“新工科”背景下以創(chuàng)新人才為培養(yǎng)導向的實驗教學改革及實踐

蔡軍 郭鵬

摘 ?要：針對“新工科”對工程實踐能力培養(yǎng)的需求和控制類專業(yè)實驗課程的教學實際，從培育新工科人才要求出發(fā)，分別在教學方法、教學內(nèi)容、考核方法等多方面對《機器人應(yīng)用技術(shù)實驗》課程進行了改革。該文把《機器人應(yīng)用技術(shù)實驗》整個實驗教學過程創(chuàng)新性的構(gòu)架成了“三個考核環(huán)節(jié)，五個難度級別”的實驗教學結(jié)構(gòu)，教學過程中增加實驗教學內(nèi)容與學生競賽內(nèi)容相結(jié)合、實驗過程與團隊合作相結(jié)合、實驗結(jié)果與團隊答辯能力相結(jié)合等多種改革措施。通過實施實驗教學改革，實驗課程教學環(huán)節(jié)的教學質(zhì)量得到了明顯改善;明顯增強了學生參加各類競賽的能力，學生的控制類專業(yè)常識也得到了明顯提高。這一教學環(huán)節(jié)提高了本專業(yè)學生的就業(yè)質(zhì)量，實驗課程教學改革收到了良好的效果。

關(guān)鍵詞：教學方法;教學質(zhì)量;團隊合作;就業(yè)質(zhì)量

中圖分類號：G961 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2019）11-0052-04

Abstract： In order to meet the needs of the requirement of engineering practice ability training of emerging engineering education and the teaching practice of the control professional experiment course， we start from the requirements of cultivating new engineering talents， the "Robot Application Technology Experiment" course was reformed in various aspects such as teaching methods， teaching contents， and assessment methods. In this paper， the whole experimental teaching process of "Robot Application Technology Experiment" is structured into an experimental teaching structure of "three assessment stages， five difficulty levels"， In the teaching process， the experimental teaching content is combined with the student competition content， the experimental process is combined with the teamwork， and the experimental results are combined with the team's speaking ability. Through the implementation of teaching reform， quality of the experimental course teaching has been significantly improved， the ability of students to participate in various competitions is significantly enhanced， the control professional instrumentation knowledge of the students is significantly enhanced， the quality of employment is improved， which prove that the teaching reform has received better results.

Keywords： teaching methods; teaching quality; teamwork; employment quality

一、概述

隨著新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革，教育部在2017年2月提出了新工科建設(shè)理念，并發(fā)布了《關(guān)于開展新工科研究與實踐的通知》和《關(guān)于推進新工科研究與實踐項目的通知》，為中國的理工科教育指出了新的方向和目標。工程教育與產(chǎn)業(yè)發(fā)展緊密聯(lián)系，從新工科人才的培養(yǎng)要求和目標來看，在理工科教學中實驗教學將會起到比以前更為重要的作用，在新工科人才培養(yǎng)過程中將成最為重要的一個教學環(huán)節(jié)[1，2]。然而普通高?，F(xiàn)行的工科實驗教學在方式，方法和內(nèi)容上基本都達不到新工科提出的人才培養(yǎng)要求和目標[3]。特別是在提升學生工程科技創(chuàng)新、創(chuàng)造能力;樹立綜合化工程教育理念方面現(xiàn)有的實驗教學體系和方式還有很大的欠缺。為了更好地配合重慶市市級教改項目“新工科建設(shè)背景下控制類專業(yè)實驗教學模式的研究與實踐”實踐教學改革的需求，以及提高學生在工程科技上的創(chuàng)造、創(chuàng)新能力和科技思維，工程思維能力，結(jié)合重慶郵電大學人力、物力、財力等實際情況，經(jīng)過兩年的教學研究探索，就現(xiàn)行的機器人實驗教學課程進行了改革和實踐。

二、當前實驗教學現(xiàn)狀和“新工程”人才培養(yǎng)目標的矛盾

現(xiàn)行普通高校的實驗教學課程普遍多數(shù)還是采用隨課實驗和驗證實驗的開課方式，這種依附理論教學課程的實驗開課方式對學生在理論知識驗證和理解上有較大優(yōu)勢，但在學生工程思維、系統(tǒng)總體設(shè)計和創(chuàng)新能力培養(yǎng)上存在較大缺陷，與新工科人才培養(yǎng)提出的“創(chuàng)意-創(chuàng)新-創(chuàng)業(yè)”人才教育培養(yǎng)目標體系存有很大的矛盾[4，5，6]。

（一）固化的實驗教學方式

國內(nèi)高校的實驗教學方式比較固化，一般是采用理論教學的方式來進行實驗課程的教學[7，8]。比如，以機器人應(yīng)用技術(shù)實驗為例，基本的實驗教學流程是教師先進行實驗原理和實驗設(shè)備的講解，然后按照實驗指導書的要求進行實驗任務(wù)的布置。學生則是參照實驗指導書的操作步驟進行實驗操作，得出實驗結(jié)果。在這一過程中學生基本上是一種被動學習，被動做實驗的狀態(tài)，學生只要按照實驗指導書的操作步驟進行操作，就算對實驗原理或理論知識不了解、不清楚，也有可能得到正確的實驗結(jié)果[9]。這種實驗教學過程明顯對學生自主性，創(chuàng)造性能力的培養(yǎng)是沒有任何作用的，甚至會促使學生在實驗過程中產(chǎn)生懶惰，不求甚解，得過且過的實驗習慣，很明顯這種習慣養(yǎng)成會對學生以后的學習及科研生涯產(chǎn)生巨大的危害。因此，要構(gòu)建一種新的實驗教學模式，其模式不但要有激發(fā)學生實驗興趣，促使學生主動參與實驗教學，主動自我學習，主動自我提高的作用，而且對學生的團隊協(xié)作能力，個人成果總結(jié)及展示能力，文案書寫及答辯能力等方面都會起到促進提高作用。

（二）陳舊的實驗教學內(nèi)容

在2017年4月8日“天大行動的新工科建設(shè)行動路線”中提出“問技術(shù)發(fā)展改教學內(nèi)容” 要求將產(chǎn)業(yè)和技術(shù)的最新發(fā)展、行業(yè)對人才培養(yǎng)的最新要求引入教學過程，更新教學內(nèi)容和課程體系[10]。但是，現(xiàn)階段高校的實驗課程教學內(nèi)容還是保留有大量的驗證性或內(nèi)容簡單的隨課性實驗，實驗內(nèi)容體現(xiàn)出龐雜，陳舊，孤立的特點。各課程實驗內(nèi)容獨立為陣，互不聯(lián)系，不具備綜合性和統(tǒng)一性。實驗內(nèi)容與產(chǎn)業(yè)要求和技術(shù)的最新發(fā)展聯(lián)系性不強，不但沒能回答新工科提出的“問技術(shù)發(fā)展改教學內(nèi)容”的問題，反而還嚴重阻礙了新技術(shù)和專業(yè)領(lǐng)域新知識融入實驗教學內(nèi)容。同樣行業(yè)對人才培養(yǎng)的最新要求也無法引入教學過程。

（三）單一的考核方法

現(xiàn)階段國內(nèi)高校的實驗教學中學生成績的考核基本上是由三部分組成的，分別是由考勤成績、操作成績和報告成績按照百分比構(gòu)成實驗課程最終成績。成績的評定基本都是由指導教師根據(jù)學生上課表現(xiàn)和報告內(nèi)容進行評定，學生最終成績帶有較大的教師個人主觀性。對老師來說，當學生較多時成績評定工作量巨大，而且在操作過程考核中，老師也無法做到面面俱到，并不是所有學生都能得到恰當合適的評定成績。對學生來說，考核方法單一，考核思路不以促使學生興趣為中心，學生只是被動的完成實驗任務(wù)參與考核，這種考核方法容易讓學生產(chǎn)生得過且過的思想，而且最終成績不能體現(xiàn)學生在主動性，創(chuàng)造性和團隊協(xié)作性等方面的能力。舊的考核方式對學生口頭報告，自我表達，宣講文案制作等對外交流和展示能力也沒有起到訓練和提高的作用。

三、專業(yè)實驗課程改革的目的和意義

專業(yè)實驗課程改革的目的和意義在于：1. 深化實驗內(nèi)容改革，把控制類專業(yè)實驗教學內(nèi)容與專業(yè)領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展相結(jié)合，設(shè)計較前沿并切合實際應(yīng)用的實驗教學內(nèi)容以適應(yīng)新工科建設(shè)的要求;2. 深化教學方法改革，使控制類專業(yè)實驗教學方法能進一步貼近學生志趣，滿足學生需要，促使學生參與實驗教學的每個環(huán)節(jié)，教學方法要體現(xiàn)一切為學生的思想，形成以學習者為中心的工程教育模式;3. 以這項實驗教學的改革為契機，加大實驗教學在新工科建設(shè)背景下的探索和實踐，促進控制類教學實驗體系，實驗教學方法和實驗教學內(nèi)容等多方面改革，全面提高我院培養(yǎng)多樣化、創(chuàng)新型卓越工程科技人才的能力，更好的實現(xiàn)高校新工科的培養(yǎng)目標。

四、專業(yè)實驗教學內(nèi)容與方法的設(shè)計與實施

結(jié)合“新工科”，“天大行動”的“問產(chǎn)業(yè)需求建專業(yè)，構(gòu)建工科專業(yè)新結(jié)構(gòu)”;“問技術(shù)發(fā)展改內(nèi)容，更新工程人才知識體系”和“問學生志趣變方法，創(chuàng)新工程教育方式與手段”等幾個方面的要求，對我院的“機器人應(yīng)用技術(shù)”專業(yè)實驗課程內(nèi)容和課程教學方式進行了改革[10]。以期為“新工科”背景下的學生培養(yǎng)探索和研究出新的方法和思路。

（一）“機器人應(yīng)用技術(shù)”專業(yè)實驗的改革

以往的實驗教學一般是采用老師實驗前講解實驗原理和實驗方法，然后學生進行實驗操作，這種方法無法調(diào)動學生學習積極性和實驗自主性。我院的“機器人實用技術(shù)”實驗課程在這一方面顯得特別突出，在教學模式上不但無法調(diào)動學生實驗積極性，而且隨著新技術(shù)的發(fā)展，原有包含的實驗內(nèi)容和訓練項目也不能滿足企業(yè)對機器人應(yīng)用人才的需求[11，12]。針對我院24學時的“機器人應(yīng)用技術(shù)”專業(yè)實驗，把教學內(nèi)容更新為“捕捉機器人系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)”。為了培養(yǎng)學生對控制領(lǐng)域前沿技術(shù)和知識的了解學習，實驗課程內(nèi)容融入了機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計，機器人路徑搜尋規(guī)劃，機器人視覺圖像處理等較為前沿的技術(shù)內(nèi)容和知識。整個實驗教學被構(gòu)架成三個考核環(huán)節(jié)和五個難度級別的教學結(jié)構(gòu)。三個教學環(huán)節(jié)分別是“實驗方案評估答辯環(huán)節(jié)”、“實驗操作和指導環(huán)節(jié)”、“最終成果答辯演示環(huán)節(jié)”三個組成部分。其中“實驗方案評估答辯環(huán)節(jié)”和“最終成果答辯演示環(huán)節(jié)”的評判與分值由全體學生和教師通過填寫考核表的方式參與完成。五個難度級別從低到高是：1. 器件選擇和硬件平臺搭建;2. 完成機器人自動避障功能;3. 完成機器人自動搜尋功能;4. 完成顏色判斷功能;5. 完成機器人對特定色彩移動物體追蹤及撲捉功能。

“實驗方案評估答辯環(huán)節(jié)”是安排實驗課程開設(shè)前兩周，要求上課學生3人一組自行組隊，實驗任務(wù)和相關(guān)資料下發(fā)到每個小組成員，要求每小組在兩周內(nèi)進行學習和網(wǎng)上資料查閱，完成實驗方案的設(shè)計報告和講解PPT。實驗開課時，首先安排2學時的實驗方案評估教學環(huán)節(jié)，每組成員按照自己設(shè)計實驗方案進行10分鐘內(nèi)的PPT講解和答辯，其他各組成員和老師對講解小組報告以及PPT內(nèi)容進行提問和參照實驗方案評分表（見表1）內(nèi)容對答辯小組進行預(yù)答辯評分。這一過程通過學生自我完成預(yù)備實驗方案提高了學生收集資料和自我學習能力，團隊方式的設(shè)置加強了學生與隊員之間的合作協(xié)作能力，實驗方案PPT的制作與答辯過程提高了學生的宣講文案制作能力和自我展示能力。

“實驗操作及指導環(huán)節(jié)”將“機器人應(yīng)用技術(shù)”專業(yè)實驗結(jié)合新工科的“問技術(shù)發(fā)展改教學內(nèi)容”和“行業(yè)對人才培養(yǎng)的最新要求引入教學過程”的理念，把實驗內(nèi)容分成了五個部分，占用20學時，它們分別是：1.器件選擇和硬件平臺搭建，內(nèi)容結(jié)合了機器人設(shè)計領(lǐng)域的機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計相關(guān)領(lǐng)域知識點。2.機器人自動避障功能，內(nèi)容結(jié)合了機器人對位置或周邊環(huán)境判斷的相關(guān)技術(shù)和知識點。3.機器人自動搜尋功能，內(nèi)容結(jié)合了機器人路徑規(guī)劃等技術(shù)和知識點。4.顏色和形狀判斷功能;內(nèi)容融合了機器人視覺圖像處理的相關(guān)技術(shù)和知識點。5.完成機器人對特定色彩或形狀移動物體追蹤及撲捉功能，內(nèi)容融合機器人根據(jù)捕捉對象特點而進行的捕捉機構(gòu)和結(jié)構(gòu)設(shè)計等技術(shù)及知識點。整體實驗操作過程被構(gòu)建成了一個難度從低到高的任務(wù)塔結(jié)構(gòu)（見圖1）。學生實驗完成進度會在任務(wù)塔上進行標注，實驗教學過程轉(zhuǎn)變成學生組隊攀塔過程，這種實驗教學模式加大了學生實驗積極性，增強學生團隊間的競爭意識和團隊內(nèi)的合作意識。

“實驗成果演示答辯環(huán)節(jié)”是“機器人應(yīng)用技術(shù)”實驗教學的最終環(huán)節(jié)，占用2學時，其主要內(nèi)容是每組學生對實驗成果進行整理總結(jié)并完成PPT的講解和實物演示。全班學生和指導教師按照“實驗成果演示答辯環(huán)節(jié)”考核表（見表2）指標，對答辯小組的PPT講解和實物演示效果進行提問和評分。考核表中的第二條考核指標“概念和觀點”明確提出了要進行小組的最終實現(xiàn)方案和最初設(shè)計方案的對比，這一要求可以促使學生在實驗完成后，能對整個機器人系統(tǒng)設(shè)計過程進行反思和總結(jié)，提高了學生以后工作過程中的系統(tǒng)設(shè)計能力和經(jīng)驗。第三條考核指標“系統(tǒng)設(shè)計要點”把機器人設(shè)計的具體要求進行了拆分并分別設(shè)立了考核要求，比如硬件是否有多方案比較，機器人工作環(huán)境是否考慮了多種環(huán)境情況，是否有多種搜尋算法或策略等等，這些考核目標促使學生為了滿足多樣目標而進行與其它小組不同的創(chuàng)新性設(shè)計和探索，避免了實驗做完所有實驗小組完成的作品具有一樣性和重復性，固化了學生創(chuàng)新思維。

（二）“機器人應(yīng)用技術(shù)”專業(yè)實驗考核及實驗評定方法

“機器人應(yīng)用技術(shù)”專業(yè)實驗秉承“落實以學生為中心的理念，增強師生互動，改革教學方法和考核方式”改革思路，實驗最終成績主要有“實驗方案設(shè)計及PPT報告成績”、“實驗過程考核成績”、“實驗成果實物演示及答辯成績”、“實驗報告成績”四部分按照加權(quán)系數(shù)組合而成。最終成績=實驗方案設(shè)計及PPT報告成績×30%+實驗過程考核成績×30%+實驗成果實物演示及答辯成績×30%+實驗報告成績×10%。成績中的60%是通過組織學生對實驗環(huán)節(jié)1和3采用自我評分和相互評分的考核方法來進行評定;成績30%取決于圖1中學生完成的攀峰記錄來進行客觀評定;成績剩余的10%是由教師通過各小組提交的最終報告情況進行評定。這種考核方式一定程度上把學生從被考核者轉(zhuǎn)變成了考核者，學生可以通過在考核其他小組成果過程中，進行學習和提高自己。這種考核方法能進一步提高學生實驗的積極性和實驗過程中的競爭性，從而把學生帶入一個主動學習，主動完善，主動優(yōu)化的實驗教學氛圍。

五、實施實驗改革取得的效果

“機器人應(yīng)用技術(shù)”實驗課程已經(jīng)在自動化學院15級學生進行開展，取得了良好的教學效果。在整個實驗教學環(huán)節(jié)中，學生的實驗教學參與度得到了很大的提高，在培養(yǎng)學生自我學習，自我解決問題以及團隊合作等多方面新工科提倡的學生能力上取得了良好的教學效果。通過課程教學，學生不但在機器人應(yīng)用理論和實踐上得到了良好的提高，而且還充分調(diào)動了學生參加國際，國內(nèi)各類重點科技創(chuàng)新競賽的積極性，并取得了特等獎，一等獎，二等獎多項。例如在2018年取得了中國工程機器人大賽一等獎2項，二等獎3項，飛思卡爾智能小車競賽國家二等獎4項，三等獎2項等優(yōu)秀成績。

六、結(jié)束語

“機器人應(yīng)用技術(shù)”實驗課程是一門較為前沿性的課程，課程內(nèi)容和要求難度較大。在課程教學過程中如何把學生吸引到課堂，讓學生能主動參與教學和積極拓展創(chuàng)新思維是這門課程開設(shè)過程中重點關(guān)注的地方。為此把課程教學設(shè)置成了三個考核環(huán)節(jié)和五個難度級別的教學結(jié)構(gòu)，整個教學過程以學生為中心，以項目為導向，針對每個知識點并融合當前較為前沿的技術(shù)設(shè)計相關(guān)的項目任務(wù)，并整合所有任務(wù)，最終完成一個捕捉機器人的整體設(shè)計。為進一步推進控制類專業(yè)實驗改革和培養(yǎng)符合“新工科”所要求的人才，下一步工作重點是把“機器人應(yīng)用技術(shù)”實驗教學模式推廣到全院的其他實驗教學課程中去。切實提高學生的知識運用能力、實踐創(chuàng)新能力、語言表達能力和團隊意識，培養(yǎng)更多的新工科創(chuàng)新人才。

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