新工科理念下以“教-學-做-賽-產(chǎn)”為五位一體的機器人課程教學方法研究

沈長青 祁玉梅 嚴榮慧 石娟娟 黃偉國 朱忠奎

1.蘇州大學軌道交通學院 江蘇省蘇州市 215131 2.蘇州城市學院軌道交通工程系 江蘇省蘇州市 215104

隨著工業(yè)4.0時代的發(fā)展，人工智能正在迅速改變著人們的生活，如何搶抓戰(zhàn)略先機成為我國建設(shè)創(chuàng)新型國家和科技強國的關(guān)鍵之一，其中包含發(fā)展各種機器人技術(shù)。因此許多高校均開展了機器人方向的課程教學。

在新一輪科技與產(chǎn)業(yè)革命的背景之下，為了應(yīng)對新的機遇與挑戰(zhàn)，教育部于2017年2月提出了“新工科理念”，旨在培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力與工程實踐能力，使其成為創(chuàng)新型工程科技人才，具備引領(lǐng)新科技與新產(chǎn)業(yè)發(fā)展的能力。在此背景下，機器人課程教學也面臨著新的要求與挑戰(zhàn)。

1 教學現(xiàn)狀與新工科教育的矛盾

機器人課程涉及多學科交叉融合，知識面廣，實踐性與綜合性強，傳統(tǒng)的教學模式仍然是以老師圍繞某本教材講授為主，注重知識的灌輸而忽視自主學習，注重理論知識的學習而忽視工程能力的提升。枯燥的理論內(nèi)容往往導(dǎo)致學生的學習興趣低下，缺乏主動思考，學習效果不佳。且難以將理論知識與工程中的實踐問題相結(jié)合，課本知識與前沿知識相結(jié)合，無法培養(yǎng)學生的發(fā)散性思維，學生的自主學習能力、工程實踐能力以及創(chuàng)新能力無法得到提升，這均與新工科教育理念相違背。

2 教學改革

本文針對機器人課程教學分別從教學理念以及教學方法提出了改革措施，提出了以“學”為中心的教學理念，以“教-學-做-賽-產(chǎn)”為五位一體的教學方法，著重培養(yǎng)學生的工程實踐能力、自主學習與創(chuàng)新能力、解決問題和團結(jié)協(xié)作的能力，如圖1所示。

圖1 機器人教學改革措施示意圖

2.1 教學理念：變“教”為中心為“學”為中心

理念先行，實踐為基。完善的課程教學體系必須具備正確的教學理念。本文提出了變“教”為中心為“學”為中心的教學理念。此處的“教”包含兩層含義，既指教師亦指教授；“學”亦包含兩層含義，既指“學生”亦指學生的“自學”。應(yīng)將傳統(tǒng)課堂上教師占中心地位改為學生占中心地位，將傳統(tǒng)課堂上教師的講授為主變?yōu)閷W生的思考和自學為主，充分發(fā)揮學生的主體作用。鼓勵學生站上講臺，多思考，多提問，多回答，變傳統(tǒng)的講授式教學為互動式教學；變傳統(tǒng)的接受式學習為主動式學習。

2.2 教學方法：“教-學-做-賽-產(chǎn)”五位一體

圍繞學生的能力培養(yǎng)，本文提出了“教-學-做-賽-產(chǎn)”五位一體的教學方法。具體可從以下幾方面進行實施。

2.2.1 教

教主要是指教師關(guān)于理論知識的講授。由于該課程實踐性很強，實踐中遇到的問題教師不可能面面俱到，因此教為輔，講授的內(nèi)容僅為一些基本原理、常用的技術(shù)與方法。在教的過程中，教師應(yīng)時刻注意學生的中心地位，圍繞學生展開教學活動，包括如何提升學生的學習興趣和學習效果。可通過趣味性的“教”，如少一點冰冷的文字，多一點有趣的視頻，從而提升學生的學習興趣；可多開展小組討論，不斷拋出問題讓學生進行思考與探究，鼓勵學生主動參與至教學活動中，將傳統(tǒng)的講授式教學變?yōu)榛邮浇虒W，增強學習效果。此外，教師應(yīng)拓寬教授渠道，不僅僅是教師“教”，企業(yè)、行業(yè)專家的“教”也必不可少，應(yīng)多邀請企業(yè)、行業(yè)內(nèi)專家來學校開展講座，進一步拓寬學生的知識面，提升學生的學習興趣。

2.2.2 學

學主要是指學生的自主學習。由于該課程的特殊性，教師的講授僅僅為輔，學生的自主學習才是學好這門課程的關(guān)鍵。可從教師層面以及學生本人層面著手。教師可根據(jù)學生的個體差異，對不同學生布置不同的作業(yè)，例如有同學擅長硬件，可進行各模塊PCB的設(shè)計與繪制；有同學擅長軟件，可進行機器人的程序設(shè)計與編寫。鼓勵學生圍繞自己的作業(yè)自主查閱資料，然后想出解決辦法，培養(yǎng)學生的自主學習能力和解決問題的能力，將傳統(tǒng)的接受式學習變?yōu)橹鲃邮綄W習。此外應(yīng)鼓勵學生在借鑒別人所提出的解決辦法后尋找其他解決途徑，培養(yǎng)其發(fā)散式思維而非求同式思維，提升其創(chuàng)新能力。例如針對輪式機器人避障與路徑修正這一具體問題，鼓勵學生多角度尋求不同的解決方法，而非照搬別人的解決方案。如可運用光電開關(guān)和六軸陀螺儀等傳感器對機器人當前位置與姿態(tài)進行綜合分析，不斷補償誤差，使得機器人沿正確方向行進；也可運用灰度傳感器和激光傳感器組合成的循跡模塊，結(jié)合PID算法，在復(fù)雜道路環(huán)境下，不斷調(diào)整機器人行進速率與角度，使其行駛在正確方向等。鼓勵學生不斷探索，不斷改進方法，培養(yǎng)其創(chuàng)新性思維與能力。此外，學生本人也可課后主動搜集資料進行學習，現(xiàn)在網(wǎng)課等資料非常豐富，學生可根據(jù)自己的興趣進行自我學習，不斷充實自己。

2.2.3 做

做是指學生的動手實操。機器人課程是一門實踐性極強的課程，其課程的學習遠遠不止理論知識的學習，更重要的是動手實踐。任何理論的掌握均需要實踐進行檢驗。因此，在學完一模塊的理論知識后，學生應(yīng)動手實操，如機器人整體機械結(jié)構(gòu)的搭建、各模塊PCB的焊接以及程序的編寫與各項調(diào)試等，將記憶式的理論知識與體驗式的實踐操作相結(jié)合，以做帶學，以做促學，在做中發(fā)現(xiàn)問題并解決問題，從而促進學生知識的掌握，以及提升學生的自主學習能力和動手實踐能力。教師在此過程中主要起到指導(dǎo)的作用，檢驗學生做的情況，指出需要改進的方向，鼓勵學生進一步完善。

2.2.4 賽

賽是指參加各種機器人競賽，如中國機器人大賽、江蘇省大學生機器人大賽等。機器人競賽也是一種獲得體驗式實踐的重要渠道，也是檢驗學生所學知識的一種有效途徑。通常與前沿技術(shù)相結(jié)合，所解決的問題都可能是學生之前未接觸到的。每位學生各有所長，各司其職，每完成一個項目會大大提升他們的獲得感，從而提升學習興趣，增強學習動力。此外，通過參賽才能深刻認識到山外有山，人外有人，看到別人的參賽作品，從而發(fā)現(xiàn)自己的優(yōu)勢與不足。在這過程中也能結(jié)識到許多志同道合的朋友，大家互相間可彼此借鑒，互相學習，也是一種難得的學術(shù)交流機會。總體而言，通過參加競賽可進一步拓寬學生的知識領(lǐng)域，以賽帶學，以賽促學，進一步提升學生的創(chuàng)新能力、實踐能力、解決問題的能力和團結(jié)協(xié)作的能力。

2.2.5 產(chǎn)

產(chǎn)是指學生到企業(yè)進行實習實訓。校園里的機器人課程學習往往缺乏需求導(dǎo)向，講授與學習的知識僅局限于書本與課堂，常常與實際的工程問題和熱點話題相脫離[5]。企業(yè)實習是檢驗知識與加強實踐的有效方式，有利于學生緊跟行業(yè)的發(fā)展。在企業(yè)中，學生會遇到比學校項目更加實際更加復(fù)雜的問題，這些問題均需要他們自己想解決方案，充分鍛煉了他們的工程實踐能力和解決問題的能力。通過實習實訓學生可以增加工程經(jīng)驗，同時了解機器人相關(guān)企業(yè)所需要的實用技能，從而給自己指明需要努力的方向，為其就業(yè)打好基礎(chǔ)。

3 教學改革意義

本文所提出的教學改革措施對于學生以及老師而言既是機遇又是挑戰(zhàn)。

3.1 學生層面

本文所提出的教學理念和教學方法確定了學生在教學活動中的中心地位，通過趣味性的“教”能夠提高學生的學習興趣，自主性的“學”、“做”、“賽”和“產(chǎn)”能夠促進學生知識的掌握，提升學生的自學能力、工程實踐能力、解決問題的能力以及團結(jié)協(xié)作的能力。于學生而言，這是機遇，同時也是挑戰(zhàn)。因為整個教學過程均以學生的活動為中心，教師不再重復(fù)式地講授，而是需要學生自己去學，自己去做。因此這就要求學生能夠做到自覺學習、自主學習，有目標，有理想，能夠遇到問題迎難而上，能夠?qū)W會發(fā)現(xiàn)問題并解決問題，能夠?qū)W會與人交流與人合作，這都是學生步入社會所必須的技能。

3.2 教師層面

學生在“做”、“賽”和“產(chǎn)”中所遇到的問題都是教師課件中的寶貴案例，能夠幫助教師完善教學內(nèi)容，同時這也對教師提出了新的要求，要求教師能夠不斷加強自身的理論知識與實踐學習，及時了解最新的前沿知識，能夠?qū)⒔虒W內(nèi)容與實際工程問題和前沿知識相結(jié)合，引入具有代表性的新方法，才能為學生提供更優(yōu)質(zhì)的教學內(nèi)容，幫助學生解決實際問題，從而培養(yǎng)出新時代下企業(yè)所需求的創(chuàng)新型應(yīng)用型工程科技人才。

4 結(jié)語

針對機器人課程教學目前存在的問題，本文從教學理念和教學方法提出了改革。以學生為中心作為教學理念，以“教-學-做-賽-產(chǎn)”五位一體作為教學方法。以“教”和“學”為基礎(chǔ)手段，“做”為最終目標，“賽”和“產(chǎn)”為檢驗方式，在“做”中“教”和“學”，在“教”和“學”中“做”，以“賽”和“產(chǎn)”促進“教”與“學”。五者相輔相成，為提升學生的工程實踐能力、自主學習與創(chuàng)新能力以及解決問題的能力提供了一種有效途徑，有利于高校培養(yǎng)出新工科教育理念下企業(yè)所需要的創(chuàng)新型應(yīng)用型人才。