以學生為中心的機器人工程專業教學方法探索與實踐*

遲明路，錢曉艷，王元利，邢 倩，邱亞琴，任沁超

（1.河南工學院，河南 新鄉 453003；2.江蘇匯博機器人技術股份有限公司，江蘇 蘇州 215121）

1 背景分析

2018年6 月，在成都召開的“新時代全國高等學校本科教育工作會議”上，教育部部長陳寶生提出要把“水課”變成有深度、有難度、有挑戰度的“金課”。教育部《關于加快建設高水平本科教育全面提高人才培養能力的意見》明確指出，各高校要全面梳理各門課程的教學內容，淘汰“水課”、打造“金課”[1-3]。“金課”成了高等教育領域打造具備高階性、創新性和挑戰度的“金課”的初衷，也是全體教育工作者共同的使命。

高校實施教學時，應當以學生全面發展為宗旨，優化課程體系；以提升學生能力為導向，將高等教育從以教師的“以教為中心”轉變為“以學為中心”[4]，將教學從教師的“理論知識體系”傳授轉變為學生的“能力達成目標”實現。機器人工程專業是根據國際上學科發展動態、面向新一代機器人技術發展需求的新專業，主要由基本理論、專業理論和綜合理論三部分組成，綜合了社會科學、自然科學、工程科學和人文科學等方面知識，并具有生物醫學工程、電子工程、機械工程、控制科學與工程、計算機科學與工程、材料科學與工程、系統工程等多學科交叉融合的特點[5-6]。

2 教學現狀

隨著機器人工程專業建設的腳步逐漸加快，教學改革成果也逐年突出，然而，在教學改革實踐中亦發現了新的問題。1）由于機器人工程專業涉及學科交叉知識，具有較強的實踐性，涉及的知識內容綜合性較強，學生僅僅圍繞課本學到的知識有限，而采用傳統以教師為中心的課堂授課模式，容易忽視學生的個體差異[7]。2）采用傳統課堂授課形式進行講課，講師可以在較短時間內用“填鴨式”的方式向學生灌輸大量知識，長此以往，學生容易形成被動吸收知識的習慣，無法鍛煉主動學習的能力，而且被動學習知識的有效性與學生個體差異相關性較大，也容易忽視團隊合作能力的培養[8]。3）缺乏需求導向，學生與教師的互動交流僅限于課堂，學生僅能通過書本或教師的講授獲取知識，無法在校內了解機器人生產單位所需的實用技能，以及機器人生產、銷售和維護等方面的工作內容。4）教學所用教材從撰寫到出版使用需要一定的周期，這就造成了教材的滯后性，在目前日新月異的科技發展背景下，與當前的科技水平不對等。

因此，以學生為中心進行機器人工程專業教學方法的探索與實踐，通過先進的教學手段、教學模式改革和平臺建設等完善、優化機器人工程專業核心課程的教學方法，能夠將以教師為中心轉變為以學生為中心，以課堂教學講授為中心轉變為以學生主動學習為中心[9-10]。機器人產業需要工程應用型人才的推動才能健康、持續發展，這對高校的人才培養能力提出了較高的要求。應用線上線下混合式課堂教學模式，并融合啟發探究、小組合作等多種教學方法，最終達到人才有效培養的目標。通過以學生為中心的機器人工程專業教學方法探索與實踐的改革，提高學生的理論知識與實踐能力的結合，培養學生的創新意識、工程意識、就業能力、實踐能力，對建設應用型機器人工程專業人才、滿足工程教育要求和社會需要，具有十分重要的實際意義。

3 教學改革內容

3.1 在線課程建設與翻轉課堂教學設計研究

教學質量是課程的生命線，可以選擇合適的網絡教學平臺實現教學管理，可有效加強對教師教學的監督，提高課堂教學質量，同時也能夠量化對學生學業的考核。

1）課前準備。教師教學活動——課前準備階段，教師在課前應根據不同層次的學生情況設計適合的培養方案和教學目標，并根據教學大綱進行重難點問題的設定和知識點提煉，錄制課程微視頻，制作習題作業等內容。根據上次課的學生表現和作業情況，分析學生的易錯點和混淆點，準備課前資料。學生教學活動——課前學習，課前教學活動主要包括在線學習、與老師同學互動以及在線考核。在線考核主要目的是獲取學生預習情況，以基本難度試題為主，可以有效激發學生的學習興趣，樹立學習的自信心。教師和學生的課前教與學活動如圖1所示。

圖1 課前準備階段教師與學生的教學活動

2）課中強化。課中首先回顧上次課的知識點，并結合本次課知識點引出本次課的內容，根據課前學習測試情況，選擇錯誤率較高的問題，讓學生配合進行講解，突破重難點。然后，學生分組匯報任務完成情況，交流經驗和相互提問。教師負責總體控制，并與學生共同進行評價總結，點播重點問題，化解教學難點問題，互動過程如圖2所示。

圖2 課上互動強化

3）過程化教學評價體系改革。翻轉課堂的授課模式強調學生的過程化成績，因此，評價應針對學習過程的各個階段展開，應采用多元化的評價方式。將課前任務、課堂展示匯報、任務問答、課程實驗等過程性考核和期末考核結合，增加過程性考核的比重，注重學生平時表現和平時成績的獲取，在課前、課中和課后評價中完成學生的總體評價，過程化評價方式如圖3所示。

圖3 過程化評價方式

3.2 創新優化課程教學內容

以“機器人檢測技術與傳感器”課程為例，使用傳統授課方式存在教學內容重復和傳感器原理枯燥、乏味的問題，對課程教學內容進行優化。首先，以問題為主線，按照“傳感器原理是什么——如何使用傳感器——怎樣拓展應用”三方面對教學內容進行分類，分別對應“能力培養——能力強化——能力提高”三層次能力，教學設計隨教學內容而靈活分類，根據學生選擇結果進行分組教學，每組學生都有相應的重點，并進行相應的小組合作和討論，提供問題解決方法。之后，采用傳統授課+翻轉課堂授課的方式進行課程內容講授，傳統授課方式主要是教師對基礎知識進行講解。并引導學生利用線上資源進行主動學習，重要知識點采用翻轉課堂的授課模式。最終，形成“課前自學知識，課中內化知識，課后交流知識”的三段式學習形式。

3.3 科研動態與教學融合，提高學生的專業興趣和創新能力

將教師個人的科研課題融入到課堂教學之中，培養學生科研興趣，引導學生參與科研課題，提升學生的綜合素養。根據教師自身承擔和參與的課題及相關科研平臺的建設，追蹤最新機器人研究進展，以磁場、機械、電氣等多專業融合視角開展機器人結構設計、內部和外部傳感器以及機器人視覺的應用分析，使理論教學與工程實踐相結合。例如，目前國內外研究的主流醫療膠囊機器人大多采用外置磁場提供動力，具有微型化方便、可實現無限能量供給的特點，然而，目前的大多數機器人課程教材卻極少關注膠囊機器人的應用和研究，本項目組第一作者的研究方向即為磁控式微型膠囊機器人技術，并在膠囊機器人的創新機構設計與驅動方式上取得了一定的成績，發表相關SCI/EI論文6篇，申報及授權國家發明專利4項，可以針對上述研究內容培養學生的科研意識，提高學生的理論聯系實際的素養，增強學生對科研活動的興趣和創新素養，進而在教學過程中體現課程的高階性、創新性和挑戰度。最終使學生達到“我要學”和“主動學”的狀態。

3.4 注重企業參與，提升實踐教學體系發展

再好的教學模式也需要實踐來檢驗，企業參與是加強工程實踐的最佳途徑，通過與企業合作進行實習實訓，能夠有效完善實踐教學體系內容。學校能夠共享企業資源，聘請企業工程師、顧問到校培訓學生，同時，教師也可以進入企業，參與企業工程項目，鍛煉教師的工程問題解決能力。學生在企業進行短期培訓學習，企業安排學生在企業學習的各項教學任務，提供師資、場所和設備，使學生能夠近距離全方位地學習先進技術與企業文化、參與各種工程活動并培養工程職業素養。

4 建設實施方案

翻轉課堂教學模式下，需遵循“明確目的——開展教學活動——評價教學效果”的基本流程來進行教學活動設計。其中開展教學活動主要采用翻轉課堂教學理念，包括“課前準備——課中交流——課后反思”三段式過程。具體的翻轉課堂教學模式如圖4所示。

圖4 翻轉課堂教學模式

4.1 明確目的

2016年國家“十三五”規劃中，我國將機器人列為重點發展領域。更需要教師指導學生重點關注并學習與機械、電氣、算法、編程、圖像處理、機器人控制與應用的理論與工程實踐相關知識。

4.2 開展教學活動

明確學生的預期學習成果后，教師進行教學內容、教學方法和教學過程的規劃梳理，具體包括以下3個流程。

1）課前準備。學生在該階段主要對課堂內容進行熟悉，并記錄沒有理解或需要提問、提想法的部分，既可以通過在線交流的方式進行提問，也可以通過線下課堂的問答環節進行。對于重難知識點，教師通過在線練習或測試掌握學生學習動態，學生也可以通過這些測試來了解自身對該知識點掌握的準確性和完備性。

2）教師準備線上資源。教師在該階段需要做大量的教學內容與教學資源整理工作，需要提前錄制在線微視頻，上傳到網絡學習平臺中，使學生在課前學習課程相關知識點。

3）課堂交流。在上個階段，學生對一堂課的知識理解一般不夠全面，在部分重難知識點尚需深入學習。同時，教師可以通過學生的線上反饋或在線測試來總結學生的共性問題與個性問題，以便確定在課中知識交流階段需要重點準備的教學內容，從而提高課堂教學效果，如圖5所示。

圖5 學生上臺解答問題與教師總結共性問題現場圖

4）課后反思。課后，學生能夠針對課上未能理解的知識點，通過學習平臺中的視頻、PPT等在線資源再次重復學習，并完成教師布置的課后任務和下一次課中的展示任務，達到知識鞏固以及檢驗知識掌握程度的目的。對于沒有理解的部分可以在線上向同學以及教師進行提問。

4.3 評價教學效果

采用過程化考核對翻轉課堂教學模式進行評價。過程評價主要是對學生課前準備、課中交流與課后完善三個過程中知識點掌握程度、學習積極性、問題分析與解決能力、團隊合作與語言表達能力等方面的評價。評價應具有全面性，因此，評價不僅有教師評價，還應結合學習小組的組內與組間評價。此外，還需學生對教師進行評價與建議，即教師將收到學生就教學內容、教學方法以及課程考核方面的評價與建議。

5 結論

本項目以學生為中心理念的機器人工程專業課教學方法探索與實踐展開研究，通過教學實踐探索線上學習與課堂教學在學時分配方面的最佳方法，將科研課題與科研平臺融合到教學中，將單一知識講授式教學重點變為以學為主的翻轉課堂教學，引導學生參與科研項目，提升學生的創新能力素養。優化課程內容，并在課程授課過程中適當融合思政元素，實現教學內容的創新。形成線上線下混合教學課程有效的課程評價體系。