基于OBE的機器人綜合實訓教學模式改革與成效

張 輝，李積武，黃風立，楊培強

（嘉興學院a.機電工程學院；b.資產與實驗室管理處，浙江嘉興 314001）

0 引言

機器人專業人才在社會上很緊缺，為了培養適合地方產業發展急需的人才，我校機電類專業開設了機器人課程，旨在培養機器人方向的應用型人才［1-2］。機器人綜合實訓是一門提升學生機器人開發創新能力的實踐課程，傳統的實踐教學活動集中安排在3周內完成，主要學習慧魚機器人搭接和LLWin慧魚圖形化控制軟件編程，教學實訓內容固定僵化，學生多，學習興趣不高，被動完成任務，教學效果較差［3］。

OBE教育理念以成果導向進行課程內容設計，細化實訓目標，優化教學過程［4-5］。為提高教學質量，基于OBE教育理念開展了機器人綜合實訓教學模式改革，以能力和素質培養為成果導向，將課程內容設置在制作作品的預期目標之下，以興趣啟發學生異想天開、富于夢想，形成自主實踐的教育形式，改變評價方式，注重教學效果［6-7］。

1 改革目標

基于OBE的機器人綜合實訓教學模式改革目標是：以培養學生機器人開發能力、創新能力和綜合素質培養為成果導向，以制作創新的機器人作品為預期目標，構建“個性化創意、模塊化細分、彈性化時空、數字化管理、審核化評價、人性化環境”的新型教學模式，建設滿足學生進行機器人自主實踐的環境。學生以個性化創意為興趣制作機器人作品，通過參加學科競賽、申報科技項目、申請專利等取得學習成果，獲得學習成就感，達到熟練掌握機器人開發技術，具有“敢想敢做”的機器人開發和創新能力，具有機器人工程師的基本素質［8-10］。

2 教學模式

基于OBE的機器人綜合實訓教學模式改革，以學生“個性化創意”為興趣，對教學內容進行“模塊化細分”，建立“彈性化時空”自主實踐的學習形式，創建虛擬社區實現教學過程“數字化管理”，在“人性化環境”中自主制作創新的機器人作品，采用“用自己的尺子量自己”對學生的機器人作品進行“審核化評價”，最后用機器人作品參加學科競賽、申請科技項目、申請專利取得學習成果，獲得學習成就感。改革后教學模式的流程如圖1所示。

圖1 機器人綜合實訓教學模式的流程圖

2.1 “個性化創意”—激發學習興趣

機器人綜合實訓以個性化創意為興趣，鼓勵學生制作創新的機器人作品。個性化創意激發學生異想天開、富于夢想進行自主實踐，是學生進行實踐的內在動力。指導教師引導學生以省大學生機械設計（慧魚）競賽、省大學生機器人競賽和省大學生工程訓練競賽的主題為目標進行個性化創意，學生作品完成后即可參加校級、省級相關競賽；學生也可根據興趣進行個性化創意的非競賽類機器人作品制作，指導教師引導學生用個性化創意的機器人作品申報學生科技項目或專利。通過作品獲獎、申請科技項目和授權專利等學習成果增強學生的學習成就感，拓寬學生作品范圍，學生之間展開良性競爭，可以顯著提升作品的多樣性和質量。

2.2 “模塊化細分”—優選教學內容

機器人綜合實訓把教學內容進行模塊化細分，主要分為機器人結構設計與搭接、機器人控制系統設計與編程和機器人自主設計與制作等3個學習模塊，每個模塊細分為不同內容，見表1。

表1 機器人綜合實訓教學內容的模塊化細分

2.3 “彈性化時空”—靈活學習形式

彈性化時空是學習的時間和空間根據學生自主實踐需求充分開放，包括時間、軟硬件教學資源及所在空間的開放。學生駐實驗室的時間及實驗室依賴程度是培養應用型人才的重要標志，是教學資源配置優化程度的主要標志［9］。

（1）彈性化時間。把3周延長到學期末，分為集中實訓和分散訓練兩個階段，分散訓練階段學生在課余時間自由安排。

集中實訓時間3周，主要進行機器人結構設計與搭接、機器人控制系統設計與制作等訓練。要求學生組隊進行個性化創意后自主設計制作慧魚機器人，完成搭接、制作基于單片機的電路板、設計編制程序，實現預設功能。每個團隊成員搭接慧魚機器人的某一部件，每個團隊成員參與電路板制作、控制系統程序某一模塊制作和編程，最后組裝調試完成慧魚機器人作品的預設功能，集中實訓后進行考核。完成后參加學科競賽、申報科技項目、申請專利等。

分散訓練時間2個月，主要進行機器人自主設計與制作的訓練。要求學生組隊自由進行個性化創意設計制作創新機器人，通過3D打印機和數控機床等完成零部件加工并組裝機器人本體，然后完成控制系統設計和制作，最后整機調試實現創新機器人作品的預設功能，學期末進行考核。完成后參加學科競賽、申報科技項目、申請專利等。

（2）彈性化空間。機器人創新實驗室的軟硬件教學資源及空間對學生全天開放，學生刷卡自由進入機器人創新實驗室進行自主實踐。

彈性化時空的教學形式導致教學指導工作量大大增加，為了解決此問題，建立協會制和虛擬社區進行實時日常管理。機器人創新實驗室成立了大學生機器人創新協會，大學生機器人協會高年級學員負責機器人實驗室的日常管理和指導，指導教師會定期去實驗室指導或實時在虛擬社區進行答疑解惑。

2.4 “數字化管理”—創新管理方式

機器人綜合實訓不但注重創新作品，也注重過程監督，實訓過程采用數字化管理［11］。首先，創建一個基于QQ群的機器人綜合實訓虛擬社區，指導教師通過QQ群的作業模塊設置3個學習模塊，并發布每個模塊的實訓任務、實訓安排和考核要求等。其次，每個學生通過QQ群的各個學習模塊提交機器人設計圖紙、搭接照片、電路板設計圖、電路板照片、程序流程圖、編制程序、機器人照片及視頻等過程材料，這些材料將作為模塊考核內容；QQ群作為老師平時答疑及學生討論的虛擬社區，學生在QQ群的發言數量會被QQ群自動記為活躍度，活躍度作為評價平時成績的主要依據。通過QQ群提交的過程材料對每個學生都可見，即可互相參考，也可互相監督等，是一種客觀公開的管理方式。

2.5 “審核化評價”—用自己的尺子量自己

機器人綜合實訓的成績評定是根據團隊預期目標完成度采用審核化評價［12］，審核化評價減輕學生壓力，激發學生自主實踐的興趣。每個模塊的作品由團隊自主設定考核技術指標，指導教師根據“用自己的尺子量自己”進行審核化評價。

考核不僅對慧魚機器人和創新機器人作品進行評價，也強調過程評價。設置4個考核項目，平時成績主要是統計虛擬社區的活躍度進行客觀評價，其他3個考核項目成績根據團隊預設的指標完成度進行評價，見表2。綜合4個考核項目成績評定團隊成績，每個團隊成員成績相同，通過相同成績鞭策每個團隊成員都要努力為團隊貢獻，培養團隊合作精神和協作能力。

表2 考核指標、內容及成績權重

2.6 “人性化環境”—整合實訓資源

為配合改革，對現有機器人教育資源進行合理配置，以自主實踐為目標整合成機器人創新實驗室，建立了人性化環境［13-15］。機器人創新實驗室由機器人拆裝工坊和機器人創新工坊組成，安裝了門禁系統和監控系統，由學生自主管理，全天開放。機器人拆裝工坊有直角坐標機器人、圓柱坐標機器人、球坐標機器人、關節機器人等，如圖2所示。機器人創新工坊有3D打印機、數控機床、70套慧魚機器人，有3D打印材料、鋁板、鋁型材等機械加工耗材，還有舵機和單片機等電子元器件，供學生進行慧魚機器人和創新機器人設計搭接的日常活動等，學生機器人競賽活動如圖3所示。

圖2 機器人拆裝工坊

圖3 學生競賽活動現場

3 改革成效

（1）改革前后學生成績對比見表3，2019年比2018年學生的實訓成績明顯提高，2019年全部合格，優秀率也明顯提高。（2）改革前后學生的學習成果對比見表4，2019年比2018年的學生作品獲獎數量和級別明顯提高，其中獲得省學科競賽一等獎3項；學生作品申請到的學生科技項目數量明顯增多，其中省級項目3項，國家級項目2項；學生作品申請專利數量也明顯增多，學生設計的“智能打粉機器人”技術方案申請了4項發明專利。

表3 改革前后學生成績 %

表4 改革前后學習成果

實施了基于OBE的機器人綜合實訓教學模式改革后，學生成績明顯提高，作品獲獎、申請到科技項目、申請專利等學習成果數量也明顯增多，表明學生較熟練掌握了機器人開發技術以及基本的機器人開發和創新能力，具有機器人工程師的基本素質。

4 結語

基于OBE的機器人綜合實訓的教學模式改革，優化了教學過程，建立了完善的機器人開發自主實踐環境，收到了良好的實訓成效，提高了實訓質量，實現了改革目標。這種教學模式保障了學生駐實驗室的時間權和空間權，提高了學生對實驗室依賴程度，學生的學習態度實現從“要我學”到“我要學”的轉變。指導教師在實訓教學過程中，與學生結下良好感情，指導學生獲得學習成果的同時也取得了豐富的教研成果，形成了一種良性循環的積極氛圍。

·名人名言·

我不喜歡那種沒有實驗的枯燥的講課，因為歸根到底所有的科學進展都是從實驗開始的。

——奧斯特