《機器人技術(shù)》課程多元化混合教學(xué)模式的探究與實踐

戎新萍 徐海璐 季春天

南京工業(yè)大學(xué)浦江學(xué)院，江蘇 南京 211200

當(dāng)代科學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展，機器人產(chǎn)品已應(yīng)用在許多領(lǐng)域。機器人被譽為“制造業(yè)皇冠頂端的明珠”。2021 年12 月，工信部、國家發(fā)改委等8 個部門聯(lián)合印發(fā)《“十四五”智能制造發(fā)展規(guī)劃》，工信部、國家發(fā)改委等15 個部門聯(lián)合印發(fā)《“十四五”機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》等一系列相關(guān)規(guī)劃，將機器人產(chǎn)業(yè)作為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，并給予重點支持。機器人技術(shù)涉及多個學(xué)科相關(guān)知識，開展《機器人技術(shù)》課程有助于擴大學(xué)生的知識面，且對先前所學(xué)專業(yè)課和專業(yè)基礎(chǔ)課能進行綜合理解、應(yīng)用與消化，提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)、創(chuàng)新能力，培養(yǎng)具有多學(xué)科理論基礎(chǔ)和較強實踐能力的復(fù)合型人才，促進我國在機器人時代走向世界前列。

一、課程現(xiàn)狀分析

《機器人技術(shù)》課程是南京工業(yè)大學(xué)浦江學(xué)院機電學(xué)院所有專業(yè)學(xué)生的專業(yè)必修課，是一門理論與實踐都很強的應(yīng)用型課程，課程內(nèi)容有理論知識的講解和實驗環(huán)節(jié)。由于本校條件的限制，實驗環(huán)節(jié)需要借助其他學(xué)校的教學(xué)資源來完成，且由于實驗設(shè)備比較昂貴，多個學(xué)生只能共用一套實驗裝置，又由于時間限制，師生只能進行一些演示性實驗，很難全面開展和指導(dǎo)綜合型、創(chuàng)新型實驗。學(xué)生學(xué)習(xí)了枯燥的理論知識，再進行了簡單的演示性實驗，最后通過死記硬背來應(yīng)付考試。一些學(xué)生的自主學(xué)習(xí)性本來就較差，再經(jīng)過這么一個傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)過程，會大大降低對機器人課程學(xué)習(xí)的興趣，而且還會對該門課程貼上“無用”的標(biāo)簽，影響下一屆學(xué)生學(xué)習(xí)本門課程的狀態(tài)和興趣，老師的教學(xué)熱情也會大打折扣。如此以往，該門課程的教學(xué)效果差，質(zhì)量不佳。

面對落后的教學(xué)方法、枯燥繁多的理論知識、簡單無趣的驗證性實驗以及自主學(xué)習(xí)能力較弱的學(xué)生，對現(xiàn)有的教學(xué)模式進行改革與探索，采用多元化混合的教學(xué)方法滿足不同的教學(xué)要求，提高教學(xué)效果［1］。

二、多元化混合教學(xué)模式

（一）RobotStudio 虛擬仿真實驗

RobotStudio 是一款A(yù)BB 機器人的虛擬仿真軟件，集創(chuàng)建工作臺、程序編譯、仿真調(diào)試、二次開發(fā)等功能于一體，能夠模擬真實的工作環(huán)境。此款軟件里有ABB 任意系列的工業(yè)機器人庫，可以創(chuàng)建不同的機器人作業(yè)，其擁有與真實ABB 工業(yè)機器人大致相同的虛擬控制器和示教器。因此，利用此款軟件做虛擬仿真實驗時，給人一種身臨真實機器人作業(yè)現(xiàn)場中的感覺。虛擬仿真實驗代替?zhèn)鹘y(tǒng)的實物演示性實驗，一方面能解決實驗費用不足、時間緊張和場地限制的難題；另一方面還降低了實驗維護成本，減少了學(xué)生誤操作帶來嚴(yán)重后果的可能性［2-4］。

在虛擬仿真實驗中，學(xué)生可以有足夠的時間反復(fù)練習(xí)、糾正錯誤，既可以進行驗證性實驗，也可以進行創(chuàng)新型實驗。學(xué)生可自己選擇不同的組件、不同型號的機器人等設(shè)計不同的機器人作業(yè)場景，打破學(xué)生傳統(tǒng)的固定思維，理論應(yīng)用于實際，學(xué)習(xí)興趣也會被大大提升，而“興趣”是最好的老師。另外，虛擬仿真還可以促進“教育公平”的發(fā)展，每位學(xué)生都可以擁有相同的實驗設(shè)備，不會因為站得太遠(yuǎn)聽不清、看不見老師的實驗講解，也不會因為設(shè)備少、人多，而摸不到實驗設(shè)備。

（二）項目式教學(xué)

《機器人技術(shù)》課程是理論與實踐缺一不可的核心課程，傳統(tǒng)的教學(xué)模式由于理論周期時間較長，最后實踐時學(xué)生的理論知識都忘得差不多了，不能真正達到學(xué)以致用的目的。因此在教學(xué)過程中，將理論融于實踐，采用項目式教學(xué)模式可以突破傳統(tǒng)先理論、后實踐的固定模式，充分挖掘?qū)W生的動手、動腦能力，以及發(fā)現(xiàn)問題、分析問題并解決問題的能力，讓學(xué)生在具體項目實踐中“做中學(xué)”和“學(xué)中做”［5-6］。

根據(jù)人才的培養(yǎng)規(guī)律和生產(chǎn)實際出發(fā)，由易及難，設(shè)定了基礎(chǔ)型項目、綜合應(yīng)用型項目和創(chuàng)新型項目。基礎(chǔ)型項目有：創(chuàng)建基本工作站、創(chuàng)建用戶工具、創(chuàng)建機械裝置、離線編程、操縱虛擬控制器和示教器等。綜合應(yīng)用型項目有：汽車后擋風(fēng)玻璃自動涂膠系統(tǒng)，ABB 機器人自動焊接、搬運、碼垛系統(tǒng)。創(chuàng)新型項目有：基于PLC 的激光切割系統(tǒng)、基于視覺的自動分揀系統(tǒng)，或者自己設(shè)計。每個項目的內(nèi)容就是課程的知識點，將理論與實踐同時進行，并不是以往枯燥、繁雜理論知識的灌輸。基礎(chǔ)型項目就是讓學(xué)生學(xué)習(xí)該門課程的基礎(chǔ)知識；綜合應(yīng)用型項目旨在將理論知識應(yīng)用到工程實際，學(xué)以致用；創(chuàng)新型項目鼓勵學(xué)生大膽發(fā)揮想象，自由探索、自由審視、自由創(chuàng)造，從而提高學(xué)生的創(chuàng)新能力。

例如，在創(chuàng)建機器人基本工作站的過程中，向?qū)W生介紹機器人的組成及各個部分的作用。創(chuàng)建用戶工具的項目就是導(dǎo)入其他三維軟件繪制出來的工具三維模型，經(jīng)過相關(guān)操作將導(dǎo)入進來的工具能自動安裝到機器人的末端。在此項目中的授課過程中，教師可以向大家展示工件坐標(biāo)選擇不同對象時，末端執(zhí)行器的位姿可產(chǎn)生不同的效果，借此向?qū)W生形象地說明什么是大地坐標(biāo)、工件坐標(biāo)、工具坐標(biāo)、關(guān)節(jié)坐標(biāo)等各個坐標(biāo)系的定義和創(chuàng)建的必要性。在汽車擋風(fēng)玻璃自動涂膠系統(tǒng)和ABB 機器人自動搬運、碼垛系統(tǒng)的項目中，教師可以設(shè)置不同的參數(shù)向?qū)W生展示機器人末端運行速度以及末端執(zhí)行器的作用力受什么因素的影響，并分析影響效果從而一起推導(dǎo)出機器人的速度雅可比矩陣和力雅可比矩陣。

通過基礎(chǔ)性項目和綜合應(yīng)用型項目，將書面的二維知識轉(zhuǎn)變成視覺性很強的三維實物，形象鮮明，學(xué)生更加容易理解和接受。再經(jīng)過創(chuàng)新型項目的訓(xùn)練，能喚起學(xué)生對新思想、新事物的好奇心，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

（三）線上線下混合教學(xué)模式

《機器人技術(shù)》課程知識點繁多，而且學(xué)生的基礎(chǔ)知識掌握情況參差不齊，學(xué)習(xí)能力也不相同。因此，想做到面面具善有很大難度。線上課堂打破了傳統(tǒng)課堂時間和空間上的限制，而線下課堂面授能增強師生之間的情感，促進學(xué)生的學(xué)習(xí)動力，將兩種授課模式相互結(jié)合，取長補短，其效果相得益彰。

在線下授課之前，教師將本次課程的理論知識點以微課的形式放在網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺上，供學(xué)生提前預(yù)習(xí)、擴展知識。為了防止囫圇吞棗，設(shè)置了課前預(yù)習(xí)測試環(huán)節(jié)，測試題以判斷題、填空題、選擇題等客觀題的形式出現(xiàn)，這些題目從章節(jié)題庫中隨機抽取，防止相互抄襲。微課形式的線上課前預(yù)習(xí)能節(jié)省大量的理論授課時間，可用于更多的項目探索和豐富的教學(xué)活動中，努力創(chuàng)造輕松的課堂氛圍，讓學(xué)生在“學(xué)中玩”和“玩中學(xué)”。課后教師可在網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺上發(fā)布課后作業(yè)、課后討論，也可進行問題反饋、答疑，形成完整的教學(xué)閉環(huán)。線上線下混合教學(xué)使學(xué)生的學(xué)習(xí)過程多元化，不再單一、枯燥，學(xué)生的課堂參與感和體驗感爆棚，能有效提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

（四）翻轉(zhuǎn)課堂

翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)模式重構(gòu)學(xué)生的學(xué)習(xí)過程，是以“學(xué)生為主體，教師為導(dǎo)體”的原則進行，可加強學(xué)生自主學(xué)習(xí)和終生學(xué)習(xí)的意識［7］。學(xué)生隨機組隊，自擬項目名稱，并書寫項目申請書，答辯通過之后項目才成立。之后，小組內(nèi)部自行分配任務(wù)，學(xué)生可借助網(wǎng)絡(luò)和圖書館廣泛搜集資料，消化吸收，在遇到困難時，可相互討論解決，也可尋求教師的幫助。并定期向教師和其他組的學(xué)生匯報項目進度，分享所收獲的知識，教師和其他組的學(xué)生進行評定，給出總結(jié)和持續(xù)性的改進建議，幫助每位學(xué)生更加深入、系統(tǒng)性地理解所學(xué)的知識，這樣大家都能學(xué)到更多的知識，擴大了視野。最后，答辯通過的項目才能給予分?jǐn)?shù)。正所謂“授人以魚不如授人以漁”，通過課堂翻轉(zhuǎn)的教學(xué)模式，一方面教會學(xué)生如何自學(xué)、如何解決問題、如何為了成果搜集相關(guān)資料，強調(diào)“學(xué)研結(jié)合”。另一方面，提高學(xué)生項目管理的能力，分工協(xié)作、團隊合作以及與他人交流的能力。

（五）多方面考核

《機器人技術(shù)》課程傳統(tǒng)的考核方式為閉卷考試，總評成績包括平時成績的20%和實驗成績的20%，再加上期末考試成績的60%，平時成績包括考勤和課后作業(yè)，且課后作業(yè)的抄襲現(xiàn)象特別嚴(yán)重，完全不能體現(xiàn)學(xué)生平時的學(xué)習(xí)狀態(tài)。期末考試時，學(xué)生抱著題庫死記硬背，通過考試。

為了強調(diào)平時學(xué)習(xí)過程的重要性，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的好習(xí)慣，將該門課程的考核方式變成考查，取消閉卷考試，淡化理論知識的考核，加強學(xué)生的系統(tǒng)性學(xué)習(xí)能力和實操能力，總評成績變成平時成績的40%，加上翻轉(zhuǎn)課堂成績的30%，再加上虛擬仿真實驗成績的30%。平時成績包括考勤、課后作業(yè)、分組討論及階段性測試。翻轉(zhuǎn)課堂的成績由教師和其他組成員共同評定，再通過小組自評、互評后綜合給分，從而保證一定的公平性。虛擬仿真實驗成績通過學(xué)生實驗項目的完成情況和知識的理解程度進行給分，重視綜合素質(zhì)的培養(yǎng)。多方面考核側(cè)重于學(xué)生對知識點的理解、掌握及應(yīng)用的程度，建立了知識考核與能力考核并重的考核方式，比較公平、全面地反映出學(xué)生學(xué)習(xí)本門課程的綜合水平。

三、改革成效

該多元化混合的教學(xué)模式讓學(xué)生在上課之前認(rèn)真預(yù)習(xí)，然后在線下課堂上經(jīng)過項目式教學(xué)、翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)模式使得學(xué)生積極參與課堂活動，踴躍發(fā)言，積極討論，課后及時完成課后作業(yè)，和教師進行答疑和探討。經(jīng)過一學(xué)期的實踐，學(xué)生的總評成績及學(xué)習(xí)狀態(tài)都得到了有效提高，改革之前和改革之后學(xué)生期末成績的柱狀分布圖如圖1 所示。改革之前學(xué)生該門課程總評成績的不及格率為6%，沒有學(xué)生能達到優(yōu)秀等級，平均分為70 分左右。改革之后該門課程沒有學(xué)生考核不通過，大大提高了及格率，且優(yōu)秀率為12%，平均分比改革前足足提高了8 分。

圖1 改革前后學(xué)生期末成績百分比柱狀分布圖

除此之外，學(xué)生的創(chuàng)新思維、自信心得到有效開發(fā)和提升，能積極申報校級、省級大學(xué)生創(chuàng)新、創(chuàng)業(yè)項目，成功申報的項目數(shù)量也比改革之前增加了很多。

四、結(jié)語

為了提高《機器人技術(shù)》課程的教學(xué)質(zhì)量，將虛擬仿真實驗、項目式教學(xué)、線上線下混合教學(xué)、翻轉(zhuǎn)課堂等多種教學(xué)模式混合引入到該門課程的授課過程中，增加了課堂的趣味性和創(chuàng)新性，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、自主學(xué)習(xí)及動手動腦能力。學(xué)生可借助RobotStudio 虛擬仿真軟件發(fā)揮自己的想象力，搭建各種形式和各種功能的機器人工作站，然后編寫程序進行仿真作業(yè)，實現(xiàn)自己的預(yù)想，達到學(xué)以致用的目的。該多元化混合教學(xué)模式秉著“以學(xué)生為中心”的教學(xué)理念，明確了培養(yǎng)學(xué)生綜合素質(zhì)的教學(xué)目標(biāo)，理論與實踐相結(jié)合，將以往的灌輸式教育變成導(dǎo)向教育，教會學(xué)生如何去學(xué)習(xí)，提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)和終身學(xué)習(xí)的意識。該多元化混合教學(xué)模式經(jīng)過一學(xué)期的實踐之后，課堂的活躍度、學(xué)生的積極性都比改革之前明顯改善了許多，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣及動手、動腦能力顯著得到提高，總之取得了較好的教學(xué)效果。