“機器人控制”課程實驗教學(xué)內(nèi)容改革與創(chuàng)新實驗項目設(shè)計

劉京銳+劉羽

【摘 要】改革傳統(tǒng)的以驗證性實驗內(nèi)容為主的實驗教學(xué)模式，逐步向綜合性、設(shè)計性、探究性和自主實踐性實驗轉(zhuǎn)變，建立創(chuàng)新性實踐教學(xué)平臺，使學(xué)生實驗技能得到全面有效的訓(xùn)練和提升，分階段、循序漸進(jìn)地培養(yǎng)理論聯(lián)系實際的動手能力，在不斷的實踐進(jìn)程中逐步建立創(chuàng)新意識，提高綜合能力和專業(yè)素質(zhì)，將工程設(shè)計理念和過程融入到相關(guān)課程的實踐教學(xué)中去，是探索硬件課程實驗教學(xué)改革與實踐方法的重要途徑。

【關(guān)鍵詞】機器人；實踐教學(xué)；教學(xué)改革；創(chuàng)新意識

一、引言

創(chuàng)新性實踐教學(xué)平臺是大學(xué)生工程教育和創(chuàng)新教育中將知識、技能、能力、素質(zhì)和創(chuàng)新融為一體的高層次的綜合性教學(xué)平臺。創(chuàng)新平臺多以機器人技術(shù)為主，因為機器人是一種典型地融合了材料、機械、電子以及計算機技術(shù)、傳感技術(shù)、可編程控制和人工智能等先進(jìn)技術(shù)的一體化系統(tǒng)[1]，是人類創(chuàng)新能力和創(chuàng)新成果的載體，是永無止境的研究課題，是目前世界各國高校和研究機構(gòu)進(jìn)行教學(xué)研究與工程訓(xùn)練的理想實驗平臺。因此，機器人教育為創(chuàng)新教育提供了廣闊的空間[2]?！皺C器人控制”課程是一門既體現(xiàn)了現(xiàn)代信息技術(shù)與機械傳動技術(shù)、軟件技術(shù)與硬件技術(shù)相結(jié)合，又可以使學(xué)生綜合運用知識和技能，得到跨學(xué)科綜合能力培養(yǎng)的實踐性選修課程，它既是計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)和通用技術(shù)相關(guān)課程的教學(xué)基地，也是機器人技術(shù)研究人才、面向中小學(xué)教學(xué)的師范生相關(guān)模塊課程與指導(dǎo)機器人設(shè)計競賽的培養(yǎng)基地，更是發(fā)揮每個學(xué)生特長和挖掘其潛能，培養(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)造型人才，并使學(xué)生在將理論付諸實踐的過程中構(gòu)建廣域的工科知識的實踐基地[3]。為了改變傳統(tǒng)的實驗教學(xué)模式和實踐方法，充分利用現(xiàn)有的實驗設(shè)備和實踐條件，進(jìn)一步加大培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)設(shè)計能力的力度，通過本?！啊畽C器人控制課程實驗教學(xué)內(nèi)容改革與創(chuàng)新實驗項目設(shè)計”實驗教學(xué)改革項目的研究與實施，在整合與精簡原有實驗項目和實驗內(nèi)容的基礎(chǔ)上，設(shè)計與設(shè)置面向不同層次學(xué)生需求的實驗項目和實驗內(nèi)容，增加綜合設(shè)計性實驗項目，增設(shè)創(chuàng)新性自主實踐項目，進(jìn)一步完善教學(xué)大綱、考核標(biāo)準(zhǔn)等課程資料，重新編寫實驗教學(xué)大綱、實驗指導(dǎo)手冊等實驗教學(xué)資料，并逐步探索適合本校學(xué)生特點的創(chuàng)新實驗教學(xué)規(guī)律及其可行性。

二、項目研究與實施情況

實踐性教學(xué)的核心任務(wù)是培養(yǎng)學(xué)生具有創(chuàng)造性思維和綜合實踐能力，根據(jù)“規(guī)范課程大綱，改革教學(xué)模式，加強實踐環(huán)節(jié)，加大自主力度”的探究思想，圍繞“以機器人教學(xué)和實驗技術(shù)為平臺，以提高學(xué)生實踐創(chuàng)新能力為主線，以培養(yǎng)社會需求的技術(shù)人才為目標(biāo)”的教育理念，重點突出實踐教學(xué)與能力培養(yǎng)相結(jié)合，科學(xué)新技術(shù)與工程實踐應(yīng)用相結(jié)合[4]，探索出通過實踐來培養(yǎng)與提高學(xué)生的四大能力（工程基礎(chǔ)知識、個人能力、人際團(tuán)隊能力和工程系統(tǒng)能力[5]）和創(chuàng)新意識、綜合素質(zhì)的新途徑。經(jīng)過深入研究和不斷摸索，該課程開始對以下幾個方面的實驗教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行逐步改革和初步嘗試，獲得一定的成效。

（一） 課堂教學(xué)方面

⑴重新修訂教學(xué)大綱：將相關(guān)硬件課程的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)資源進(jìn)行相互滲透與優(yōu)化整合，重新修訂并規(guī)范了教學(xué)大綱。通過在不同年級學(xué)生的不同實踐教學(xué)中進(jìn)行嘗試，從某種程度上講，豐富了學(xué)生的學(xué)習(xí)方法和實踐手段，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和設(shè)計能力，促進(jìn)了學(xué)生學(xué)習(xí)與實踐的自主性和主動性。

⑵調(diào)整或更新授課內(nèi)容：以機器人創(chuàng)新性實踐教學(xué)平臺為載體，結(jié)合不同專業(yè)、不同階段和不同層次的學(xué)生特點，自編了一套教學(xué)課件和一系列從入門遞進(jìn)到實踐的電子版實驗教材，并向?qū)W生提供相應(yīng)的課堂教學(xué)、工程訓(xùn)練和設(shè)計范例等閱讀材料與學(xué)習(xí)參考資料。

⑶ 以學(xué)生為中心的講授方式：除課堂講授之外，①利用多媒體教學(xué)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)資源或電子資料等形式，盡可能多地向?qū)W生提供背景材料和設(shè)計案例，以供學(xué)生根據(jù)需要隨時選用；②組織學(xué)生就某個主題進(jìn)行資料收集，分組討論并進(jìn)行點評；③建立學(xué)習(xí)和實驗小組，針對選定的選做實驗或課程設(shè)計主題，分別進(jìn)行資料閱讀、參考借鑒或自學(xué)相關(guān)知識，在付諸實踐的同時，開展組內(nèi)和組間探討活動，在互幫互學(xué)、團(tuán)結(jié)協(xié)作的氛圍下自行解答實際問題；④階段性地對共性問題進(jìn)行講解和演示；⑤鼓勵市場調(diào)研、成果借鑒等社會實踐活動，以添補知識、增長閱歷和積累經(jīng)驗，等等。

⑷注重交流與溝通：通過聊天、郵件、短信、微信、提問、答疑、質(zhì)疑、抽查和指導(dǎo)等形式，鼓勵和督促等手段，加強師生之間、學(xué)生之間的互動、交流和溝通，幫助學(xué)生解決實際問題，提倡獨立思考，敢于提出問題并尋求答案，為實踐教學(xué)開辟無紙化的第二課堂，使得能力較強的學(xué)生的創(chuàng)新潛能得以充分發(fā)揮，更好地發(fā)展其個性和特長[6]。

（二） 實驗教學(xué)方面

⑴新編實驗教學(xué)大綱：根據(jù)不同階段和層面的實驗與實踐要求，①指定了基礎(chǔ)訓(xùn)練性實驗項目及其選做實驗內(nèi)容，使學(xué)生既可以驗證和理解課程知識點和實驗?zāi)康?，又能夠掌握必需的實驗方法和實驗手段，同時具備一定的實驗技能；②增強了綜合設(shè)計性實驗及其選做實驗，使學(xué)生可以加強實驗技術(shù)和方法的合理綜合，實現(xiàn)實驗教學(xué)體系既具有基礎(chǔ)性、系統(tǒng)性，又具有層次性、遞進(jìn)性和交叉性，能夠融會貫通相關(guān)實驗、相關(guān)知識、相關(guān)課程之間的關(guān)聯(lián)和內(nèi)涵，進(jìn)而能夠完成綜合性的實驗設(shè)計，明確與形成一整套實驗過程和設(shè)計流程，同時在實驗過程中逐步積累實際經(jīng)驗；③加大了自主設(shè)計性實踐項目的設(shè)計要求和實施力度，為實現(xiàn)自己的構(gòu)想、個性化設(shè)計乃至創(chuàng)造、創(chuàng)新夯實基礎(chǔ)。

⑵整合與更新實驗教學(xué)內(nèi)容：為了滿足課程實驗需要，適應(yīng)不同層次和選課目的學(xué)生學(xué)習(xí)與實踐的實驗需求，本課程將所有實驗項目的教學(xué)內(nèi)容分為以下三個層面。

①基礎(chǔ)實驗項目：設(shè)置了2個單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計仿真實驗和16個選做實驗項目；6個基于單片機的機器人基礎(chǔ)訓(xùn)練性實驗，每個實驗又分別提供了4個選做實驗項目及其基本要求。針對這些簡單易上手、具有一定代表性、鍛煉基本實驗技能的基礎(chǔ)性實驗項目，在帶領(lǐng)學(xué)生演示完成若干個實驗的操作過程和掌握實驗方法的前提下，要求每名學(xué)生均能逐個獨立完成其他基礎(chǔ)實驗項目，并自主選擇性地完成指定數(shù)量的選做實驗。②綜合實驗項目：在綜合運用基礎(chǔ)實驗內(nèi)容的基礎(chǔ)上，設(shè)置了3個機器人綜合設(shè)計性實驗，在帶領(lǐng)學(xué)生演示完成其中1個實驗過程的前提下，要求每名學(xué)生在教師的全程指導(dǎo)下自主、獨立地完成其他兩個實驗項目；每個實驗也分別提供了4個選做性實驗項目及其基本要求，并要求每組學(xué)生自主選擇性地完成指定數(shù)量的選做實驗。③自主實踐性（創(chuàng)新性）實驗項目：在掌握了基礎(chǔ)實驗內(nèi)容和完成了綜合實驗項目的基礎(chǔ)上，在閱讀參考了所提供的設(shè)計實例的啟發(fā)引導(dǎo)下，每個實驗小組從給出的25個自主實踐項目參考題目（含基本設(shè)計要求）中任選1個作為課程設(shè)計題目，或根據(jù)個人興趣愛好自擬1個實踐題目及其設(shè)計內(nèi)容（與任課教師探討后認(rèn)可）。在提供良好的實踐環(huán)境和全開放的實驗條件及教師的全程指導(dǎo)下，要求每個實驗小組自主、獨立地完成課程設(shè)計。endprint

⑶新編實驗指導(dǎo)手冊（電子版），自行研制實驗教學(xué)裝置：由于實驗設(shè)備和配套軟件的更新?lián)Q代，原有的實驗指導(dǎo)和實驗教具已不能滿足目前的實驗需求。因此，針對該課程的所有指定實驗，以多個獨立電子文檔的方式，分別新編了相應(yīng)的實驗指導(dǎo)手冊，并搭建了若干個機器人實驗教具，以便于學(xué)生使用、查閱和參考；與此同時，利用學(xué)生科研項目和畢業(yè)設(shè)計由學(xué)生自主研制了一套機器人主控板（實驗教學(xué)裝置），并利用該主控板制作了一套可燃?xì)怏w報警滅火機器人（教具），目前該裝置正在進(jìn)一步改進(jìn)與完善中，準(zhǔn)備投入實際教學(xué)使用。

⑷豐富實驗方式和實踐手段：采用自主式、合作式、探究式和開放式的實驗方法，以教師為主導(dǎo)，以學(xué)生為主體，摸索建立一套“實驗過程階段化、實驗項目層次化、實驗內(nèi)容模塊化、實驗手段多元化”的實驗實訓(xùn)體系[7]?；A(chǔ)實驗以講解、演示和模仿為主，側(cè)重實驗方法的傳授和操作技能的訓(xùn)練；綜合實驗以實驗設(shè)計和經(jīng)驗積累為主，鼓勵學(xué)生帶著問題去獨立完成實驗并自行解決實際問題，強調(diào)所學(xué)知識之間的綜合性、關(guān)聯(lián)性及其融會貫通與靈活運用；自主實踐則強調(diào)綜合能力和創(chuàng)新意識的培養(yǎng)與提高，主要利用的是開放實驗室所提供的各種實驗條件和可用資源，在體現(xiàn)團(tuán)隊協(xié)作的實踐過程中，善于發(fā)現(xiàn)問題，勇于直面困難，敢于改造創(chuàng)新，營造良好的適合自身專業(yè)發(fā)展方向但不失個性表現(xiàn)的實踐環(huán)境。

（三）課程設(shè)計方面

在加強工程實踐教學(xué)環(huán)節(jié)和創(chuàng)造良好的實驗（實踐）環(huán)境的同時，在規(guī)范的教學(xué)大綱和實驗大綱的指導(dǎo)下，在基于開放性的實驗資源（包括場地、設(shè)備、材料、人員等）的支撐下，通過全開放的自主實踐性課程設(shè)計，使學(xué)生可以將理論上的或奇思遐想的或尚未實現(xiàn)有待改進(jìn)的合理設(shè)計融入到自己的設(shè)計作品中去，既了解了國內(nèi)外科技發(fā)展前沿，增長了見識，擴寬了知識面，又拓展了學(xué)習(xí)方法和實踐手段，提高了實驗設(shè)計能力，激發(fā)了改造創(chuàng)新熱情，從而達(dá)到培養(yǎng)和提高學(xué)生的現(xiàn)代專業(yè)技能、實際動手能力和多方位的適應(yīng)能力以及綜合素質(zhì)的實踐教學(xué)目的[8]。

（四）考試改革方面

考試作為教學(xué)評價的重要手段，對教師教學(xué)和學(xué)生學(xué)習(xí)具有重要的導(dǎo)向作用[9]。針對以技能訓(xùn)練和自主實踐為主的本課程，改變了傳統(tǒng)的理論課閉卷考試方式，制訂了綜合考評成績的課程考核標(biāo)準(zhǔn)：總成績由“平時成績+實驗和實踐情況+設(shè)計作品+課程總結(jié)報告”等成績構(gòu)成，加大了過程考核力度。其中，平時成績占總成績20%，包括出勤率和選做實驗成績等；實驗和實踐情況占總成績30%，包括實驗和實踐過程中的工作態(tài)度、參與情況、自主獨立性、小組合作性、組間互助性、現(xiàn)場抽查和質(zhì)疑情況、開放實驗和自主學(xué)習(xí)情況等；設(shè)計作品占總成績30%，包括課程設(shè)計總體設(shè)計方案、是否自擬題目及設(shè)計內(nèi)容的改造創(chuàng)新程度、硬件設(shè)計樣品實物演示（含視頻）、程序設(shè)計資料和個別小組答辯情況等；課程總結(jié)報告占總成績20%，包括以論文格式要求填寫的課程設(shè)計內(nèi)容的詳細(xì)說明和個人總結(jié)等。

（五）科研訓(xùn)練方面

為了延續(xù)學(xué)生的自主實踐過程，進(jìn)一步提高工程實踐能力，激發(fā)自主創(chuàng)新精神，以學(xué)生科研創(chuàng)新項目意愿和興趣愛好為契機，指導(dǎo)了大學(xué)生創(chuàng)新項目、實驗室開放基金項目、師范生實踐技能實訓(xùn)（專業(yè)實習(xí)）和本科生畢業(yè)設(shè)計（論文），組織和引導(dǎo)學(xué)生積極參加或參與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)、電子設(shè)計競賽、機器人設(shè)計大賽等多種形式的社會實踐活動，鍛煉和提升學(xué)生的科學(xué)研究能力，做到實驗教學(xué)與科研實踐相結(jié)合，專業(yè)知識學(xué)習(xí)與科研能力提升相統(tǒng)一[10]，使學(xué)生能夠?qū)⑺鶎W(xué)得的知識、所掌握的技能應(yīng)用于實際，進(jìn)行合理運用與充分發(fā)揮，取得了一些實踐效果和研究成果，同時極大地調(diào)動了低年級學(xué)生鉆研知識、深入探究、提高自身能力、參加和體驗科研經(jīng)歷的積極性與主動性。

三、結(jié)語

培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和綜合素質(zhì)的實用型專業(yè)人才，是新時期創(chuàng)新教育的首要任務(wù)，也對實踐教學(xué)提出了更高要求。為學(xué)生在校期間的各個階段安排科學(xué)的、合理的、充實的實踐內(nèi)容，設(shè)計適合學(xué)生特點的各項實踐活動，是我們重要的教學(xué)工作之一[11]?？偨Y(jié)近年來的實踐教學(xué)經(jīng)驗和體會，構(gòu)建創(chuàng)新實踐平臺，引進(jìn)創(chuàng)新評價機制，把學(xué)生的積極性、主動性、創(chuàng)造性充分發(fā)揮出來，從而使學(xué)生的創(chuàng)新精神和實踐能力培養(yǎng)的目標(biāo)真正能落到實處。

（首都師范大學(xué)信息工程學(xué)院，北京100048）

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本文研究項目屬首都師范大學(xué)2014-2016年實驗教改立項優(yōu)秀項目。

作者簡介：劉京銳（1967—），男，北京人，本科，高級實驗師，計算機應(yīng)用技術(shù)。endprint