新工科背景下“1+X”教學(xué)方法研究

摘 要：在新工科背景下，高等教育需要不斷創(chuàng)新教學(xué)方法，以適應(yīng)時(shí)代的發(fā)展和人才培養(yǎng)的需求。通過對智能機(jī)器人技術(shù)課程教學(xué)現(xiàn)狀的分析，詳細(xì)闡述基于“1+X”教學(xué)方法的具體實(shí)施步驟和對學(xué)生的影響，研究和探索該方法在課程教學(xué)實(shí)踐中對學(xué)生的理論知識、實(shí)踐能力、工程意識的成效。同時(shí)探討該方法對高等教育教學(xué)改革和創(chuàng)新的啟示，對于在新工科背景下開展高質(zhì)量教學(xué)具有一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：新工科；智能機(jī)器人技術(shù)；“1+X”教學(xué)方法；教學(xué)改革；探索實(shí)踐

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2096-000X（2024）29-0132-04

Abstract： In the context of new engineering， higher education needs to constantly innovate teaching methods to adapt to the development of the times and the needs of talent cultivation. By analyzing the current teaching situation of the course Intelligent Robot Technology， this paper elaborates in detail on the specific implementation steps of the "1+X" teaching method and its impact on students， and studies and explores the effectiveness of this method in improving students' theoretical knowledge， practical ability， and engineering awareness in course teaching practice. At the same time， the inspiration of this method for higher education teaching reform and innovation was explored， which has certain reference value for carrying out high-quality teaching in the context of new engineering.

Keywords： new engineering; Intelligent Robot Technology; "1+X" teaching method; teaching reform; exploring practice

基金項(xiàng)目：2019年度天津市一流課程建設(shè)項(xiàng)目“機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用”（6）；2022年度河北省研究生教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目“多維度思政融合的課程教學(xué)改革與實(shí)踐——以《機(jī)電和控制課程群》為例”（YJG2023022）；2021年度河北工業(yè)大學(xué)教育教學(xué)改革研究與實(shí)踐項(xiàng)目“特種機(jī)器人技術(shù)主動融入本科教學(xué)新型模式探索與實(shí)踐”（18）；2021年度河北工業(yè)大學(xué)校級教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目“融合課程思政的《工程圖學(xué)實(shí)踐》課程教學(xué)模式改革與探索”（17）

第一作者簡介：高春艷（1979-），女，漢族，河北衡水人，工學(xué)博士，副教授。研究方向?yàn)樘胤N機(jī)器人技術(shù)。

隨著科技的不斷發(fā)展和應(yīng)用，機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)成為了現(xiàn)代工業(yè)和服務(wù)業(yè)的重要組成部分。智能機(jī)器人技術(shù)課程的教學(xué)愈加重要，而在新工科背景下，教學(xué)方法的變革已經(jīng)成為了必要的舉措[1]。目前，我國高等工程教育領(lǐng)域的機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用規(guī)模龐大，但其質(zhì)量仍存在一定問題。主要體現(xiàn)在以下幾方面：學(xué)生整體能力不足，缺乏工程實(shí)踐能力和技術(shù)創(chuàng)新能力，難以滿足新經(jīng)濟(jì)發(fā)展對工程技術(shù)人才的需求。與此同時(shí)，中國作為全球最大的機(jī)器人應(yīng)用市場，機(jī)器人整機(jī)和關(guān)鍵零部件與國外同類產(chǎn)品性能差距明顯，急需培育大量能把握機(jī)器人研發(fā)、制造、應(yīng)用、維護(hù)及治理等的專業(yè)復(fù)合型人才。雖然國內(nèi)各高校開展了針對新工科專業(yè)的各種改革和探究，但大多局限于“校企合作”類組織形式上，而且多數(shù)未能進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容的整合[2-3]。大多數(shù)高校依然采用固定的課程教學(xué)方法，以課堂講授、實(shí)踐教學(xué)、閉卷考試為主，導(dǎo)致學(xué)生無法對學(xué)習(xí)形成有效持續(xù)推進(jìn)，對專業(yè)興趣日趨平淡[4-5]。

新工科教育注重跨學(xué)科融合、產(chǎn)教融合、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)，強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)具有綜合素質(zhì)和實(shí)踐能力的高素質(zhì)人才，因此，智能機(jī)器人技術(shù)的教學(xué)方法改革也必須與之相適應(yīng)。“1+X”教學(xué)方法是一種符合新工科教育理念的教學(xué)模式，它將學(xué)科核心課程和跨學(xué)科拓展課程有機(jī)結(jié)合，旨在促進(jìn)學(xué)生的跨學(xué)科思維和綜合能力的培養(yǎng)。本文以智能機(jī)器人技術(shù)課程為例，探討在新工科背景下“1+X”教學(xué)方法的研究與應(yīng)用，變革層次如圖1所示。

一 智能機(jī)器人技術(shù)課程教學(xué)現(xiàn)狀分析

在新工科背景下，智能機(jī)器人技術(shù)課程教學(xué)內(nèi)容涵蓋機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)、電子控制、人工智能等多個(gè)方面，旨在培養(yǎng)學(xué)生掌握機(jī)器人的基本理論、設(shè)計(jì)、制造、控制和應(yīng)用技術(shù)。在教學(xué)過程中普遍存在一些不足之處，具體如下。

（一） 課程目標(biāo)與內(nèi)容單一

智能機(jī)器人技術(shù)課程的目標(biāo)是為學(xué)生提供關(guān)于機(jī)器人和人工智能技術(shù)的基礎(chǔ)知識和實(shí)踐技能，以便學(xué)生能夠設(shè)計(jì)、制造、控制各種類型的智能機(jī)器人。新工科背景下機(jī)器人工程專業(yè)的課程需要緊密結(jié)合現(xiàn)實(shí)需求，對傳統(tǒng)機(jī)器人技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化和升級。課程內(nèi)容應(yīng)該涵蓋機(jī)器人視覺、人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)等新興技術(shù)，培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)，使其能夠勝任未來機(jī)器人領(lǐng)域的各種工作。盡管這門課程所涉及的內(nèi)容非常廣泛，包括機(jī)器人的構(gòu)成、運(yùn)動控制、感知技術(shù)、智能技術(shù)和應(yīng)用技術(shù)等方面，但是它的目標(biāo)并不是讓學(xué)生深入掌握每一個(gè)細(xì)節(jié)和技術(shù)，而是幫助他們獲得對機(jī)器人和人工智能技術(shù)的整體認(rèn)識和理解，以便能夠在今后的學(xué)習(xí)和實(shí)踐中更好地發(fā)展和應(yīng)用。同時(shí)，新工科背景下機(jī)器人工程專業(yè)的課程需要促進(jìn)跨學(xué)科融合，與其他學(xué)科進(jìn)行交叉合作。比如，與計(jì)算機(jī)科學(xué)、機(jī)械工程、材料科學(xué)等學(xué)科合作，進(jìn)行跨學(xué)科教學(xué)和研究，培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力。

（二） 教學(xué)模式與體系脫節(jié)

智能機(jī)器人技術(shù)是一個(gè)快速發(fā)展的領(lǐng)域，需要不斷更新和改進(jìn)教學(xué)模式和體系來適應(yīng)最新的技術(shù)發(fā)展，提高教學(xué)內(nèi)容的綜合性和行業(yè)實(shí)踐的聯(lián)系。當(dāng)前的教學(xué)模式和體系存在以下問題。

教學(xué)模式過于理論化。當(dāng)前智能機(jī)器人技術(shù)的教學(xué)過于側(cè)重于理論知識的傳授，而缺乏實(shí)際操作和應(yīng)用的培養(yǎng)。這種教學(xué)模式不能滿足實(shí)際的應(yīng)用需求，導(dǎo)致學(xué)生在實(shí)際操作中缺乏經(jīng)驗(yàn)和技能，智能機(jī)器人技術(shù)需要學(xué)生具備一定的實(shí)際操作技能，否則很難將理論知識轉(zhuǎn)化為實(shí)際應(yīng)用。

教學(xué)體系缺乏行業(yè)實(shí)踐。教學(xué)體系與行業(yè)實(shí)踐缺乏緊密的聯(lián)系，導(dǎo)致學(xué)生缺乏對行業(yè)的了解和認(rèn)識。智能機(jī)器人技術(shù)需要緊密結(jié)合行業(yè)實(shí)踐，讓學(xué)生深入了解實(shí)際的應(yīng)用場景和需求，才能夠更好地應(yīng)對未來的挑戰(zhàn)。通過課程設(shè)置和實(shí)踐環(huán)節(jié)，幫助學(xué)生了解行業(yè)發(fā)展動態(tài)和趨勢，提供各種實(shí)習(xí)和就業(yè)機(jī)會，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新和實(shí)踐能力，提高其職業(yè)競爭力。

（三） 理論與實(shí)踐跟隨度低

理論與實(shí)踐跟隨度低主要體現(xiàn)在教材更新不及時(shí)、實(shí)踐條件不足與課程設(shè)置缺乏針對性三個(gè)方面。由于很多學(xué)校或機(jī)構(gòu)沒有足夠的資金和資源來為學(xué)生提供足夠的實(shí)踐機(jī)會，導(dǎo)致課程實(shí)踐與實(shí)際應(yīng)用脫節(jié)，所以學(xué)校或機(jī)構(gòu)可以通過與企業(yè)合作、申請科研項(xiàng)目等方式來提供更多的實(shí)踐機(jī)會。其次，智能機(jī)器人技術(shù)課程的設(shè)置往往比較寬泛，缺乏針對性，難以滿足不同學(xué)生的需求。學(xué)校或機(jī)構(gòu)可以根據(jù)學(xué)生需求和興趣設(shè)置不同層次、不同方向的課程，提供更加個(gè)性化和專業(yè)化的教學(xué)內(nèi)容。同時(shí)，學(xué)校或機(jī)構(gòu)還可以通過與企業(yè)合作，提供實(shí)踐機(jī)會，讓學(xué)生更好地了解實(shí)際應(yīng)用需求。

二 融合“1+X”教學(xué)方法的智能機(jī)器人技術(shù)課程改革策略

針對智能機(jī)器人技術(shù)課程的教學(xué)改革，我們可以考慮采用融合“1+X”教學(xué)方法的策略。這種教學(xué)方法將傳統(tǒng)課堂教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合，可以更好地培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)。具體而言，我們可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行改革。

（一） 融合理論與實(shí)踐教學(xué)，直擊過程“關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)”

在傳統(tǒng)的教學(xué)模式中，理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)往往是分離的。然而，在智能機(jī)器人技術(shù)這門課程中，理論知識和實(shí)踐操作是密不可分的。因此，在課程設(shè)計(jì)中，我們應(yīng)該將理論知識和實(shí)踐操作相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐的融合。

對于學(xué)習(xí)及教育的目標(biāo)，不同方面的看法與期望往往差距巨大：教師關(guān)心知識、學(xué)生關(guān)心畢業(yè)、學(xué)校關(guān)注排名和社會希望公眾素質(zhì)提高，產(chǎn)業(yè)界則希望畢業(yè)生從校門到企業(yè)實(shí)現(xiàn)零差距，但是這些期望的核心均指向了“能力培養(yǎng)”。高校工程教育的關(guān)注焦點(diǎn)應(yīng)逐漸轉(zhuǎn)移到學(xué)生與產(chǎn)業(yè)界的密切結(jié)合上，以確保畢業(yè)生能夠滿足職業(yè)需求，成為具備創(chuàng)新能力的合格工程師。綜合分析各方面期望，其共性目標(biāo)在于提升學(xué)生的綜合能力。若能通過碩士研究生階段教學(xué)切實(shí)打通“應(yīng)用”這一關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，必將會從不同對應(yīng)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)需求適應(yīng)，使學(xué)生成長為有創(chuàng)新力的合格工程師，對標(biāo)工程應(yīng)用能力培養(yǎng)目標(biāo)，整合課程及項(xiàng)目設(shè)計(jì)、實(shí)踐等內(nèi)容，著力打通從理論知識到工程實(shí)踐的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

具體而言，我們可以采用如下措施，可以讓學(xué)生更好地掌握知識，提高實(shí)踐能力。

結(jié)合機(jī)器人的構(gòu)成、工作原理、控制技術(shù)等理論知識，使學(xué)生在實(shí)際操作機(jī)器人時(shí)更好地理解其原理和技術(shù)。

邀請相關(guān)企業(yè)或機(jī)構(gòu)的專業(yè)人士來課堂上分享實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，讓學(xué)生了解行業(yè)動態(tài)和機(jī)器人技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，以激發(fā)學(xué)生對學(xué)習(xí)的興趣。

（二） 引入“1+X”教學(xué)方法，探索開放性項(xiàng)目制教學(xué)

“1+X”教學(xué)方法是指，在傳授基礎(chǔ)知識點(diǎn)的同時(shí)，再加上多個(gè)擴(kuò)展知識點(diǎn)的教學(xué)方法。在智能機(jī)器人技術(shù)這門課程中，我們可以采用這種方法，來讓學(xué)生更全面地了解機(jī)器人技術(shù)。

縱觀當(dāng)今社會對碩士人才的需求，不僅包含對學(xué)生理解及推理能力、工程模型構(gòu)建能力、實(shí)驗(yàn)及分析能力、不同技術(shù)方案篩選能力和對不同工程應(yīng)用的適應(yīng)能力等諸方面要求，更深層次的是學(xué)生主動獲取專業(yè)知識的能力，以及與他人交流專業(yè)知識的能力。核心是應(yīng)用與交流，基礎(chǔ)是專業(yè)技能。因此，依托科研及工程分解出相應(yīng)單元，設(shè)置機(jī)器人創(chuàng)新項(xiàng)目，以設(shè)計(jì)拉動加工理論學(xué)習(xí)，以系統(tǒng)調(diào)試?yán)瓌恿W(xué)分析及仿真，通過項(xiàng)目實(shí)施和教學(xué)引導(dǎo)，全面覆蓋培養(yǎng)要求的所有能力，如圖2所示。其中開展各類專題講座，例如“機(jī)器人智能控制”“機(jī)器人多感知技術(shù)”“機(jī)器人設(shè)計(jì)與開發(fā)”等，結(jié)合“齊次變換與運(yùn)動學(xué)建模實(shí)驗(yàn)”“機(jī)器人位姿測量與計(jì)算實(shí)驗(yàn)”“機(jī)器人運(yùn)動規(guī)劃仿真實(shí)驗(yàn)”等實(shí)驗(yàn)，開展學(xué)生的學(xué)習(xí)方法、實(shí)驗(yàn)方法與創(chuàng)新方法的交流學(xué)習(xí)。同時(shí)，通過在工業(yè)設(shè)計(jì)及機(jī)械電子工程專業(yè)近三個(gè)學(xué)期的試點(diǎn)應(yīng)用，學(xué)生進(jìn)入特種機(jī)器人實(shí)踐短期工作后均有顯著成果產(chǎn)出。例如，對于智能機(jī)器人技術(shù)可以加上多個(gè)擴(kuò)展知識點(diǎn)，例如，機(jī)器人運(yùn)動學(xué)與動力學(xué)、機(jī)器人控制、機(jī)器人感知、機(jī)器人運(yùn)動規(guī)劃等等。這樣做的好處是能夠讓學(xué)生更全面地了解智能機(jī)器人技術(shù)的各個(gè)方面，而不僅僅是局限于某一方面的基礎(chǔ)知識。

（三） 建立包容性體系架構(gòu)，鼓勵(lì)學(xué)生自主個(gè)性“X”

教學(xué)團(tuán)隊(duì)為碩士研究生提供彈性包容的知識模塊教學(xué)，鼓勵(lì)學(xué)生根據(jù)興趣探索個(gè)人的“X”項(xiàng)技能技巧。通過理論與實(shí)踐、課堂與現(xiàn)場的相互結(jié)合，為智能多元化的學(xué)生群體創(chuàng)造出彈性適應(yīng)的學(xué)習(xí)情境。將課程定位在專業(yè)知識、專業(yè)技能、專業(yè)能力上，團(tuán)隊(duì)教師作為各項(xiàng)教學(xué)活動的組織者與協(xié)調(diào)者，通過將工程應(yīng)用滲透到教學(xué)內(nèi)容中，可以實(shí)現(xiàn)知識信息的快速拓展，并且構(gòu)建立體的知識結(jié)構(gòu)。同時(shí)，傳統(tǒng)的教學(xué)評價(jià)方式往往以考試和作業(yè)為主，忽略了學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。在智能機(jī)器人技術(shù)這門課程中，應(yīng)該采用多元化的評價(jià)方式，全面考察學(xué)生的能力。

例如，可以采用如下評價(jià)方式。

設(shè)計(jì)和完成機(jī)器人項(xiàng)目，評估學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。

考察學(xué)生的編程能力，例如通過編寫機(jī)器人程序的方式進(jìn)行評價(jià)。

采用小組討論、報(bào)告、演示等方式進(jìn)行評價(jià)，考察學(xué)生的表達(dá)能力和團(tuán)隊(duì)合作能力。

方法實(shí)施過程通過鼓勵(lì)并引導(dǎo)學(xué)生帶著自己的思考、靈感、知識與經(jīng)驗(yàn)參與到教學(xué)活動之中，并積極尋求個(gè)人成長，找到自己的附加“X”要素，如圖3所示。在前期試點(diǎn)應(yīng)用中，同學(xué)分化出的學(xué)習(xí)目標(biāo)包括工程測試方法與技術(shù)、傳感器技術(shù)及分析、工業(yè)控制理論及實(shí)施和質(zhì)量管理及控制等。通過對機(jī)器人工程專業(yè)方案的頂層設(shè)計(jì)，抓住一條主線，即基礎(chǔ)理論教學(xué)，通過基礎(chǔ)知識、專業(yè)基礎(chǔ)知識學(xué)習(xí)打牢基礎(chǔ)理論；X主線即進(jìn)行全面、深入、系統(tǒng)化的移動機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)，采用一貫制的新模式來推動實(shí)踐教學(xué)和培養(yǎng)創(chuàng)新能力。通過融合“1+X”的課程體系架構(gòu)，打通理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，構(gòu)建課程教學(xué)新模式。

三 結(jié)束語

在新工科背景下，高等教育需要不斷創(chuàng)新教學(xué)方法，以適應(yīng)時(shí)代的發(fā)展和人才培養(yǎng)的需求。以智能機(jī)器人技術(shù)課程為例，探索了基于“1+X”教學(xué)方法的課程研究。在此基礎(chǔ)上，打通理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，借助智能機(jī)器人技術(shù)課程，采用多元化的評價(jià)方式，全面考察學(xué)生的能力，構(gòu)建融合“1+X”教學(xué)方法的項(xiàng)目教學(xué)系統(tǒng)，逐步持續(xù)強(qiáng)化學(xué)生的工程意識，更好地提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效果，培養(yǎng)更多的機(jī)器人技術(shù)人才。

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