創(chuàng)新能力培養(yǎng)視角下的“混合式”教學(xué)模式改革與實踐

邱麗梅，吳 龍

（1.三明學(xué)院 機電工程學(xué)院，福建 三明 365004；2.機械現(xiàn)代設(shè)計制造技術(shù)福建省高校工程研究中心，福建 三明 365004）

創(chuàng)新能力培養(yǎng)視角下的“混合式”教學(xué)模式改革與實踐

邱麗梅1，2，吳 龍1，2

（1.三明學(xué)院 機電工程學(xué)院，福建 三明 365004；2.機械現(xiàn)代設(shè)計制造技術(shù)福建省高校工程研究中心，福建 三明 365004）

響應(yīng)地方高?！芭囵B(yǎng)具有創(chuàng)新精神和實踐能力的高級應(yīng)用型人才”的號召，著眼于培養(yǎng)學(xué)生“創(chuàng)新實踐能力”，以《機器人技術(shù)》課程教學(xué)改革為例，顛覆了傳統(tǒng)的教學(xué)模式，提出了集“一線串珠”、“MOOC”、“項目式”等教學(xué)模式為一體的“混合式”教學(xué)新模式。 實踐表明，該模式抓住了教學(xué)主線，實現(xiàn)了理論結(jié)合實際，能適應(yīng)應(yīng)用型本科院校的教學(xué)，開創(chuàng)了具有自身特色的、實用的、靈活的大學(xué)課堂教學(xué)新模式，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)能力、實踐能力和創(chuàng)新能力。

一線串珠；MOOC；項目式；“混合式”教學(xué)模式

1 引 言

習(xí)近平主席曾說過：“機器人是 ‘制造業(yè)皇冠頂端的明珠’，其研發(fā)、制造、應(yīng)用是衡量一個國家科技創(chuàng)新和高端制造業(yè)水平的重要標(biāo)志?！睓C器人技術(shù)是近年來得到廣泛關(guān)注的研究領(lǐng)域，是集成了生物、機械、電子、計算機和人工智能等眾多領(lǐng)域的尖端科技[1]。 中 國 、日本 、韓國和 歐 盟等都 將 機器人 技 術(shù)列 入 國家科技發(fā)展規(guī)劃。 麻省理工學(xué)院、俄勒岡州立大學(xué)、清華大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、浙江大學(xué)等國內(nèi)外許多高等院校都已開展了機器人教學(xué)工作。 《機器人技術(shù)》課程在各高校中變得越來越普遍，如何結(jié)合機器人技術(shù)的發(fā)展搞好機器人的教學(xué)工作是許多機器人教育 工作者 關(guān) 心的問 題[2]。

在“工業(yè) 4.0”的國際大背景下，及在“中國制造 2025”的強國戰(zhàn)略和“大眾創(chuàng)業(yè)，萬眾創(chuàng)新”的號召下，三明學(xué)院作為地方本科院校響應(yīng)“培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和實踐能力的高級應(yīng)用型人才”的號召，著眼于培養(yǎng)學(xué)生“創(chuàng)新實踐能力”。 因此，《機器人技術(shù)》課程的教學(xué)目標(biāo)應(yīng)由傳統(tǒng)的傳授機器人系統(tǒng)基礎(chǔ)知識，發(fā)展為使學(xué)生在較短的時間內(nèi)掌握生產(chǎn)現(xiàn)場最需要的工業(yè)機器人的實際應(yīng)用技術(shù)，并培養(yǎng)學(xué)生綜合運用機電一體化、智能控制等多種技術(shù)，以及將學(xué)到的基礎(chǔ)理論和專業(yè)知識進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計能力培養(yǎng)的多重目標(biāo)。為此，本文針對《機器人技術(shù)》課程，以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力為目標(biāo)，提出了把“一線串珠式”、“MOOC”和“項目式”教學(xué)融為一體的“混合式”教學(xué)模式，如圖 1 所示，該模式抓住了教學(xué)主線，兼顧了課堂內(nèi)外，實現(xiàn)了理論結(jié)合實際，適應(yīng)了應(yīng)用型本科院校的教學(xué)，開創(chuàng)了具有自身特色的、實用的、靈活的大學(xué)課堂教學(xué)新模式，為培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和實踐能力的高級應(yīng)用型人才奠定了基礎(chǔ)。

圖1 課程教學(xué)新模式

2 培養(yǎng)創(chuàng)新能力的“混合式”教學(xué)新模式

《機器人技術(shù)》課程是集機械、檢測傳感、信息、控制和伺服驅(qū)動等技術(shù)一體的典型的高端的機電一體化綜合學(xué)科，其主要內(nèi)容包括了機器人概述、機械本體結(jié)構(gòu)、運動學(xué)、動力學(xué)、軌跡規(guī)劃、控制系統(tǒng)和編程等 7 個章節(jié)的內(nèi)容，教學(xué)過程融會貫通了《機械設(shè)計》、《單片機技術(shù)》、《傳感與檢測技術(shù)》、《控制原理》和《C 程序設(shè)計》等多門機械、電子、信息和軟件工程等相關(guān)專業(yè)的課程知識。該課程教學(xué)內(nèi)容豐富，但理論學(xué)時較少，因此，對教材進(jìn)行重組，針對不同章節(jié)的內(nèi)容特點，采用不同的教學(xué)模式，集“一線串珠”、“MOOC”、“項目式”教學(xué)模式于一體，如圖 1 所示，“概述”部分采用了“一線串珠式”教學(xué)；“機器人運動學(xué)”和“機器人動力學(xué)”部分采用“MOOC”教學(xué)；“機器人機械本體結(jié)構(gòu)”、“機器人軌跡規(guī)劃”、“機器人控制系統(tǒng)”和“機器人編程”4 部分相結(jié)合實施“項目式”教學(xué)。 從而形成了靈活的、具有自身特色與針對創(chuàng)新能力培養(yǎng)的新型“混合式”教學(xué)模式。

2.1 “一線串珠式”教學(xué)，抓住“教”與“學(xué)”主線

針對不太集中、相對分散的內(nèi)容，提出“一線串珠式”教學(xué)。 首先抓住“線”才能把零散的“珠”“串”起來。 這根“線”可以是教材的編寫思路，也可以是該課程的主要組成元素，也可以是一個實際的應(yīng)用問題。針對《機器人技術(shù)》這門課程，選擇貼近生活的“家務(wù)型機器人”、“搬運機器人”和山東大魯餐廳的“機器人服務(wù)員”等視頻，在激起學(xué)生學(xué)習(xí)積極性和興趣的同時，從視頻中引出“家務(wù)型機器人是如何完成端盤子動作的？”等相關(guān)的問題。如圖 2 所示，為了讓機器人端起盤子，由動力系統(tǒng)輸出能量（電能、液壓能、氣壓能等）給執(zhí)行元件系統(tǒng)（電機、液壓缸、氣壓缸等），由執(zhí)行元件輸出驅(qū)動力， 驅(qū)動機器人機械本體 （機身、臂部、手腕和手爪等）動作，運動位姿（運動學(xué)）是否到位，由傳感檢測系統(tǒng)檢測，把相應(yīng)的位姿變化參數(shù)反饋給機器人控制系統(tǒng)，并由其輸出相應(yīng)的控制信息（如軌跡規(guī)劃信息等），反饋給執(zhí)行元件，最終由其輸出合適的驅(qū)動力，讓機器人手爪（末端）端起盤子（動力學(xué)）。 通過對該問題的分析解答，把機器人“機械本體”、“運動學(xué)”、“動力學(xué)”、“軌跡規(guī)劃”、“控制系統(tǒng)”和“編程”等零散的“珠”都串在“完成端盤子動作”這條線上，從而實現(xiàn)了“一線串珠”，抓住了學(xué)習(xí)《機器人技術(shù)》課程的主線，也讓學(xué)生掌握了“夠用”的系統(tǒng)知識。

圖2 “一線串珠”式教學(xué)

圖3 “MOOC”式教學(xué)

2.2 采用“MOOC”教學(xué)，培養(yǎng)創(chuàng)新能力

“機器人運動學(xué)”是《機器人技術(shù)》課程的重點和難點章節(jié)，因為涉及了從各關(guān)節(jié)坐標(biāo)系的建立，到坐標(biāo)系之間的齊次坐標(biāo)變換，同學(xué)們普遍較難在課堂上掌握；“機器人動力學(xué)”方程的推導(dǎo)，也是較枯燥、較難的知識點。 這兩部分教學(xué)可采用“MOOC”的授課 方 式[3]，如 圖 3 所 示 ，課 前就 上 課 主 題 任 務(wù) （如 機 器人運動學(xué)和動力學(xué)等）、練習(xí)題和問題等布置給同學(xué)們，同時提供相應(yīng)的 MOOC 視頻，讓同學(xué)們分組進(jìn)行MOOC 學(xué)習(xí)， 及查閱相關(guān)文獻(xiàn)， 與教師進(jìn)行討論預(yù)講；課堂上，教師針對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行重點回顧，同學(xué)們進(jìn)行小組匯報，同時各小組之間進(jìn)行挑戰(zhàn)提問，最后由教師進(jìn)行課堂總結(jié)。對于此類既難又重要的研究型章節(jié)，采用 MOOC 教學(xué)模式，既能讓學(xué)生主動學(xué)習(xí)，在激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性的同時，又能培養(yǎng)其研究創(chuàng)新能力。

2.3 坐實“項目式”教學(xué)，提升學(xué)生創(chuàng)新能力

許 多 教 師 都 曾 用 過 “ 項 目 式 ” 教 學(xué)[4-5]， 但 項 目 的來源是該教學(xué)模式得以順利開展的根本所在。本文在實施過程中，從往屆優(yōu)秀的畢業(yè)設(shè)計、國家級及省級大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項目、及本校特有的開放實驗室創(chuàng)新項目中遴選合適的項目。這些機器人技術(shù)相關(guān)的項目都覆蓋了機械、電子、信息和軟件等綜合學(xué)科的知識，因此如何在有限的課堂時間內(nèi)順利地開展項目是“項目式”教學(xué)的瓶頸。本文提出先將項目分成機械結(jié)構(gòu)設(shè)計、控制電路設(shè)計、運行軌跡規(guī)劃、動作程序設(shè)計和驅(qū)動設(shè)計等若干個子項目，讓學(xué)生分組進(jìn)行，再把各組完成的子項目進(jìn)行融合，組成完整的機器人技術(shù)項目，引導(dǎo)學(xué)生在項目實施過程中多借鑒、多思考、多嘗試，從中培養(yǎng)和提升學(xué)生的動手能 力 、思 維 能 力 及 創(chuàng) 新 實 踐 能 力[6]，坐 實 了 “ 項 目 式 ”教學(xué)。項目教學(xué)法具體實施如圖4所示。

圖4 項目式教學(xué)

1.教師介紹項目背景，把項目分成若干子項目，分析得到子任務(wù)和總?cè)蝿?wù)，并分配給每組學(xué)生，學(xué)生根據(jù)任務(wù)，查閱資料，確定方案，最終完成各自任務(wù)；

2.學(xué)生在項目實施過程中不斷提出疑問，教師回答學(xué)生疑問，講解理論知識，不斷地引導(dǎo)學(xué)生思考更深層次的問題，教師在“引導(dǎo)—理論講解—答疑”的過程中，引出相關(guān)知識點，并理順各知識點之間的關(guān)聯(lián)性，便于幫助學(xué)生建立起各知識點的關(guān)聯(lián)，優(yōu)化方案，完善任務(wù)；

3.學(xué)生提交、展示設(shè)計成果，相互交流，在這過程中，教師就案例分析總結(jié)，再次提升理論；

4.引導(dǎo)學(xué)生把子項目整合成完整的機器人技術(shù)項目，并在往屆的基礎(chǔ)上進(jìn)一步改進(jìn)完善，凝練出優(yōu)秀的完整的機器人項目，作為來年國家級或省級的創(chuàng)新、創(chuàng)業(yè)項目的申報，并把其中實用性強的項目，進(jìn)一步升華成實用新型專利，落實創(chuàng)新。

3 教學(xué)效果比較

近 3 年來，針對《機器人技術(shù)》課程，實施了“混合式”教學(xué)新模式，并對各班的平均出勤率、課堂參與率、抄作業(yè)率、參賽人次率、考試作弊率和不及格率等做了相應(yīng)的統(tǒng)計分析。實踐表明，采用新模式教學(xué)后，出勤率、課堂參與率和參賽率大大提高，而抄作業(yè)率、考試作弊率和不及格率也相應(yīng)降低了，總體取得了較好的教學(xué)效果，教學(xué)模式實施前后的教學(xué)效果比較如表1所示。

表1 實施前后教學(xué)效果比較表

4 結(jié) 語

著眼于培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力，以《機器人技術(shù)》課程教學(xué)改革為例，挖掘教學(xué)細(xì)節(jié)，總結(jié)教學(xué)經(jīng)驗，形成了從內(nèi)容重組，到教學(xué)模式實施，到效果分析等一套完整的教學(xué)體系。針對不同特點的教學(xué)內(nèi)容，提出把“一線串珠式”、“MOOC”和“項目式”等教學(xué)模式，有機融為一體的新型“混合式”教學(xué)模式。 實踐表明，該模式不僅有利于教師捋清教學(xué)思路，提升自己；而且有利于幫助學(xué)生抓住學(xué)習(xí)主線，兼顧課堂內(nèi)外，提升理論，實現(xiàn)了創(chuàng)新能力的培養(yǎng)；并吻合了應(yīng)用型本科院校 “培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和實踐能力的高級應(yīng)用型人才”的培養(yǎng)宗旨。

[1]李延保.我國大學(xué)本科教育教學(xué)改革的新趨勢[J]，中國高教研究，2013（7）:19-22.

[2]李 永 安.我 國 大 學(xué) 課 堂 教 學(xué) 的 改 革 策 略[J].中 國 高 等 教 育 ，2013（5）:33-35.

[3]鐘曉流，宋述強，焦麗珍.信息化環(huán)境中 基于翻轉(zhuǎn)課堂理念的教學(xué)設(shè)計研究[J].開放教育研究，2013（11）：58-64.

[4]黃 亞 平．項 目 教 學(xué) 法 在 “軟件工程”教 學(xué) 中 的 理 論 和 實 踐[J]．浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報：社會科學(xué)版，2009（6）:226-231．

[5]周蕾．簡述“任務(wù)+項目”教學(xué)法[J]．考試周刊，2008（30）:167．

[6]曾明星，周清平，王曉 波 ，等 ，軟 件 工程專業(yè) “項 目 化”教 學(xué)實 施 體 系 的 構(gòu) 建 [J]. 實 驗 室 研 究 與 探 索 ，2013，32 （5）: 158-163.

責(zé)任編輯：胡德明

The Reform and Practice of"Mixed"Teaching Mode from the Perspective of Innovation Ability Cultivation

Qiu Limei1,2,Wu Long1,2
(1.School of Mechanical&Electrical Engineering,Sanming University,Sanming 365004,China; 2.Engineering Research Center of Modern Mechanical Design and Manufacturing Technology of Colleges and Universities in Fujian,Sanming 365004,China)

To respond to the call for cultivating advanced applied talents with innovative spirit and practical ability in local colleges and universities,and focus on training students'innovative and practical ability,the paper,taking Robot Technology teaching reform as an example,subverts the traditional teaching pattern,and puts forward a"mixed"teaching mode that combines"a string of beads","MOOC"and"project-based"teaching mode.Practice shows that the mode has captured the main line of teaching,realized the combination of theory with practice,and fit in with the teaching of applied undergraduate colleges and universities,created a new,practical and flexible mode of classroom teaching with its own characteristics, and stimulated students'learning ability,practical ability and innovative ability.

a string of beads;MOOC;project-based;"mixed"teaching mode

G642

：A

：1672-447X(2017）03-0108-04

2017-02-22

福建省本科高校教育教學(xué)改革研究項目（JZ160325）

邱麗梅（1981-），福建三明人，碩士，三明學(xué)院副教授，研究方向為機電一體化和模式識別；

吳龍（1973-），寧夏寧川人，博士，三明學(xué)院教授，研究方向為計算機輔助設(shè)計和計算機輔助工程等。