī)或移動(dòng)端（平板等）的機(jī)器人學(xué)課程線上教學(xué)、翻轉(zhuǎn)教學(xué)、離線學(xué)習(xí)、分組討論與自評(píng)以及線上作業(yè)，在后疫情時(shí)代保障教學(xué)質(zhì)量的前提下，降低師生疫情傳播風(fēng)險(xiǎn)，也為教師和教育管理者提供更靈活、更安全的教學(xué)和管理方法。此外，該平臺(tái)也可滿足參與學(xué)生多元化的實(shí)際需求，達(dá)到個(gè)性化教學(xué)的目的。

2.2 探索以學(xué)生為中心的后疫情時(shí)代機(jī)器人學(xué)課程個(gè)性化教學(xué)、仿真實(shí)驗(yàn)與課程實(shí)踐融合

以不同專業(yè)學(xué)生需求為出發(fā)點(diǎn)，探索制定不同層次的機(jī)器人學(xué)課程教學(xué)內(nèi)容與策略及個(gè)性化教學(xué)評(píng)價(jià)方法。依托構(gòu)建的機(jī)器人學(xué)移動(dòng)泛在教學(xué)平臺(tái)，下發(fā)STEAM教育理念下的在線調(diào)查問(wèn)卷形式，結(jié)合學(xué)生自評(píng)，充分掌握機(jī)器人學(xué)課程的個(gè)性化學(xué)生需求，智能推薦滿足不同專業(yè)學(xué)生需求的教學(xué)模式、內(nèi)容、策略與評(píng)價(jià)方法，并進(jìn)行學(xué)習(xí)討論分組，便于機(jī)器人基礎(chǔ)知識(shí)、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與實(shí)驗(yàn)室實(shí)踐的學(xué)習(xí)、交流與安排;師生也可通過(guò)自主溝通，優(yōu)化相應(yīng)的機(jī)器人課程教學(xué)模式、內(nèi)容、策略與評(píng)價(jià)方法，更好地滿足學(xué)生個(gè)性化學(xué)習(xí)要求。同時(shí)以學(xué)生為中心，采用STEAM教育理念下的在線學(xué)習(xí)、翻轉(zhuǎn)教學(xué)、離線學(xué)習(xí)、分組討論與自評(píng)、線上作業(yè)等多種模式，實(shí)現(xiàn)學(xué)生對(duì)于機(jī)器人基礎(chǔ)知識(shí)的個(gè)性化教學(xué)，不同小組或在不同時(shí)間參與課程的同學(xué)課后作業(yè)布置不一樣，避免學(xué)生抄襲，提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力。基于MATLAB、ROS等仿真軟件搭建機(jī)器人虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并與電氣工程學(xué)院下屬的機(jī)器人感知與控制河南省工程實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有開(kāi)源機(jī)器人系統(tǒng)（如越疆教育機(jī)器人平臺(tái)、先鋒AGV、dSPACE等）實(shí)現(xiàn)軟硬件集成，為學(xué)生機(jī)器人課程的仿真實(shí)驗(yàn)與實(shí)驗(yàn)實(shí)踐提供平臺(tái);根據(jù)上述的學(xué)生學(xué)習(xí)討論分組情況，通過(guò)機(jī)器人學(xué)移動(dòng)泛在教學(xué)平臺(tái)的在線學(xué)習(xí)、分組討論與自評(píng)、在線預(yù)約功能，師生可更加合理規(guī)劃線下的機(jī)器人學(xué)課程仿真實(shí)驗(yàn)與實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)，在保障課程教學(xué)進(jìn)度的前提下，實(shí)現(xiàn)人員分批分流，降低疫情傳播風(fēng)險(xiǎn)，滿足不同學(xué)生實(shí)際需求，提升教師線下教學(xué)效率。最終實(shí)現(xiàn)以學(xué)生為中心的機(jī)器人學(xué)課程個(gè)性化教學(xué)、仿真實(shí)驗(yàn)與實(shí)驗(yàn)實(shí)踐融合發(fā)展，提升現(xiàn)有機(jī)器人學(xué)課程學(xué)習(xí)的多樣性、趣味性、參與學(xué)生的多元化，培養(yǎng)不同專業(yè)學(xué)生綜合素質(zhì)。

2.3 實(shí)踐STEAM教育理論下的機(jī)器人課程線上線下混合沉浸式教學(xué)

以構(gòu)建的機(jī)器人學(xué)移動(dòng)泛在教學(xué)平臺(tái)為基礎(chǔ)，基于4G/5G等互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)移動(dòng)泛在學(xué)習(xí)的高質(zhì)量學(xué)習(xí)資源（如高清音視頻圖像）的可靠傳輸，實(shí)踐后疫情時(shí)代機(jī)器人學(xué)課程線上線下混合教學(xué)，使學(xué)習(xí)空間（包括物理空間之間、物理空間與虛擬空間等）融合，促進(jìn)學(xué)生在正式/非正式情景中的自主學(xué)習(xí)、團(tuán)隊(duì)協(xié)作，無(wú)縫感知，使個(gè)體學(xué)習(xí)、協(xié)作學(xué)習(xí)、集體學(xué)習(xí)在虛實(shí)空間中隨時(shí)隨地發(fā)生，提供學(xué)生沉浸式泛在學(xué)習(xí)體驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地個(gè)性化學(xué)習(xí)，激發(fā)其學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)與動(dòng)手能力。

3 結(jié)語(yǔ)

后疫情時(shí)代背景下，機(jī)器人學(xué)課程作為新工科專業(yè)開(kāi)設(shè)的核心基礎(chǔ)課程面臨新挑戰(zhàn)。本文結(jié)合筆者的實(shí)際教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，以STEAM教學(xué)理念指導(dǎo)電氣工程學(xué)院的相關(guān)專業(yè)機(jī)器人學(xué)課程改革。通過(guò)分析機(jī)器人學(xué)教學(xué)存在的若干問(wèn)題，結(jié)合本院專業(yè)特色，構(gòu)建機(jī)器人學(xué)課程移動(dòng)泛在教學(xué)平臺(tái)，探索后疫情時(shí)代STEAM教育理念下的機(jī)器人課程教學(xué)內(nèi)容、手段與方法，實(shí)踐STEAM教育理念下的機(jī)器人課程線上線下混合沉浸式教學(xué)。通過(guò)此次機(jī)器人學(xué)教學(xué)改革探索，可提供學(xué)生沉浸式泛在學(xué)習(xí)體驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地個(gè)性化學(xué)習(xí)，提升機(jī)器人學(xué)課程學(xué)習(xí)的多樣性、趣味性、參與學(xué)生的多元化，培養(yǎng)不同專業(yè)學(xué)生的綜合素質(zhì)，降低教學(xué)中的疫情風(fēng)險(xiǎn)，以期提高后疫情時(shí)代新工科人才培養(yǎng)的質(zhì)量。

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中圖分類號(hào)：TP242.2-4;G642.4 DOI：10.16660/j.cnki.1674-098x.2107-5640-9452

通信作者：任海川（1984—），男，博士，副教授，研究方向?yàn)闄C(jī)器人設(shè)計(jì)及智能控制。E-mail：haichuan.ren@zzu.edu.cn。

作者簡(jiǎn)介：王東署（1973—），男，博士，副教授，研究方向?yàn)闄C(jī)器人智能控制 。

E-mail：wangdongshu@zzu.edu.cn 。

基金項(xiàng)目：河南省教研項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：2019SJGLX194）;國(guó)家自然基金青年項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：61803344）。