后疫情時代STEAM教育理念下的機器人學課程教學探索

任海川 王東署

摘要：在新冠疫情時起時伏、隨時都可能規模性爆發的后疫情時代，如何推行與實施新工科的高質量教學，是教學領域的巨大挑戰。教學上，新工科建設更加強調多學科的交叉、融合與實踐。針對新工科對機器人學課程的新要求，本文對機器人學課程教學進行了基于STEAM教育理念的教學探索。注重機器人學課程多學科交叉的教學特點，突出課程泛在學習與個性化學習緊密結合，降低教學中的疫情風險，以期提高后疫情時代新工科人才培養質量。

關鍵詞：后疫情時代 新工科 STEAM教育理念 機器人學 泛在教學 個性化學習

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

隨著國家“雙一流”大學建設、“新工科”建設工作的全面啟動，近3年來很多一流大學及高校高專紛紛成立機器人學院與機器人特色學科，培養高水平的機器人科技人才，滿足國家對于機器人專業創新人才的迫切需求。機器人學是一門集電氣、機械、自動化、計算機、數學、人工智能和工業設計等多學科交叉的綜合性課程，用于培養學生通過數學、物理、藝術等多基礎學科知識獨立解決機器人相關科學、技術與工程問題的能力。機器人學課程教學因其學科的交叉性、融合性和實踐操作性，被認為是融合STEAM（科學S、技術T、工程E、藝術A、數學M）教育的一條有效途徑，它幫助教師將科學過程、技術素養、工程實踐、藝術設計和數學素養置于學生理解的情境中，具有良好的教學研究與實踐價值。因此，在STEAM教育理念下重新審視大學的機器人學教學，已成為當下新工科教育改革的研究熱點。

2009年開始，美國麻省理工學院開設《認知機器人學》《機器人學導論》等課程，最先探索新型STEAM教育模式，其教學有著多種多樣形式，主要有課外實踐、實驗設計、競賽等[1-2]。日本、德國雖然起步比美國晚，但極其重視機器人產業化發展，結合自身實際，大學探索STEM教育，設立有機器人課程、機器人研究會以及教育協會，每年定期組織針對不同學齡學生開展的機器人教學與比賽，促進機器人教育的快速發展[3-4]。在“互聯網+”的背景下，很多國內學校都開設有機器人相關教學課程，對機器人教育有了一定的研究成果。如清華大學、哈爾濱工業大學、北京航天航空大學等高校將機器人教育與STEAM教育在教學目標、內容及評價等方面進行了融合探索，闡述了機器人教學與STEAM教育融合的必然性，但機器人學課程設置、教學模式、資源整合等方面仍存在很多難題與挑戰[5-6]，如機器人課程教學模式與內容相似，無法滿足不同專業學生需求，且限制了教師創造性思維，不能很好激發不同專業學生對機器人學課程的學習興趣;STEAM教育理念下機器人學課程移動式泛在學習與以學生為中心的個性化學習相融合的平臺與實踐嚴重缺失;特別是在新冠疫情時起時伏、隨時都可能規模性爆發的后疫情時代，對在大學如何開展STEAM教育理論下的機器人學教學改革與實踐，降低教學中的疫情風險，多方位提高機器人學教學質量與學生沉浸式泛在學習體驗，提出了嚴峻挑戰。本文將圍繞STEAM教育理念，結合筆者所在院系（電氣工程學院）專業實際情況，針對后疫情時代背景下的機器人學課程存在的問題進行分析，從教學模式、內容、手段等方面對機器人學課程改革與建設進行探索。

1 本院機器人學課程教學現狀分析

為詳細了解學生對機器人學課程的認識，筆者對本院已學過機器人學課程的相關學生（4個專業240余人）進行問卷調查。根據反饋的調查結果，主要存在以下問題。

1.1教學模式有缺點

機器人學課程教學一直沿用課堂教學講授為主的模式，偏重理論，學生多為被動學習。而機器人學課程本身知識體系龐雜，涉及多學科交叉，覆蓋機械、自動化、物理、數學、工業設計等多個領域知識。對于本院學生而言，平時課堂學習重點關注電學與控制科學相關，對機器人機構學等方面大都無實際經驗，難于理解。另一方面，在新冠疫情時起時伏、隨時都可能規模性爆發的后疫情時代，僅僅線下講授教材內容未能與時俱進，難以在降低師生疫情傳播風險的前提下，進一步提高教學質量。

1.2教學內容與實際應用有距離

本院機器人學課程除教學課時外無仿真實驗與課程實踐，教學內容單一，沒能與實際應用相結合，無法滿足不同專業學生（如本院相關專業）對機器人課程個性化教學、仿真實驗與課程實踐相融合的需求。學生上課積極性不高，對于課程內容學習不夠深入，大多流于表面。

1.3教學手段與后疫情時代新工科人才培養的迫切要求有差距

新冠疫情給新工科教育教學與人才培養帶來了巨大挑戰，急需采用4G/5G等先進互聯網技術，在后疫情時代實現機器人學課程的線上與線下混合教學融合，提供給學生沉浸式的泛在學習體驗，真正實現任意地點、任意時間的個性化學習，降低師生疫情傳播風險。而現有的教學手段與人才培養方法還不能很好地滿足后疫情時代新工科人才培養的要求，存在較大差距。

2 機器人學課程改革探索

針對上述后疫情時代背景下機器人學課程教學過程中存在的問題，筆者結合學校學院教學改革，以與所學專業良好結合，同時兼顧學生實際需求，提高課程的實用性為目標，以期建立STEAM教育理念下的機器人學課程教學體系及模式。具體擬從以下幾個方面對機器人學課程教學改革進行探討。

2.1 構建機器人學課程移動泛在教學平臺

通過超星學習通、雨課堂、釘釘等軟件建立機器人學課程移動泛在教學平臺，包括機器人學課程在線考勤、離線課程講解、在線課程講解與復習、課程討論、課件分享、課程題庫、在線預約、學生分組與自評等功能，可實現在手機或移動端（平板等）的機器人學課程線上教學、翻轉教學、離線學習、分組討論與自評以及線上作業，在后疫情時代保障教學質量的前提下，降低師生疫情傳播風險，也為教師和教育管理者提供更靈活、更安全的教學和管理方法。此外，該平臺也可滿足參與學生多元化的實際需求，達到個性化教學的目的。

2.2 探索以學生為中心的后疫情時代機器人學課程個性化教學、仿真實驗與課程實踐融合

以不同專業學生需求為出發點，探索制定不同層次的機器人學課程教學內容與策略及個性化教學評價方法。依托構建的機器人學移動泛在教學平臺，下發STEAM教育理念下的在線調查問卷形式，結合學生自評，充分掌握機器人學課程的個性化學生需求，智能推薦滿足不同專業學生需求的教學模式、內容、策略與評價方法，并進行學習討論分組，便于機器人基礎知識、虛擬仿真實驗與實驗室實踐的學習、交流與安排;師生也可通過自主溝通，優化相應的機器人課程教學模式、內容、策略與評價方法，更好地滿足學生個性化學習要求。同時以學生為中心，采用STEAM教育理念下的在線學習、翻轉教學、離線學習、分組討論與自評、線上作業等多種模式，實現學生對于機器人基礎知識的個性化教學，不同小組或在不同時間參與課程的同學課后作業布置不一樣，避免學生抄襲，提高學生自主學習能力。基于MATLAB、ROS等仿真軟件搭建機器人虛擬仿真實驗平臺，并與電氣工程學院下屬的機器人感知與控制河南省工程實驗室現有開源機器人系統（如越疆教育機器人平臺、先鋒AGV、dSPACE等）實現軟硬件集成，為學生機器人課程的仿真實驗與實驗實踐提供平臺;根據上述的學生學習討論分組情況，通過機器人學移動泛在教學平臺的在線學習、分組討論與自評、在線預約功能，師生可更加合理規劃線下的機器人學課程仿真實驗與實驗實踐教學，在保障課程教學進度的前提下，實現人員分批分流，降低疫情傳播風險，滿足不同學生實際需求，提升教師線下教學效率。最終實現以學生為中心的機器人學課程個性化教學、仿真實驗與實驗實踐融合發展，提升現有機器人學課程學習的多樣性、趣味性、參與學生的多元化，培養不同專業學生綜合素質。

2.3 實踐STEAM教育理論下的機器人課程線上線下混合沉浸式教學

以構建的機器人學移動泛在教學平臺為基礎，基于4G/5G等互聯網技術，可實現移動泛在學習的高質量學習資源（如高清音視頻圖像）的可靠傳輸，實踐后疫情時代機器人學課程線上線下混合教學，使學習空間（包括物理空間之間、物理空間與虛擬空間等）融合，促進學生在正式/非正式情景中的自主學習、團隊協作，無縫感知，使個體學習、協作學習、集體學習在虛實空間中隨時隨地發生，提供學生沉浸式泛在學習體驗，實現隨時隨地個性化學習，激發其學習興趣，培養學生自主學習與動手能力。

3 結語

后疫情時代背景下，機器人學課程作為新工科專業開設的核心基礎課程面臨新挑戰。本文結合筆者的實際教學經驗，以STEAM教學理念指導電氣工程學院的相關專業機器人學課程改革。通過分析機器人學教學存在的若干問題，結合本院專業特色，構建機器人學課程移動泛在教學平臺，探索后疫情時代STEAM教育理念下的機器人課程教學內容、手段與方法，實踐STEAM教育理念下的機器人課程線上線下混合沉浸式教學。通過此次機器人學教學改革探索，可提供學生沉浸式泛在學習體驗，實現隨時隨地個性化學習，提升機器人學課程學習的多樣性、趣味性、參與學生的多元化，培養不同專業學生的綜合素質，降低教學中的疫情風險，以期提高后疫情時代新工科人才培養的質量。

參考文獻

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中圖分類號：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，研究方向為機器人設計及智能控制。E-mail：haichuan.ren@zzu.edu.cn。

作者簡介：王東署（1973—），男，博士，副教授，研究方向為機器人智能控制 。

E-mail：wangdongshu@zzu.edu.cn 。

基金項目：河南省教研項目（項目編號：2019SJGLX194）;國家自然基金青年項目（項目編號：61803344）。