農(nóng)業(yè)機(jī)器人技術(shù)課程教學(xué)改革與實踐

摘要：農(nóng)業(yè)機(jī)器人技術(shù)課程是智能農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域的必修課，具有較強(qiáng)的綜合性和實踐性。闡述該課程教學(xué)現(xiàn)狀，分析教學(xué)過程中存在的問題，探索“賽教融合，科創(chuàng)融匯”的教學(xué)模式，展示課程改革實施以來取得的成果。該教學(xué)模式對培養(yǎng)學(xué)生在農(nóng)業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域的工程實踐能力和創(chuàng)新意識具有促進(jìn)作用，也為相關(guān)課程的改革提供了新思路。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)機(jī)器人技術(shù)； 教學(xué)改革； 學(xué)科競賽； 實踐能力； 課程思政

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-1161（2024）05-0138-03

農(nóng)業(yè)機(jī)器人技術(shù)課程是智能農(nóng)業(yè)工程專業(yè)的核心課程。通過該課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生將掌握農(nóng)業(yè)機(jī)器人技術(shù)的基本理論，包括機(jī)器人運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)和控制算法等基礎(chǔ)知識。同時，該課程還涵蓋農(nóng)業(yè)機(jī)器人的實際操作技能如機(jī)器人編程、傳感器應(yīng)用和機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計等[1-2]。這些知識和技能的掌握對學(xué)生工程實踐能力的提升具有重要作用，尤其是在農(nóng)業(yè)自動化和智能化領(lǐng)域。

學(xué)科競賽在培養(yǎng)大學(xué)生綜合創(chuàng)新能力方面具有常規(guī)教學(xué)難以比擬的獨(dú)特優(yōu)勢[3-5]。與農(nóng)業(yè)機(jī)器人技術(shù)課程關(guān)聯(lián)度較高的競賽主要有全國大學(xué)生工程實踐與創(chuàng)新能力大賽和全國大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計大賽等，均為省級以上教育主管部門聯(lián)合主辦的大學(xué)生競賽項目，旨在為大學(xué)生提供一個創(chuàng)新創(chuàng)意展示平臺，培養(yǎng)和鍛煉學(xué)生的工程實踐能力、創(chuàng)新精神和團(tuán)隊合作能力。競賽開設(shè)“興農(nóng)機(jī)械”賽道，從推進(jìn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的目標(biāo)出發(fā)，引導(dǎo)全國大學(xué)生關(guān)注農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)業(yè)科技，并參與農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化建設(shè)。

在新農(nóng)科建設(shè)需求和新工科發(fā)展背景下，農(nóng)業(yè)機(jī)器人技術(shù)課程的教學(xué)目標(biāo)與學(xué)科競賽的宗旨高度契合[6-7]。結(jié)合多年指導(dǎo)學(xué)生參加競賽的體會，嘗試將課程與競賽有機(jī)結(jié)合，開發(fā)教學(xué)資源，挖掘思政元素，通過改革達(dá)到“賽教融合，科創(chuàng)融匯”的目的，從而全面提升學(xué)生的工程實踐能力和創(chuàng)新意識，充分發(fā)揮課程的育人功能。

1教學(xué)現(xiàn)狀分析

農(nóng)業(yè)機(jī)器人技術(shù)課程涉及的知識面廣，實踐性和綜合性強(qiáng)。傳統(tǒng)教學(xué)模式形式單一、內(nèi)容陳舊，且受到實驗設(shè)備條件限制，使得課程在培養(yǎng)學(xué)生的理論與實踐結(jié)合能力方面存在缺失，導(dǎo)致學(xué)生的主觀能動性和創(chuàng)新思維能力受到限制，對課程的學(xué)習(xí)缺乏積極性和主動性，甚至有些厭學(xué)情緒[8-11]。從教學(xué)情況和結(jié)果反饋來看，傳統(tǒng)教學(xué)模式存在亟待解決的問題。

1.1理論與實踐脫節(jié)

實踐是知識建構(gòu)和探索創(chuàng)新的重要途徑。傳統(tǒng)教學(xué)過于側(cè)重理論知識的傳授，以實際工程問題為基礎(chǔ)的實踐內(nèi)容較少。例如，課堂上會講解農(nóng)業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)理論知識，但學(xué)生缺少機(jī)會進(jìn)行農(nóng)業(yè)機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計和編程以驗證這些理論，更沒有機(jī)會嘗試設(shè)計新的農(nóng)業(yè)機(jī)器人以應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)或解決現(xiàn)實中的農(nóng)業(yè)問題。

1.2教學(xué)方法單一

傳統(tǒng)教學(xué)方法以課堂講授為主，缺乏多樣化的教學(xué)手段和活動形式。這種單一的教學(xué)方式難以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性，也無法滿足不同學(xué)生的學(xué)習(xí)需求，導(dǎo)致教學(xué)效果不佳。例如，課堂上只能通過講解和演示來介紹農(nóng)業(yè)機(jī)器人控制理論的應(yīng)用，而學(xué)生缺少機(jī)會參與實際設(shè)計、制作和編程，這限制了學(xué)生對農(nóng)業(yè)機(jī)器人技術(shù)的深入理解和應(yīng)用能力培養(yǎng)。

1.3實驗設(shè)備更新滯后

實驗課是學(xué)生鞏固理論知識、培養(yǎng)動手能力的重要教學(xué)環(huán)節(jié)。農(nóng)業(yè)機(jī)器人技術(shù)發(fā)展迅速，傳統(tǒng)課本中的案例和實驗設(shè)備往往滯后于行業(yè)發(fā)展，無法及時更新跟進(jìn)。而且，現(xiàn)有的實驗設(shè)備運(yùn)行模式往往不可改動，其功能原理依靠上課教師口述講解，學(xué)生只能看到結(jié)果，這難以激發(fā)學(xué)生的探索和創(chuàng)新欲望，無法達(dá)到實驗課的真正目的。例如，課程仍在教授過時的傳感器技術(shù)，而忽略了如深度學(xué)習(xí)在農(nóng)業(yè)機(jī)器人視覺中的應(yīng)用等最新的感知技術(shù)。

2改革措施

針對上述問題，將學(xué)科競賽和教師的科研項目引入教學(xué)環(huán)節(jié)，形成“賽教融合，科創(chuàng)融匯”的教學(xué)模式，幫助學(xué)生更好地應(yīng)用所學(xué)知識，進(jìn)一步加深學(xué)生對學(xué)科的理解和認(rèn)知，提高課程的教學(xué)效果和教學(xué)質(zhì)量。同時，這也有利于選拔參加競賽的優(yōu)秀人才，為學(xué)生的未來職業(yè)發(fā)展和競爭力提升打下堅實的基礎(chǔ)。

2.1融入競賽考點，改進(jìn)教學(xué)方案

競賽題目來源于實際工程項目，參加競賽能讓學(xué)生接觸到實際的農(nóng)業(yè)工程問題。通過對競賽考點進(jìn)行深入分析，提煉出與課程目標(biāo)和學(xué)習(xí)要求相匹配的知識內(nèi)容。在制定教學(xué)方案時，根據(jù)人才培養(yǎng)計劃和新工科建設(shè)要求，將競賽考點和課程內(nèi)容相結(jié)合，融入課程教學(xué)大綱中，在理論環(huán)節(jié)確保學(xué)生能夠全面掌握課程所涉及的理論知識。同時，借鑒競賽項目的案例和經(jīng)驗，結(jié)合學(xué)生的實際學(xué)習(xí)情況，設(shè)計出更具挑戰(zhàn)性和實踐性的實驗課教學(xué)方案，實現(xiàn)理論與實踐相輔相成的教學(xué)方法，在實踐中進(jìn)一步提升理論學(xué)習(xí)效果，促進(jìn)學(xué)生全面發(fā)展。

2.2引入競賽模式，鼓勵項目式學(xué)習(xí)

將“興農(nóng)機(jī)械”項目引入實踐教學(xué)過程中，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和創(chuàng)造力，培養(yǎng)團(tuán)隊協(xié)作能力和解決問題能力。將競賽內(nèi)容融入實踐環(huán)節(jié)中，依托“大學(xué)生創(chuàng)新實驗室”等實踐平臺，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行項目式學(xué)習(xí)。項目采用競賽的基本框架，包括競賽的目標(biāo)、主題、時間線和評價標(biāo)準(zhǔn)等，確保與教學(xué)目標(biāo)緊密相連。學(xué)生需要在團(tuán)隊內(nèi)部分工合作，共同完成項目任務(wù)。教師在此過程中擔(dān)任指導(dǎo)者和促進(jìn)者的角色，幫助學(xué)生解決問題、提高技能。

2.3融入科研項目，延展實踐教學(xué)

在教學(xué)內(nèi)容中融入最新科研成果，能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新能力。結(jié)合教師的科研項目，開展機(jī)械臂智能抓取課題研究，針對課題組學(xué)生的興趣及研究方向，為每位學(xué)生定制化設(shè)計詳細(xì)的科研任務(wù)，使學(xué)生能夠迅速把握領(lǐng)域前沿動態(tài)，提高參與科研項目的積極性。以科研團(tuán)隊為依托，強(qiáng)化資源共享，可以提升教師培養(yǎng)學(xué)生的能力，同時提升學(xué)生的合作與創(chuàng)新素養(yǎng)，培養(yǎng)出素質(zhì)與能力全面發(fā)展的優(yōu)秀人才。

2.4融入思政元素，凸顯育德功能

思政教育是高等教育的重要組成部分，也是培養(yǎng)學(xué)生社會責(zé)任感和使命感的重要途徑。在農(nóng)業(yè)機(jī)器人技術(shù)課程中融入思政元素，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識到現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技對于提高糧食生產(chǎn)效率、保障國家糧食安全和推動鄉(xiāng)村振興的重要性，從而激發(fā)他們對實現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化和促進(jìn)社會發(fā)展的責(zé)任感和使命感。同時，強(qiáng)調(diào)愛國主義精神和社會主義核心價值觀，引導(dǎo)學(xué)生積極參與農(nóng)業(yè)創(chuàng)新和實踐，將所學(xué)知識應(yīng)用于實際，服務(wù)于國家和社會的發(fā)展。

3實踐效果

通過實施“賽教融合，科創(chuàng)融匯”的教學(xué)模式，充分激發(fā)了學(xué)生對農(nóng)業(yè)機(jī)器人的興趣，提升了學(xué)生在智能農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域的實踐能力和創(chuàng)新意識，提高了學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力，也提升了教師的教學(xué)能力和實踐指導(dǎo)能力。學(xué)生通過學(xué)習(xí)課程和參加課程的延展活動，利用課堂上學(xué)到的知識自行設(shè)計了白菜收獲機(jī)器人和物流搬運(yùn)機(jī)器人（如圖1所示）的抓取機(jī)構(gòu)、移動底盤和連接部件等，近幾年在工程實踐與創(chuàng)新能力大賽、全國大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計大賽和華北五省區(qū)機(jī)器人大賽等學(xué)科競賽中獲得決賽一等獎1 項、二等獎1項和省賽金獎1 項、一等獎1 項、二等獎6項（見表1）。

學(xué)校智能農(nóng)機(jī)裝備與技術(shù)團(tuán)隊牽頭，依托智能智造重點實驗室，研發(fā)出農(nóng)業(yè)機(jī)器人技術(shù)課程實驗裝置（如圖2所示），并編寫了配套的實驗指導(dǎo)教材。近幾年獲得國賽和省賽“優(yōu)秀指導(dǎo)教師”榮譽(yù)稱號3人次，獲得內(nèi)蒙古自治區(qū)教師教學(xué)創(chuàng)新大賽一等獎2 項，獲批內(nèi)蒙古民族大學(xué)新工科項目1項。

4結(jié)語

通過構(gòu)建“賽教融合，科創(chuàng)融匯”的教學(xué)模式，將農(nóng)業(yè)機(jī)器人技術(shù)課程與學(xué)科競賽有機(jī)結(jié)合，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升了學(xué)生的工程實踐能力和科研創(chuàng)新意識，更好地達(dá)成了教學(xué)目標(biāo)，促進(jìn)學(xué)生全面發(fā)展。這種教學(xué)模式符合新工科建設(shè)的要求，可為其他高校課程教學(xué)改革提供參考。