基于OBE的機(jī)器人綜合實(shí)訓(xùn)教學(xué)模式改革與成效

張 輝，李積武，黃風(fēng)立，楊培強(qiáng)

（嘉興學(xué)院a.機(jī)電工程學(xué)院；b.資產(chǎn)與實(shí)驗(yàn)室管理處，浙江嘉興 314001）

0 引言

機(jī)器人專業(yè)人才在社會(huì)上很緊缺，為了培養(yǎng)適合地方產(chǎn)業(yè)發(fā)展急需的人才，我校機(jī)電類專業(yè)開設(shè)了機(jī)器人課程，旨在培養(yǎng)機(jī)器人方向的應(yīng)用型人才［1-2］。機(jī)器人綜合實(shí)訓(xùn)是一門提升學(xué)生機(jī)器人開發(fā)創(chuàng)新能力的實(shí)踐課程，傳統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)集中安排在3周內(nèi)完成，主要學(xué)習(xí)慧魚機(jī)器人搭接和LLWin慧魚圖形化控制軟件編程，教學(xué)實(shí)訓(xùn)內(nèi)容固定僵化，學(xué)生多，學(xué)習(xí)興趣不高，被動(dòng)完成任務(wù)，教學(xué)效果較差［3］。

OBE教育理念以成果導(dǎo)向進(jìn)行課程內(nèi)容設(shè)計(jì)，細(xì)化實(shí)訓(xùn)目標(biāo)，優(yōu)化教學(xué)過(guò)程［4-5］。為提高教學(xué)質(zhì)量，基于OBE教育理念開展了機(jī)器人綜合實(shí)訓(xùn)教學(xué)模式改革，以能力和素質(zhì)培養(yǎng)為成果導(dǎo)向，將課程內(nèi)容設(shè)置在制作作品的預(yù)期目標(biāo)之下，以興趣啟發(fā)學(xué)生異想天開、富于夢(mèng)想，形成自主實(shí)踐的教育形式，改變?cè)u(píng)價(jià)方式，注重教學(xué)效果［6-7］。

1 改革目標(biāo)

基于OBE的機(jī)器人綜合實(shí)訓(xùn)教學(xué)模式改革目標(biāo)是：以培養(yǎng)學(xué)生機(jī)器人開發(fā)能力、創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)培養(yǎng)為成果導(dǎo)向，以制作創(chuàng)新的機(jī)器人作品為預(yù)期目標(biāo)，構(gòu)建“個(gè)性化創(chuàng)意、模塊化細(xì)分、彈性化時(shí)空、數(shù)字化管理、審核化評(píng)價(jià)、人性化環(huán)境”的新型教學(xué)模式，建設(shè)滿足學(xué)生進(jìn)行機(jī)器人自主實(shí)踐的環(huán)境。學(xué)生以個(gè)性化創(chuàng)意為興趣制作機(jī)器人作品，通過(guò)參加學(xué)科競(jìng)賽、申報(bào)科技項(xiàng)目、申請(qǐng)專利等取得學(xué)習(xí)成果，獲得學(xué)習(xí)成就感，達(dá)到熟練掌握機(jī)器人開發(fā)技術(shù)，具有“敢想敢做”的機(jī)器人開發(fā)和創(chuàng)新能力，具有機(jī)器人工程師的基本素質(zhì)［8-10］。

2 教學(xué)模式

基于OBE的機(jī)器人綜合實(shí)訓(xùn)教學(xué)模式改革，以學(xué)生“個(gè)性化創(chuàng)意”為興趣，對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行“模塊化細(xì)分”，建立“彈性化時(shí)空”自主實(shí)踐的學(xué)習(xí)形式，創(chuàng)建虛擬社區(qū)實(shí)現(xiàn)教學(xué)過(guò)程“數(shù)字化管理”，在“人性化環(huán)境”中自主制作創(chuàng)新的機(jī)器人作品，采用“用自己的尺子量自己”對(duì)學(xué)生的機(jī)器人作品進(jìn)行“審核化評(píng)價(jià)”，最后用機(jī)器人作品參加學(xué)科競(jìng)賽、申請(qǐng)科技項(xiàng)目、申請(qǐng)專利取得學(xué)習(xí)成果，獲得學(xué)習(xí)成就感。改革后教學(xué)模式的流程如圖1所示。

圖1 機(jī)器人綜合實(shí)訓(xùn)教學(xué)模式的流程圖

2.1 “個(gè)性化創(chuàng)意”—激發(fā)學(xué)習(xí)興趣

機(jī)器人綜合實(shí)訓(xùn)以個(gè)性化創(chuàng)意為興趣，鼓勵(lì)學(xué)生制作創(chuàng)新的機(jī)器人作品。個(gè)性化創(chuàng)意激發(fā)學(xué)生異想天開、富于夢(mèng)想進(jìn)行自主實(shí)踐，是學(xué)生進(jìn)行實(shí)踐的內(nèi)在動(dòng)力。指導(dǎo)教師引導(dǎo)學(xué)生以省大學(xué)生機(jī)械設(shè)計(jì)（慧魚）競(jìng)賽、省大學(xué)生機(jī)器人競(jìng)賽和省大學(xué)生工程訓(xùn)練競(jìng)賽的主題為目標(biāo)進(jìn)行個(gè)性化創(chuàng)意，學(xué)生作品完成后即可參加校級(jí)、省級(jí)相關(guān)競(jìng)賽；學(xué)生也可根據(jù)興趣進(jìn)行個(gè)性化創(chuàng)意的非競(jìng)賽類機(jī)器人作品制作，指導(dǎo)教師引導(dǎo)學(xué)生用個(gè)性化創(chuàng)意的機(jī)器人作品申報(bào)學(xué)生科技項(xiàng)目或?qū)＠?。通過(guò)作品獲獎(jiǎng)、申請(qǐng)科技項(xiàng)目和授權(quán)專利等學(xué)習(xí)成果增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)成就感，拓寬學(xué)生作品范圍，學(xué)生之間展開良性競(jìng)爭(zhēng)，可以顯著提升作品的多樣性和質(zhì)量。

2.2 “模塊化細(xì)分”—優(yōu)選教學(xué)內(nèi)容

機(jī)器人綜合實(shí)訓(xùn)把教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行模塊化細(xì)分，主要分為機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與搭接、機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與編程和機(jī)器人自主設(shè)計(jì)與制作等3個(gè)學(xué)習(xí)模塊，每個(gè)模塊細(xì)分為不同內(nèi)容，見(jiàn)表1。

表1 機(jī)器人綜合實(shí)訓(xùn)教學(xué)內(nèi)容的模塊化細(xì)分

2.3 “彈性化時(shí)空”—靈活學(xué)習(xí)形式

彈性化時(shí)空是學(xué)習(xí)的時(shí)間和空間根據(jù)學(xué)生自主實(shí)踐需求充分開放，包括時(shí)間、軟硬件教學(xué)資源及所在空間的開放。學(xué)生駐實(shí)驗(yàn)室的時(shí)間及實(shí)驗(yàn)室依賴程度是培養(yǎng)應(yīng)用型人才的重要標(biāo)志，是教學(xué)資源配置優(yōu)化程度的主要標(biāo)志［9］。

（1）彈性化時(shí)間。把3周延長(zhǎng)到學(xué)期末，分為集中實(shí)訓(xùn)和分散訓(xùn)練兩個(gè)階段，分散訓(xùn)練階段學(xué)生在課余時(shí)間自由安排。

集中實(shí)訓(xùn)時(shí)間3周，主要進(jìn)行機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與搭接、機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與制作等訓(xùn)練。要求學(xué)生組隊(duì)進(jìn)行個(gè)性化創(chuàng)意后自主設(shè)計(jì)制作慧魚機(jī)器人，完成搭接、制作基于單片機(jī)的電路板、設(shè)計(jì)編制程序，實(shí)現(xiàn)預(yù)設(shè)功能。每個(gè)團(tuán)隊(duì)成員搭接慧魚機(jī)器人的某一部件，每個(gè)團(tuán)隊(duì)成員參與電路板制作、控制系統(tǒng)程序某一模塊制作和編程，最后組裝調(diào)試完成慧魚機(jī)器人作品的預(yù)設(shè)功能，集中實(shí)訓(xùn)后進(jìn)行考核。完成后參加學(xué)科競(jìng)賽、申報(bào)科技項(xiàng)目、申請(qǐng)專利等。

分散訓(xùn)練時(shí)間2個(gè)月，主要進(jìn)行機(jī)器人自主設(shè)計(jì)與制作的訓(xùn)練。要求學(xué)生組隊(duì)自由進(jìn)行個(gè)性化創(chuàng)意設(shè)計(jì)制作創(chuàng)新機(jī)器人，通過(guò)3D打印機(jī)和數(shù)控機(jī)床等完成零部件加工并組裝機(jī)器人本體，然后完成控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和制作，最后整機(jī)調(diào)試實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新機(jī)器人作品的預(yù)設(shè)功能，學(xué)期末進(jìn)行考核。完成后參加學(xué)科競(jìng)賽、申報(bào)科技項(xiàng)目、申請(qǐng)專利等。

（2）彈性化空間。機(jī)器人創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室的軟硬件教學(xué)資源及空間對(duì)學(xué)生全天開放，學(xué)生刷卡自由進(jìn)入機(jī)器人創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行自主實(shí)踐。

彈性化時(shí)空的教學(xué)形式導(dǎo)致教學(xué)指導(dǎo)工作量大大增加，為了解決此問(wèn)題，建立協(xié)會(huì)制和虛擬社區(qū)進(jìn)行實(shí)時(shí)日常管理。機(jī)器人創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室成立了大學(xué)生機(jī)器人創(chuàng)新協(xié)會(huì)，大學(xué)生機(jī)器人協(xié)會(huì)高年級(jí)學(xué)員負(fù)責(zé)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室的日常管理和指導(dǎo)，指導(dǎo)教師會(huì)定期去實(shí)驗(yàn)室指導(dǎo)或?qū)崟r(shí)在虛擬社區(qū)進(jìn)行答疑解惑。

2.4 “數(shù)字化管理”—?jiǎng)?chuàng)新管理方式

機(jī)器人綜合實(shí)訓(xùn)不但注重創(chuàng)新作品，也注重過(guò)程監(jiān)督，實(shí)訓(xùn)過(guò)程采用數(shù)字化管理［11］。首先，創(chuàng)建一個(gè)基于QQ群的機(jī)器人綜合實(shí)訓(xùn)虛擬社區(qū)，指導(dǎo)教師通過(guò)QQ群的作業(yè)模塊設(shè)置3個(gè)學(xué)習(xí)模塊，并發(fā)布每個(gè)模塊的實(shí)訓(xùn)任務(wù)、實(shí)訓(xùn)安排和考核要求等。其次，每個(gè)學(xué)生通過(guò)QQ群的各個(gè)學(xué)習(xí)模塊提交機(jī)器人設(shè)計(jì)圖紙、搭接照片、電路板設(shè)計(jì)圖、電路板照片、程序流程圖、編制程序、機(jī)器人照片及視頻等過(guò)程材料，這些材料將作為模塊考核內(nèi)容；QQ群作為老師平時(shí)答疑及學(xué)生討論的虛擬社區(qū)，學(xué)生在QQ群的發(fā)言數(shù)量會(huì)被QQ群自動(dòng)記為活躍度，活躍度作為評(píng)價(jià)平時(shí)成績(jī)的主要依據(jù)。通過(guò)QQ群提交的過(guò)程材料對(duì)每個(gè)學(xué)生都可見(jiàn)，即可互相參考，也可互相監(jiān)督等，是一種客觀公開的管理方式。

2.5 “審核化評(píng)價(jià)”—用自己的尺子量自己

機(jī)器人綜合實(shí)訓(xùn)的成績(jī)?cè)u(píng)定是根據(jù)團(tuán)隊(duì)預(yù)期目標(biāo)完成度采用審核化評(píng)價(jià)［12］，審核化評(píng)價(jià)減輕學(xué)生壓力，激發(fā)學(xué)生自主實(shí)踐的興趣。每個(gè)模塊的作品由團(tuán)隊(duì)自主設(shè)定考核技術(shù)指標(biāo)，指導(dǎo)教師根據(jù)“用自己的尺子量自己”進(jìn)行審核化評(píng)價(jià)。

考核不僅對(duì)慧魚機(jī)器人和創(chuàng)新機(jī)器人作品進(jìn)行評(píng)價(jià)，也強(qiáng)調(diào)過(guò)程評(píng)價(jià)。設(shè)置4個(gè)考核項(xiàng)目，平時(shí)成績(jī)主要是統(tǒng)計(jì)虛擬社區(qū)的活躍度進(jìn)行客觀評(píng)價(jià)，其他3個(gè)考核項(xiàng)目成績(jī)根據(jù)團(tuán)隊(duì)預(yù)設(shè)的指標(biāo)完成度進(jìn)行評(píng)價(jià)，見(jiàn)表2。綜合4個(gè)考核項(xiàng)目成績(jī)?cè)u(píng)定團(tuán)隊(duì)成績(jī)，每個(gè)團(tuán)隊(duì)成員成績(jī)相同，通過(guò)相同成績(jī)鞭策每個(gè)團(tuán)隊(duì)成員都要努力為團(tuán)隊(duì)貢獻(xiàn)，培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)合作精神和協(xié)作能力。

表2 考核指標(biāo)、內(nèi)容及成績(jī)權(quán)重

2.6 “人性化環(huán)境”—整合實(shí)訓(xùn)資源

為配合改革，對(duì)現(xiàn)有機(jī)器人教育資源進(jìn)行合理配置，以自主實(shí)踐為目標(biāo)整合成機(jī)器人創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室，建立了人性化環(huán)境［13-15］。機(jī)器人創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室由機(jī)器人拆裝工坊和機(jī)器人創(chuàng)新工坊組成，安裝了門禁系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)，由學(xué)生自主管理，全天開放。機(jī)器人拆裝工坊有直角坐標(biāo)機(jī)器人、圓柱坐標(biāo)機(jī)器人、球坐標(biāo)機(jī)器人、關(guān)節(jié)機(jī)器人等，如圖2所示。機(jī)器人創(chuàng)新工坊有3D打印機(jī)、數(shù)控機(jī)床、70套慧魚機(jī)器人，有3D打印材料、鋁板、鋁型材等機(jī)械加工耗材，還有舵機(jī)和單片機(jī)等電子元器件，供學(xué)生進(jìn)行慧魚機(jī)器人和創(chuàng)新機(jī)器人設(shè)計(jì)搭接的日?；顒?dòng)等，學(xué)生機(jī)器人競(jìng)賽活動(dòng)如圖3所示。

圖2 機(jī)器人拆裝工坊

圖3 學(xué)生競(jìng)賽活動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)

3 改革成效

（1）改革前后學(xué)生成績(jī)對(duì)比見(jiàn)表3，2019年比2018年學(xué)生的實(shí)訓(xùn)成績(jī)明顯提高，2019年全部合格，優(yōu)秀率也明顯提高。（2）改革前后學(xué)生的學(xué)習(xí)成果對(duì)比見(jiàn)表4，2019年比2018年的學(xué)生作品獲獎(jiǎng)數(shù)量和級(jí)別明顯提高，其中獲得省學(xué)科競(jìng)賽一等獎(jiǎng)3項(xiàng)；學(xué)生作品申請(qǐng)到的學(xué)生科技項(xiàng)目數(shù)量明顯增多，其中省級(jí)項(xiàng)目3項(xiàng)，國(guó)家級(jí)項(xiàng)目2項(xiàng)；學(xué)生作品申請(qǐng)專利數(shù)量也明顯增多，學(xué)生設(shè)計(jì)的“智能打粉機(jī)器人”技術(shù)方案申請(qǐng)了4項(xiàng)發(fā)明專利。

表3 改革前后學(xué)生成績(jī) %

表4 改革前后學(xué)習(xí)成果

實(shí)施了基于OBE的機(jī)器人綜合實(shí)訓(xùn)教學(xué)模式改革后，學(xué)生成績(jī)明顯提高，作品獲獎(jiǎng)、申請(qǐng)到科技項(xiàng)目、申請(qǐng)專利等學(xué)習(xí)成果數(shù)量也明顯增多，表明學(xué)生較熟練掌握了機(jī)器人開發(fā)技術(shù)以及基本的機(jī)器人開發(fā)和創(chuàng)新能力，具有機(jī)器人工程師的基本素質(zhì)。

4 結(jié)語(yǔ)

基于OBE的機(jī)器人綜合實(shí)訓(xùn)的教學(xué)模式改革，優(yōu)化了教學(xué)過(guò)程，建立了完善的機(jī)器人開發(fā)自主實(shí)踐環(huán)境，收到了良好的實(shí)訓(xùn)成效，提高了實(shí)訓(xùn)質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)了改革目標(biāo)。這種教學(xué)模式保障了學(xué)生駐實(shí)驗(yàn)室的時(shí)間權(quán)和空間權(quán)，提高了學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)室依賴程度，學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度實(shí)現(xiàn)從“要我學(xué)”到“我要學(xué)”的轉(zhuǎn)變。指導(dǎo)教師在實(shí)訓(xùn)教學(xué)過(guò)程中，與學(xué)生結(jié)下良好感情，指導(dǎo)學(xué)生獲得學(xué)習(xí)成果的同時(shí)也取得了豐富的教研成果，形成了一種良性循環(huán)的積極氛圍。

·名人名言·

我不喜歡那種沒(méi)有實(shí)驗(yàn)的枯燥的講課，因?yàn)闅w根到底所有的科學(xué)進(jìn)展都是從實(shí)驗(yàn)開始的。

——奧斯特