新工科課程教學(xué)研究與實(shí)踐

在新工科教學(xué)體系改革中，課程建設(shè)與教學(xué)方法研究是實(shí)現(xiàn)新工科人才培養(yǎng)的基礎(chǔ)。為此本文就大學(xué)工程類專業(yè)中教學(xué)“人機(jī)交互技術(shù)”這門學(xué)科為例，探討適應(yīng)新工科培養(yǎng)目標(biāo)的教學(xué)方法。

“人機(jī)交互技術(shù)”學(xué)科具有很強(qiáng)的學(xué)科交叉性，是人工智能領(lǐng)域機(jī)器人研究方向的研究熱點(diǎn)之一，被列為了支撐信息技術(shù)發(fā)展的科學(xué)基礎(chǔ)之一。理論聯(lián)系實(shí)踐，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力是高等院校在培養(yǎng)新型工程應(yīng)用型人才的重要目標(biāo)。強(qiáng)化項(xiàng)目實(shí)踐教學(xué)是實(shí)現(xiàn)新工科發(fā)展目標(biāo)的重要手段。

一、教學(xué)改革目標(biāo)與措施

“人機(jī)交互技術(shù)”具有綜合性強(qiáng)、應(yīng)用性和實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)，是培養(yǎng)學(xué)生工程素質(zhì)和創(chuàng)新能力一個(gè)重要載體。但目前傳統(tǒng)的教學(xué)模式教學(xué)內(nèi)容單一，綜合訓(xùn)練程度不夠，缺乏對(duì)人機(jī)接口技術(shù)理論知識(shí)的充分理解，實(shí)踐動(dòng)手能力較弱，難于符合新工科的培養(yǎng)目標(biāo)。激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、強(qiáng)化學(xué)生掌握理論知識(shí)、解決工程應(yīng)用及培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力成為了新工科課程實(shí)踐教學(xué)改革中一個(gè)亟待解決的問題。

二、教學(xué)改革目標(biāo)與措施

1.教學(xué)改革目標(biāo)。以新工科人才培養(yǎng)中交叉學(xué)科課程建設(shè)為目標(biāo)，通過“理論教學(xué)與項(xiàng)目實(shí)踐”相結(jié)合的教學(xué)法的研究和探索，從本質(zhì)上改變傳統(tǒng)教學(xué)法中的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，改變只重視理論、內(nèi)容單一、工程應(yīng)用背景不強(qiáng)及不能獨(dú)立解決問題的薄弱環(huán)節(jié)。

在采用“理論教學(xué)與項(xiàng)目實(shí)踐”教學(xué)方法中培養(yǎng)學(xué)生具有如下幾方面的能力：完成項(xiàng)目解決方案的資料收集、閱讀、整理能力；人機(jī)接口課程的理論知識(shí)掌握與實(shí)踐應(yīng)用能力；工程實(shí)踐問題的提出、解決能力；綜合基礎(chǔ)課程和專業(yè)課程知識(shí)運(yùn)用能力；項(xiàng)目實(shí)施過程中軟件編程、硬件設(shè)計(jì)制造、儀器儀表的使用能力；項(xiàng)目實(shí)施相關(guān)技術(shù)文檔撰寫方面的能力；提高學(xué)生之間的技術(shù)交流和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。

2.項(xiàng)目實(shí)踐設(shè)計(jì)舉例。將項(xiàng)目分成四個(gè)階段：第一階段，提出工程實(shí)踐問題確立項(xiàng)目；第二階段，確定項(xiàng)目研究的目標(biāo)及研究方案及研究計(jì)劃；第三階段，項(xiàng)目實(shí)施過程（包括機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造、軟件編程、實(shí)驗(yàn)調(diào)試）及技術(shù)文檔撰寫；第四階段，項(xiàng)目終期檢查（包括項(xiàng)目成果總結(jié)與回報(bào)）。“理論教學(xué)與項(xiàng)目實(shí)踐”教學(xué)法實(shí)施過程及學(xué)生能力培養(yǎng)如圖1所示。

圖1 “理論教學(xué)與項(xiàng)目實(shí)踐”相結(jié)合教學(xué)法實(shí)施過程及學(xué)生能力培養(yǎng)

3.“理論教學(xué)與項(xiàng)目實(shí)踐”課程教學(xué)案例?；贑DIO （Conceive、Design、Implement、operate，即構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、運(yùn)行）理念的項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式教學(xué)模式。本文強(qiáng)調(diào)以項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)為主線，以教師基礎(chǔ)理論分塊講述為前提，以解決企業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐問題為項(xiàng)目目標(biāo)，以教師為引導(dǎo)、學(xué)生為主導(dǎo)的理論知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合的創(chuàng)新能力培養(yǎng)模式，提高學(xué)生解決企業(yè)生產(chǎn)實(shí)際問題的能力，同時(shí)提高學(xué)生團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神。為此，本文以基于手勢(shì)識(shí)別的無人機(jī)控制為人機(jī)交互技術(shù)課程教學(xué)的實(shí)踐項(xiàng)目，更大地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和求知欲，充分發(fā)揮學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的積極性，從而培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)查閱資料、主動(dòng)學(xué)習(xí)、分析生產(chǎn)實(shí)踐問題、解決問題的能力，培養(yǎng)創(chuàng)新和創(chuàng)業(yè)意識(shí)，培養(yǎng)科學(xué)探索及團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神。

基于手勢(shì)識(shí)別的無人機(jī)控制項(xiàng)目（案例）如圖2（P76）所示。

該項(xiàng)目讓學(xué)生用自己的身體（手勢(shì)）去控制無人機(jī)是機(jī)器人研究領(lǐng)域中人機(jī)交互（Human Robot Interaction， HRI）方向的一個(gè)基本項(xiàng)目。項(xiàng)目特點(diǎn)：①該項(xiàng)目能夠提升高校自動(dòng)化類、機(jī)械類以及計(jì)算機(jī)類專業(yè)課程理論知識(shí)的綜合運(yùn)用能力，具體體現(xiàn)如無人機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、力學(xué)與運(yùn)動(dòng)學(xué)分析、電機(jī)拖動(dòng)與運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)、傳感器技術(shù)、微機(jī)原理與接口技術(shù)、編程語(yǔ)言及應(yīng)用等；②該項(xiàng)目能培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力，體現(xiàn)在無人機(jī)的設(shè)計(jì)、加工制造方面；③能夠激發(fā)學(xué)生的興趣、拓展視野，將機(jī)器人領(lǐng)域人機(jī)交互系統(tǒng)問題的科學(xué)研究融入到課程教學(xué)中；④項(xiàng)目需要多人協(xié)調(diào)、彼此合作才能完成，這能夠提高學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作精神，還能培養(yǎng)學(xué)生具有項(xiàng)目承擔(dān)和負(fù)責(zé)的領(lǐng)導(dǎo)能力。

4.教學(xué)效果評(píng)估。課程教學(xué)效果評(píng)估采用問卷調(diào)查的方式進(jìn)行，以華南農(nóng)業(yè)大學(xué)2013級(jí)公選課“人機(jī)交互技術(shù)”課程學(xué)生100人為樣本（其中每班50人）， A班用“理論教學(xué)與項(xiàng)目實(shí)踐”相結(jié)合的教學(xué)法，簡(jiǎn)稱“教改班”，B班采取常規(guī)理論教學(xué)方法，簡(jiǎn)稱“常規(guī)班”。兩班課堂教學(xué)都為32學(xué)時(shí)，其中A班 用16學(xué)時(shí)講述理論知識(shí)，用16學(xué)時(shí)討論項(xiàng)目方案及項(xiàng)目成果匯報(bào)；B班用28學(xué)時(shí)講述理論知識(shí)，4學(xué)時(shí)用于學(xué)生討論。A班課外課時(shí)比B班多兩倍。A班課外學(xué)時(shí)數(shù)為32學(xué)時(shí)，主要用于項(xiàng)目實(shí)踐；B班課外學(xué)時(shí)數(shù)為16學(xué)時(shí)，主要用來完成老師布置的課后作業(yè)。

圖2 項(xiàng)目方案圖

教學(xué)效果評(píng)估采用理論考試和學(xué)生問卷調(diào)查的形式，分別為表1和表2。理論考試主要考查學(xué)生兩部分能力：一是掌握基礎(chǔ)理論知識(shí)的能力，二是知識(shí)運(yùn)用能力。結(jié)果表明A班教學(xué)效果好，能夠達(dá)到新工科教學(xué)目標(biāo)要求。

表1 課程理論知識(shí)考試情況分析表

表2 項(xiàng)目問卷調(diào)查

從上表可以看出，A班在教學(xué)評(píng)估設(shè)計(jì)中取得了很好的成績(jī)。

本文以“理論教學(xué)與項(xiàng)目實(shí)踐”相結(jié)合的教學(xué)法對(duì)我校“人機(jī)交互技術(shù)”課程的進(jìn)行教學(xué)改革和探索以及教學(xué)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)證明該法滿足新工科教學(xué)目標(biāo)的要求。但需要指出的是，在項(xiàng)目實(shí)踐的設(shè)計(jì)上需要積累大量的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)才能更好地推動(dòng)“理論教學(xué)與項(xiàng)目實(shí)踐”教學(xué)法的實(shí)施。

參考文獻(xiàn)：

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