適應(yīng)新工科與工程能力培養(yǎng)要求的機(jī)器人技術(shù)實(shí)踐教學(xué)模式探索

王楊 陳以農(nóng) 姚光順

摘要：隨著人工智能技術(shù)的興起，機(jī)器人技術(shù)這門課在很多本科高校開授，但在教學(xué)過程中存在理論內(nèi)容抽象，實(shí)驗(yàn)設(shè)備不足，學(xué)生興趣不高等問題。滁州學(xué)院作為一所地方應(yīng)用型本科院校，在適應(yīng)新工科與工程能力培養(yǎng)背景下，結(jié)合專業(yè)人才培養(yǎng)方案，以“培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力”為出發(fā)點(diǎn)，從機(jī)器人技術(shù)實(shí)踐課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目以及以賽促學(xué)等方面進(jìn)行改革，經(jīng)過兩年的探索，有效地提高了學(xué)生學(xué)習(xí)該課程的興趣，增強(qiáng)了學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力，激發(fā)了學(xué)生創(chuàng)新意識。

關(guān)鍵詞：人工智能;機(jī)器人技術(shù);新工科;創(chuàng)新意識

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）03-0161-03

1 概述

2013年德國率先推出“工業(yè)4.0”計(jì)劃之后，美、日、韓等國也陸續(xù)發(fā)布了自己國家的制造戰(zhàn)略計(jì)劃[1]。隨后，2015年我國提出了“中國制造2025”計(jì)劃，實(shí)現(xiàn)中國制造業(yè)強(qiáng)國的戰(zhàn)略由“三步走”來完成[2]。為了更好地支持國家完成這一發(fā)展計(jì)劃，我國高校要能夠培養(yǎng)出有創(chuàng)造力、有良好工程意識和創(chuàng)新能力的畢業(yè)生[3]。因此，教育部在2017年提出“新工科”建設(shè)相關(guān)計(jì)劃，這對全國參與新工科建設(shè)的應(yīng)用型本科院校在人才培養(yǎng)上提出了新的要求：①要求各院校積極參與新工科建設(shè)，培養(yǎng)適應(yīng)國家產(chǎn)業(yè)發(fā)展需要的人才;②對傳統(tǒng)工科專業(yè)進(jìn)行升級改造，對目前的人才培養(yǎng)方案培養(yǎng)進(jìn)行革新，培養(yǎng)出適應(yīng)新形勢下國家需要的人才[4-5]。滁州學(xué)院于2018年起積極開展以新工科為主題的教學(xué)研討會，邀請國內(nèi)專家做報(bào)告并與學(xué)校老師交流互通，幫助老師更好地理解這一建設(shè)計(jì)劃。其中，計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)緊跟這一建設(shè)計(jì)劃，對所屬課程的教學(xué)方式方法進(jìn)行改革創(chuàng)新，以適應(yīng)新工科與工程能力培養(yǎng)要求。本文是對機(jī)器人技術(shù)實(shí)踐課程進(jìn)行教學(xué)模式改革探索。

2 應(yīng)用型本科院校機(jī)器人技術(shù)實(shí)踐課程現(xiàn)狀與困境

2.1 現(xiàn)狀與背景分析

隨著科技的快速發(fā)展和經(jīng)濟(jì)全球化的進(jìn)行，在校大學(xué)生對新知識的渴求以及社會對新型人才需求的提高，用人單位對大學(xué)生提出的要求越來越高[6]。要求大學(xué)生既要具有較扎實(shí)的理論基礎(chǔ)，又要兼具一定的實(shí)踐能力;也就是五大能力、三大基礎(chǔ)[7]。機(jī)器人技術(shù)實(shí)踐課程的開設(shè)正是有利于培養(yǎng)學(xué)生達(dá)到上述目標(biāo)，機(jī)器人技術(shù)實(shí)踐課程教學(xué)對培養(yǎng)學(xué)生具有良好的工程意識、創(chuàng)新以及創(chuàng)造力具有重要意義，目前國內(nèi)外很多知名高校都將機(jī)器人教育和工科實(shí)踐緊密結(jié)合，以機(jī)器人硬件平臺作為載體，開展工程實(shí)踐教學(xué)，提高相關(guān)專業(yè)學(xué)生的工程設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新能力[8一9]。

2.2 課程現(xiàn)狀與困境

目前滁州學(xué)院的機(jī)器人技術(shù)實(shí)踐課程開設(shè)在第五學(xué)期，每屆選修該課程的學(xué)生數(shù)在120名左右。教學(xué)大綱要求通過該課程的學(xué)習(xí)，真正掌握機(jī)器人組件的搭建與運(yùn)動(dòng)及感知原理，從而培養(yǎng)學(xué)生在機(jī)器人開發(fā)過程中之任務(wù)分析、問題解決與創(chuàng)新實(shí)踐等能力。該課程理論內(nèi)容抽象，項(xiàng)目驗(yàn)證性較多，綜合度不夠，講授這門課程的師資力量薄弱，教師的工程實(shí)踐能力不強(qiáng)，教師在這種實(shí)踐性很強(qiáng)的課程教授中與基礎(chǔ)大課的教學(xué)方式混同。因此原有的教學(xué)過程并沒有完全達(dá)到教學(xué)大綱的要求。因此，為了更好地適應(yīng)新工科背景下，對學(xué)生工程能力培養(yǎng)的要求，該課程教學(xué)模式改革迫在眉睫。

3 滁州學(xué)院在機(jī)器人技術(shù)實(shí)踐課程的探索

3.1 更新授課方式（建立完善“第一課堂”）

因?yàn)樵撜n程設(shè)置在大三，學(xué)生具有一定的編程基礎(chǔ)，因此將傳統(tǒng)的理論知識講解加上實(shí)驗(yàn)課程驗(yàn)證的授課模式更新為以機(jī)器人應(yīng)用項(xiàng)目設(shè)計(jì)和編程為主導(dǎo)，讓學(xué)生了解工程應(yīng)用項(xiàng)目的設(shè)計(jì)過程。使學(xué)生了解專業(yè)相關(guān)知識并在機(jī)器人應(yīng)用項(xiàng)目中實(shí)踐。使學(xué)生對該課程感興趣，有信心，并學(xué)會以計(jì)算思維的方法解決程序設(shè)計(jì)和應(yīng)用的問題。具體為：

（1）推廣VIPLE（Visual IOT /RoboticsProgramming LanguageEnvironment）實(shí)踐平臺的使用[10]。該平臺由陳以農(nóng)教授團(tuán)隊(duì)研發(fā)，功能強(qiáng)大，支持多款機(jī)器人硬件平臺的開發(fā)（如圖1所示）?？梢詫⑿畔W(xué)院機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室中的多款設(shè)備整合到該平臺中，避免目前各設(shè)備之間不通用的問題，提高設(shè)備的使用效率。同時(shí)該平臺是可視化編程，使工作流的概念和結(jié)構(gòu)變得更易于人類的構(gòu)建和理解。

（2）設(shè)計(jì)好機(jī)器人技術(shù)實(shí)踐課程的階段性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，教師需要分析這些項(xiàng)目的需求、總體設(shè)計(jì)思路、并講授所需要的知識點(diǎn)。先分階段性完成一個(gè)個(gè)實(shí)驗(yàn)任務(wù)，最終讓學(xué)生完成綜合性實(shí)驗(yàn)任務(wù)，以此讓學(xué)生體會并掌握工程設(shè)計(jì)過程，如圖2所示。

（3）建設(shè)開放式實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，在任課老師幫助下，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目可以培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立思考能力和工程思維、工程經(jīng)驗(yàn)，提高人才創(chuàng)新能力培養(yǎng)效果，同時(shí)，要重點(diǎn)考慮到工程實(shí)踐基礎(chǔ)內(nèi)容，不要因?yàn)樽⒅貏?chuàng)新而忽視培養(yǎng)基礎(chǔ)能力。因此在第一課堂中包含了初、中級基礎(chǔ)實(shí)踐訓(xùn)練內(nèi)容，可以面向大一新生作為導(dǎo)論課來授課，只是更加強(qiáng)調(diào)學(xué)生的分析和創(chuàng)新，而不僅僅是實(shí)踐操作。并且本階段培養(yǎng)出的優(yōu)秀學(xué)生可以直接作為參加地方性、全國性機(jī)器人競賽的基礎(chǔ)力量。

3.2 引入課外活動(dòng)（建立完善“第二課堂”）

第二課堂主要讓學(xué)生參加各類機(jī)器人技術(shù)競賽，通過比賽促進(jìn)教學(xué)質(zhì)量、促進(jìn)學(xué)習(xí)質(zhì)量。積極地為學(xué)生提供機(jī)器人競賽所使用的各類設(shè)備和師資條件。比賽會很好地鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力、組織能力、協(xié)調(diào)能力、臨場應(yīng)變和突發(fā)問題處理能力等重要的工程素養(yǎng)。機(jī)器人技術(shù)實(shí)踐課是一種綜合性課程，所涉及的理論知識主要有C語言、電路分析、模擬電子、數(shù)字電路、信號與分析、單片機(jī)原理與應(yīng)用、電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)、自動(dòng)控制原理、傳感與檢測技術(shù)、電源技術(shù)、機(jī)器人控制等理工科基礎(chǔ)課程及專業(yè)課程，通過課外比賽活動(dòng)將第一課堂所學(xué)的內(nèi)容用到實(shí)戰(zhàn)中去，讓學(xué)生不僅學(xué)了，還要會用。

3.3 參加社會實(shí)踐（建立完善“第三課堂”）

第三課堂主要是進(jìn)行校企合作以及和陳以農(nóng)教授機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室合作。由于組織學(xué)生參加中國機(jī)器人大賽和安徽省機(jī)器人大賽需要，學(xué)院與北京博創(chuàng)尚和科技有限公司、合肥凌翔信息科技有限公司這兩家機(jī)器人技術(shù)研發(fā)實(shí)力較強(qiáng)的公司建立了長期合作關(guān)系，并在此基礎(chǔ)上跟這些公司聯(lián)合申報(bào)了有關(guān)機(jī)器人技術(shù)實(shí)踐方面的創(chuàng)客項(xiàng)目。由公司提出需求，將部分機(jī)器人設(shè)計(jì)任務(wù)（所有硬件的設(shè)計(jì)、程序的編寫）交給我們學(xué)生來完成。在設(shè)計(jì)過程中遇到所有的問題，公司都會派出專門的技術(shù)人員幫助老師和學(xué)生來解決。最后設(shè)計(jì)出來的機(jī)器人，經(jīng)過公司驗(yàn)收過后，被公司收購。公司將收購的機(jī)器人銷售獲取盈利，然后支付給學(xué)生相應(yīng)的報(bào)酬;并支持老師和學(xué)生申報(bào)了軟著和專利等。另外跟美國亞利桑那州立大學(xué)陳以農(nóng)教授的機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室合作完成一些綜合性的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，如下表1所示。第三課堂主要讓學(xué)完相關(guān)理論知識和掌握工程設(shè)計(jì)過程的學(xué)生去實(shí)戰(zhàn)，并通過這種方式極大地提高了學(xué)生解決實(shí)際問題的能力。

3.4 改革考核方式

該課程原考核方式是期末閉卷考試，將理論知識點(diǎn)整合成一張?jiān)嚲?，學(xué)生考試完成。這種考試方式使得部分平時(shí)不學(xué)習(xí)的學(xué)生，在期末來臨時(shí)，死記硬背，為了考試通過而被迫學(xué)習(xí)。這種考核形式對這門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程來說，會忽略學(xué)生平時(shí)成績和創(chuàng)新能力，不能適應(yīng)應(yīng)用型人才培養(yǎng)要求。應(yīng)該把學(xué)生平時(shí)表現(xiàn)和期末成績結(jié)合起來綜合評價(jià)，總評成績由平時(shí)成績、實(shí)驗(yàn)成績和期末成績組成。占比構(gòu)成為平時(shí)成績20%，實(shí)驗(yàn)成績30%，期末成績50%;期末考試由純粹理論測試轉(zhuǎn)成綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)，平時(shí)成績評定包括作業(yè)、考勤、隨堂測試等;實(shí)驗(yàn)成績評定包括實(shí)驗(yàn)課考勤、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目完成情況打分等。這樣的考核方式更體現(xiàn)出重在平時(shí)，淡化期末考試，更能考查出學(xué)生的真實(shí)水平，也一定程度上削弱了學(xué)生作弊的動(dòng)機(jī)。同時(shí)為了更好達(dá)到以賽促學(xué)，以賽促教的目標(biāo)，提高學(xué)生參賽的積極性以及培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，學(xué)生在中國機(jī)器人大賽和安徽省機(jī)器人大賽中獲得二等獎(jiǎng)及以上，學(xué)生可以免試獲取該課程學(xué)分，三等獎(jiǎng)及以下，平時(shí)成績直接為90分?？己朔绞降木唧w辦法如下表2所示。

4 主要特色

（1）改進(jìn)實(shí)踐課的課程體系結(jié)構(gòu)。實(shí)現(xiàn)主體為教師到主體為學(xué)生的教學(xué)意識改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)實(shí)踐常態(tài)化的改變，實(shí)現(xiàn)理論工程化的改變，整個(gè)教學(xué)過程以工程設(shè)計(jì)思想貫穿其中。

（2）以三個(gè)課堂教學(xué)為主線。教學(xué)模式面向工程項(xiàng)目、面向真實(shí)應(yīng)用，注重實(shí)踐能力、團(tuán)隊(duì)能力的培養(yǎng)，將培養(yǎng)優(yōu)秀設(shè)計(jì)師、工程師的思想貫穿整個(gè)課程體系和教學(xué)過程。在課程設(shè)置上體現(xiàn)了電子、信息、計(jì)算機(jī)、系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)、單片機(jī)、嵌入式系統(tǒng)等方面的知識運(yùn)用，使學(xué)生能夠融會貫通本科所學(xué)知識，同時(shí)具有較強(qiáng)的實(shí)踐能力與工程應(yīng)用能力。

（3）加強(qiáng)校企合作。帶領(lǐng)學(xué)生到有關(guān)機(jī)器人技術(shù)研發(fā)企業(yè)內(nèi)參觀學(xué)習(xí)和合作共同開發(fā)項(xiàng)目，來實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)學(xué)生獲取工程一線的實(shí)際工作能力，為學(xué)生高質(zhì)量就業(yè)打下良好的基礎(chǔ)。

5 結(jié)束語

機(jī)器人技術(shù)實(shí)踐教學(xué)經(jīng)過兩年探索，以三個(gè)課堂融合機(jī)制整合VIPLE平臺方式使該課程教學(xué)質(zhì)量不斷提高，有效地提高了學(xué)生學(xué)習(xí)該課程的興趣。教學(xué)過程中通過三個(gè)課堂融合模式面向綜合項(xiàng)目、面向真實(shí)應(yīng)用，注重實(shí)踐能力、團(tuán)隊(duì)能力的培養(yǎng)，將培養(yǎng)優(yōu)秀設(shè)計(jì)師、工程師的思想貫穿整個(gè)課程體系和教學(xué)過程，使學(xué)生能夠融會貫通本科所學(xué)知識，具備了較強(qiáng)的實(shí)踐能力與工程應(yīng)用能力。學(xué)生通過學(xué)習(xí)參加相關(guān)賽事的積極性也更高了，獲獎(jiǎng)成績逐年提高，如下表3所示。學(xué)生畢業(yè)后具有較強(qiáng)的就業(yè)競爭力，得到了學(xué)生和就業(yè)單位的認(rèn)可。綜上，學(xué)院已經(jīng)初步形成了較具特色的機(jī)器人技術(shù)實(shí)踐教學(xué)模式。

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