多學(xué)科交叉的人才培養(yǎng)模式研究

馬春生 曾建潮 高春強(qiáng) 曾志強(qiáng) 嚴(yán)紹進(jìn)

摘? 要：機(jī)器人工程專業(yè)人才的培養(yǎng)規(guī)模，無法滿足市場(chǎng)的人才需要，高校通過智能機(jī)器人“微專業(yè)”的培養(yǎng)模式，擴(kuò)大了機(jī)器人人才培養(yǎng)規(guī)模。利用課余時(shí)間和學(xué)生興趣為導(dǎo)向，以機(jī)器人背景的項(xiàng)目為載體，實(shí)踐制作為主，分級(jí)建構(gòu)課程項(xiàng)目序列，按照小組學(xué)習(xí)和雙導(dǎo)師制模式，通過在線學(xué)習(xí)平臺(tái)的支撐，完成微專業(yè)的學(xué)習(xí)，微專業(yè)是人才培養(yǎng)模式的有益補(bǔ)充，為人才培養(yǎng)提供了新思路。

關(guān)鍵詞：微專業(yè);智能機(jī)器人;小組學(xué)習(xí);雙導(dǎo)師

中圖分類號(hào)：C961 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2096-000X（2021）08-0133-04

Abstract： The training scale of robot engineering professionals cannot meet the need of talents in the market， and colleges and universities have expanded the training scale of robot talents through the training mode of "micro-professional" of intelligent robots. Using students' spare time and interest as the guide， taking robot-based projects as the carrier， practice-based production， and grading the course sequence， constructing a micro-professional learning through the support of an online learning platform according to the group learning and dual mentor system model. Micro-professional is a useful supplement to the program requirements and provides new ideas for cultivation planning.

Keywords：micro-professional; intelligent robot; group study; double mentor

機(jī)器人產(chǎn)業(yè)是我國(guó)的戰(zhàn)略支柱產(chǎn)業(yè)，隨著機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，機(jī)器人專業(yè)人才的需求與日俱增，但依靠高校“機(jī)器人工程”專業(yè)培養(yǎng)的人才，無法滿足市場(chǎng)人才需要。

“機(jī)器人工程”專業(yè)是一個(gè)多領(lǐng)域交叉融合的前沿學(xué)科[1]，為了解決人才的供需矛盾，通過設(shè)立智能機(jī)器人“微專業(yè)”，把機(jī)電類、通信類、計(jì)算機(jī)類等與“機(jī)器人工程”相近專業(yè)的優(yōu)秀學(xué)生吸引來，通過彌補(bǔ)其原專業(yè)的欠缺，培養(yǎng)出可從事機(jī)器人領(lǐng)域工作的技能，富有多學(xué)科交叉融合能力以及較強(qiáng)的工程實(shí)踐能力的高素質(zhì)人才[2]。

一、課程體系的理念

（一）以實(shí)踐項(xiàng)目的成果為導(dǎo)向，實(shí)現(xiàn)知識(shí)與能力的融合

微專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)是彌補(bǔ)其原專業(yè)與機(jī)器人工程專業(yè)的欠缺，使學(xué)生能夠運(yùn)用機(jī)器人專業(yè)知識(shí)設(shè)計(jì)有效的工程技術(shù)解決方案。

微專業(yè)的課程設(shè)置以實(shí)踐項(xiàng)目為載體，以“智能機(jī)器人”為背景，以“知識(shí)能力”的有機(jī)融合，能夠解決復(fù)雜問題的綜合能力為目標(biāo)。

課程體系如圖1所示，以三級(jí)項(xiàng)目為核心，分為一級(jí)課程學(xué)習(xí)項(xiàng)目、二級(jí)課群學(xué)習(xí)項(xiàng)目、三級(jí)項(xiàng)目設(shè)計(jì)類和四級(jí)產(chǎn)品設(shè)計(jì)類。

一級(jí)項(xiàng)目主要目標(biāo)是奠定機(jī)器人基礎(chǔ)知識(shí)。通過基礎(chǔ)課程項(xiàng)目選擇和訓(xùn)練，補(bǔ)充學(xué)生在原專業(yè)沒有學(xué)習(xí)的機(jī)器人學(xué)科基礎(chǔ)課程內(nèi)容。片面的單個(gè)課程的學(xué)習(xí)，并不能滿足多學(xué)科交叉融合能力的培養(yǎng)，同時(shí)，由于微專業(yè)的學(xué)生是在課余時(shí)間訓(xùn)練，無法有充裕的時(shí)間作為保證，通過二級(jí)和三級(jí)項(xiàng)目設(shè)置，以團(tuán)隊(duì)合作方式，按照機(jī)器人相關(guān)課群進(jìn)行項(xiàng)目的應(yīng)用和設(shè)計(jì)，提高學(xué)習(xí)效率。最后，通過四級(jí)產(chǎn)品設(shè)計(jì)類項(xiàng)目的訓(xùn)練，達(dá)到解決復(fù)雜問題的綜合能力的培養(yǎng)目標(biāo)。

（二）以“支架式”理念，建構(gòu)課程序列

微專業(yè)的學(xué)習(xí)，時(shí)間不占優(yōu)勢(shì)，因此要充分發(fā)揮學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，科學(xué)設(shè)計(jì)課程項(xiàng)目序列，達(dá)到有效、高效的訓(xùn)練計(jì)劃。

課程體系采用支架式建構(gòu)過程，即學(xué)習(xí)階段、實(shí)踐階段、應(yīng)用階段和研究階段，通過設(shè)計(jì)合理的漸進(jìn)螺旋式實(shí)踐項(xiàng)目的學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)最終智能機(jī)器人微專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)，如圖2所示。由于智能機(jī)器人微專業(yè)課程涉及多學(xué)科交叉融合，所以項(xiàng)目設(shè)置充分考慮融合的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)本專業(yè)與微專業(yè)的融合、知識(shí)與能力的融合、競(jìng)賽與項(xiàng)目的融合、理論與實(shí)踐的融合。

二、課程體系的設(shè)計(jì)

（一）項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)體系結(jié)構(gòu)

按照培養(yǎng)目標(biāo)和學(xué)生的可利用時(shí)間，微專業(yè)設(shè)定了兩年的學(xué)習(xí)計(jì)劃，即四個(gè)學(xué)期的課余時(shí)間和兩個(gè)暑假完成教學(xué)項(xiàng)目。

根據(jù)課程體系的設(shè)計(jì)理念，按照項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)能力的要求，進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)。詳細(xì)項(xiàng)目設(shè)計(jì)，如表1所示。通過項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)目標(biāo)不同進(jìn)行分類，按照四級(jí)遞進(jìn)完成項(xiàng)目的學(xué)習(xí)過程。

第一年，主要考慮基礎(chǔ)項(xiàng)目的學(xué)習(xí)，從機(jī)械、軟件和控制三個(gè)角度，補(bǔ)充機(jī)器人相關(guān)專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)。

項(xiàng)目一：智能機(jī)器人走迷宮（編程類）

項(xiàng)目二：車牌識(shí)別軟件開發(fā)（編程類）

項(xiàng)目三：機(jī)器人無線通信模塊（控制類）

項(xiàng)目四：機(jī)器人視覺圖像采集模塊設(shè)計(jì)（控制類）

項(xiàng)目五：移動(dòng)機(jī)器人設(shè)計(jì)與制作（機(jī)械類）

項(xiàng)目六：類人機(jī)器人腿部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（機(jī)械類）

對(duì)于智能機(jī)器人的設(shè)計(jì)，環(huán)境感知技術(shù)是基礎(chǔ)，控制是關(guān)鍵，本體是骨架。

項(xiàng)目一和項(xiàng)目二是編程類項(xiàng)目，主要涉及《語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)》類和《數(shù)字圖像處理與模式識(shí)別》類課程。通過項(xiàng)目訓(xùn)練，學(xué)生能夠應(yīng)用語(yǔ)言程序中的基礎(chǔ)知識(shí)，能夠歸納出軟件開發(fā)流程，增強(qiáng)學(xué)生應(yīng)用程序，分析和解決環(huán)境感知問題的能力。

項(xiàng)目三和項(xiàng)目四是控制類項(xiàng)目，主要涉及《機(jī)器人通信技術(shù)》《單片機(jī)原理與接口技術(shù)》《機(jī)器人感知技術(shù)（傳感器）》等課程。學(xué)生能夠應(yīng)用機(jī)器人視覺圖像采集系統(tǒng)的軟、硬件的設(shè)計(jì)方法，應(yīng)用機(jī)器人協(xié)調(diào)工作、人機(jī)交互的通信系統(tǒng)知識(shí)，能夠提出對(duì)機(jī)器人圖像采集和通信問題的解決方案，培養(yǎng)學(xué)生的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)能力。

項(xiàng)目五和項(xiàng)目六是機(jī)械類項(xiàng)目，主要涉及《機(jī)械制圖》《機(jī)械原理》《機(jī)械設(shè)計(jì)》等課程，學(xué)生能夠通過應(yīng)用機(jī)械類課程相關(guān)知識(shí)，解決機(jī)械工程中相關(guān)設(shè)計(jì)問題，同時(shí)能夠利用繪圖軟件完成機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

通過六個(gè)項(xiàng)目的訓(xùn)練，學(xué)生能夠?qū)C(jī)器人的感知、控制和本體有深入的體會(huì)和對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)的理解，實(shí)現(xiàn)第一階段對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)拓展的目標(biāo)。

第二年，是核心階段，目標(biāo)在于應(yīng)用。通過課群項(xiàng)目和競(jìng)賽項(xiàng)目的訓(xùn)練，學(xué)習(xí)應(yīng)用機(jī)器人相關(guān)知識(shí)[3]。最后，在完成應(yīng)用的基礎(chǔ)上，進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)利用專業(yè)知識(shí)解決機(jī)器人領(lǐng)域相關(guān)實(shí)際問題。

在課群項(xiàng)目中，設(shè)計(jì)了三個(gè)項(xiàng)目，供學(xué)生自主選擇其一完成，每個(gè)項(xiàng)目需要軟件、控制和機(jī)械的3個(gè)學(xué)生形成學(xué)習(xí)小組，協(xié)同合作，共同完成。

項(xiàng)目七：魔方復(fù)原機(jī)器人

項(xiàng)目八：擂臺(tái)機(jī)器人

項(xiàng)目九：物流機(jī)器人

課群項(xiàng)目以前面的六個(gè)項(xiàng)目為基礎(chǔ)，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)軟件、控制和機(jī)械的交叉融合，讓每個(gè)學(xué)生在完成項(xiàng)目的訓(xùn)練過程中，不但能夠發(fā)揮自身專業(yè)的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)利用軟件、控制和機(jī)械的交叉融合學(xué)習(xí)小組，學(xué)習(xí)機(jī)器人涉及的其他專業(yè)知識(shí)，融會(huì)貫通，互相促進(jìn)。

通過一、二級(jí)項(xiàng)目的訓(xùn)練，學(xué)生基本具備制作機(jī)器人的基礎(chǔ)，為了提高學(xué)生的興趣和獲得感，三級(jí)項(xiàng)目以賽代練，通過選擇與機(jī)器人相關(guān)的競(jìng)賽項(xiàng)目，搭建高水平競(jìng)賽平臺(tái)，讓學(xué)生在實(shí)戰(zhàn)中發(fā)現(xiàn)問題，解決問題，提高設(shè)計(jì)能力。

經(jīng)過三個(gè)層次的訓(xùn)練，學(xué)生形成了自己關(guān)于機(jī)器人的設(shè)計(jì)思想和解決問題的方法，因此四級(jí)項(xiàng)目以創(chuàng)新為導(dǎo)向，以工程實(shí)踐能力提升為目標(biāo)，導(dǎo)師根據(jù)機(jī)器人實(shí)踐應(yīng)用背景，與學(xué)生共同探討題目，學(xué)生在導(dǎo)師、學(xué)習(xí)小組和在線學(xué)習(xí)的共同努力下，完成論文、專利和設(shè)計(jì)實(shí)物等學(xué)習(xí)成果。

（二）建立“學(xué)生小組-雙導(dǎo)師-班級(jí)”的三級(jí)教學(xué)管理模式

微專業(yè)班級(jí)的教學(xué)管理模式如圖3所示，5個(gè)同學(xué)形成學(xué)習(xí)小組。充分考慮同學(xué)在多學(xué)科背景下的團(tuán)隊(duì)中承擔(dān)個(gè)體、團(tuán)隊(duì)成員以及負(fù)責(zé)人的角色，一個(gè)團(tuán)隊(duì)中的成員包括了機(jī)械、控制、軟件三個(gè)專業(yè)的學(xué)生。

小組通過雙導(dǎo)師制管理，實(shí)現(xiàn)多學(xué)科背景下的教學(xué)過程。一個(gè)為指導(dǎo)老師，對(duì)學(xué)生總體指導(dǎo)，另一個(gè)為動(dòng)態(tài)專業(yè)指導(dǎo)老師，不同的老師對(duì)不同專業(yè)、不同階段、不同項(xiàng)目指導(dǎo)學(xué)生小組答疑解惑。所有的小組，構(gòu)成班級(jí)，統(tǒng)一執(zhí)行培養(yǎng)計(jì)劃。

三、課程實(shí)施過程

（一）教學(xué)組織流程

教學(xué)過程以項(xiàng)目為載體，學(xué)生為中心，實(shí)踐為主導(dǎo)，貫徹少講多練，重在實(shí)踐的理念。[4]教學(xué)通過開發(fā)的“微課堂”網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)進(jìn)行項(xiàng)目的實(shí)施，通過“線上+線下”和“實(shí)踐+討論”相結(jié)合的模式組織教學(xué)，如圖4所示。

首先，平臺(tái)發(fā)布項(xiàng)目，教師集中講解項(xiàng)目設(shè)計(jì)目標(biāo)、任務(wù)、要求和難點(diǎn)問題。同時(shí)提供老師錄制的項(xiàng)目所需知識(shí)點(diǎn)的微視頻及項(xiàng)目制作的必要流程。

學(xué)生通過線上的“微課堂”自主學(xué)習(xí)項(xiàng)目相關(guān)知識(shí)和技能，線下通過小組討論和老師答疑互動(dòng)，逐步完成項(xiàng)目的制作，達(dá)到知識(shí)的積累，同時(shí)培養(yǎng)了學(xué)生的終生學(xué)習(xí)能力、團(tuán)隊(duì)交流能力和解決工程問題等方面的能力。平臺(tái)數(shù)據(jù)對(duì)學(xué)生實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)的全過程有效監(jiān)控，及時(shí)反饋項(xiàng)目信息，提高了自主性學(xué)習(xí)的質(zhì)量[5]。

（二）項(xiàng)目實(shí)施具體過程

下面以項(xiàng)目四“機(jī)器人視覺圖像采集模塊設(shè)計(jì)”為例，進(jìn)行智能機(jī)器人微專業(yè)的教學(xué)過程。

1. 項(xiàng)目準(zhǔn)備

經(jīng)過教學(xué)團(tuán)隊(duì)的討論，項(xiàng)目四涉及的主要課程為圖像處理與模式識(shí)別、單片機(jī)原理與接口技術(shù)，教學(xué)目標(biāo)是學(xué)生能夠應(yīng)用機(jī)器人視覺圖像采集系統(tǒng)的軟、硬件的設(shè)計(jì)方法，提出對(duì)機(jī)器人圖像采集和通信問題的解決方案，提高學(xué)生的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)能力。項(xiàng)目完成的難點(diǎn)主要有三部分，顏色識(shí)別、形狀識(shí)別和標(biāo)注、MV和單片機(jī)連接及中心坐標(biāo)。教師提前錄制這三部分內(nèi)容涉及到的知識(shí)點(diǎn)相關(guān)微視頻，提供學(xué)習(xí)素材，不直接講解如何完成，提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，微視頻上傳到教學(xué)平臺(tái)。

2. 項(xiàng)目的發(fā)布

項(xiàng)目設(shè)計(jì)教師團(tuán)隊(duì)集體向?qū)W生發(fā)布項(xiàng)目，重點(diǎn)介紹項(xiàng)目的任務(wù)和要求，并給學(xué)生說明最終要提交的成果和答疑老師、指導(dǎo)老師的職責(zé)與時(shí)間安排表。

同時(shí)提供本項(xiàng)目需要用到的硬件：開發(fā)系統(tǒng)套件、攝像頭模塊和杜邦線等，實(shí)驗(yàn)室配備焊槍、萬(wàn)用表、鑷子等工具。

3. 項(xiàng)目制作過程

項(xiàng)目發(fā)布后，大部分學(xué)生不知如何分配時(shí)間，答疑教師會(huì)制定詳細(xì)的周進(jìn)度表，指導(dǎo)教師根據(jù)周進(jìn)度表督促學(xué)生依據(jù)計(jì)劃、按時(shí)間完成相關(guān)內(nèi)容。

學(xué)生在項(xiàng)目學(xué)習(xí)和制作過程中，會(huì)遇到各種困難和問題，需要通過自主學(xué)習(xí)、小組討論、生生對(duì)話、教師答疑等方式得以解決。教師會(huì)在周末集中面對(duì)面答疑，主要解決學(xué)生的思路問題，充分發(fā)揮指導(dǎo)作用，避免讓學(xué)生少走彎路。生生間的對(duì)話，主要討論具體的學(xué)習(xí)、制作問題，形成學(xué)習(xí)協(xié)助小組。

不僅形成學(xué)習(xí)小組，微專業(yè)實(shí)驗(yàn)班每周開展一次“機(jī)器人大講堂”，大講堂的主角是學(xué)生，主要內(nèi)容有兩方面，一方面是介紹國(guó)內(nèi)外機(jī)器人相關(guān)前沿動(dòng)態(tài)，開闊視野;另一方面，項(xiàng)目制作優(yōu)秀的學(xué)生，講述項(xiàng)目制作思路和方法。通過分享對(duì)項(xiàng)目的想法、觀點(diǎn)、難點(diǎn)知識(shí)和制作技能，形成集體共同學(xué)習(xí)的班級(jí)氛圍，達(dá)到共同參與、交流、共贏的認(rèn)知活動(dòng)，促進(jìn)學(xué)生積極主動(dòng)學(xué)習(xí)。

4. 中期檢查

項(xiàng)目完成主要內(nèi)容后，包括顏色識(shí)別、形狀識(shí)別和標(biāo)注、單片機(jī)連接，進(jìn)行中期檢查。通過教師的中期檢查，一方面了解班級(jí)的整體學(xué)習(xí)和制作進(jìn)度，另一方面發(fā)現(xiàn)共性問題，提出改進(jìn)意見和預(yù)期目標(biāo)。

中期檢查結(jié)束后，教師會(huì)給學(xué)生講授項(xiàng)目制作過程中的共性問題及解決思路，總結(jié)項(xiàng)目制作過程中的創(chuàng)新點(diǎn)及整體改進(jìn)方案。同時(shí)，對(duì)于學(xué)有余力的同學(xué)，提供項(xiàng)目制作的拓展問題，增加挑戰(zhàn)度。提高學(xué)習(xí)興趣。

5. 項(xiàng)目答辯

最后，按照項(xiàng)目發(fā)布任務(wù)書的要求和時(shí)間節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行答辯，答辯方式參考課程設(shè)計(jì)要求，項(xiàng)目成果包括設(shè)計(jì)說明書、實(shí)物演示、講授、答疑等環(huán)節(jié)。

6. 總結(jié)

項(xiàng)目答辯完成后，學(xué)生上傳項(xiàng)目制作的程序、視頻、說明書等成果到微課堂平臺(tái)，積累學(xué)習(xí)資料。

最后環(huán)節(jié)，學(xué)生要寫項(xiàng)目自評(píng)報(bào)告，不僅要知道如何制作，更應(yīng)該探究為什么這樣做，項(xiàng)目制作是載體，項(xiàng)目實(shí)施是過程，項(xiàng)目的最終目標(biāo)是學(xué)生能夠提高自主學(xué)習(xí)能力和終生學(xué)習(xí)能力。通過學(xué)生的自我提問和反思，產(chǎn)生對(duì)知識(shí)的探究熱情和求知興趣，這是項(xiàng)目實(shí)施的關(guān)鍵。

四、課程體系評(píng)價(jià)機(jī)制

（一）建立動(dòng)態(tài)“流動(dòng)”的學(xué)生評(píng)價(jià)機(jī)制

微專業(yè)的學(xué)生以智能機(jī)器人的興趣為導(dǎo)向，以創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力培養(yǎng)為依據(jù)，從一年級(jí)學(xué)生中選拔，學(xué)生利用課余時(shí)間和暑期完成項(xiàng)目的制作。通過建立學(xué)生流動(dòng)機(jī)制，進(jìn)一步促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，在公平、公開的競(jìng)爭(zhēng)學(xué)習(xí)中，保障項(xiàng)目的實(shí)施質(zhì)量。

（二）建立課程項(xiàng)目的多維度反饋機(jī)制

以項(xiàng)目為載體、以成果為導(dǎo)向的教學(xué)實(shí)踐過程，需要建立一種有效的持續(xù)改進(jìn)機(jī)制，從而能夠持續(xù)地改進(jìn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)。通過“微課堂”平臺(tái)，建立實(shí)踐過程反饋機(jī)制、項(xiàng)目制作質(zhì)量反饋機(jī)制和項(xiàng)目成果反饋機(jī)制，通過全過程跟蹤學(xué)生的單個(gè)項(xiàng)目完成情況和總體項(xiàng)目完成效果，利用多維度反饋，進(jìn)行縱向和橫向?qū)Ρ确治?，及時(shí)調(diào)整實(shí)踐項(xiàng)目。

五、結(jié)束語(yǔ)

微專業(yè)，首次招生91名學(xué)生和20名兼職教師，通過兩年的實(shí)踐，取得了很好的效果，在以下三方面最為突出。

1. 能夠把專業(yè)知識(shí)應(yīng)用到解決機(jī)器人領(lǐng)域的實(shí)際問題，提高了探究學(xué)習(xí)能力。

2. 小組完成項(xiàng)目的訓(xùn)練，提高了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作和自主學(xué)習(xí)能力。

3. 能夠建立解決問題的思維模式，實(shí)現(xiàn)了元認(rèn)知的提升。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳婧姍，王雨潔，朱凌.學(xué)科交叉：未來工程師培養(yǎng)的必由之路——以機(jī)器人工程專業(yè)為例[J].高等工程教育研究，2020（2）：68-75.

[2]余小波，張歡歡.人工智能時(shí)代的高等教育人才培養(yǎng)觀探析[J].大學(xué)教育科學(xué)，2019（1）：75-81.

[3]王冬花，元萌.“以賽促學(xué)”的主動(dòng)實(shí)踐能力培養(yǎng)模式探究[J].長(zhǎng)沙大學(xué)學(xué)報(bào)，2018，32（2）：133-134.

[4]孫晶，崔巖，王德倫，等.新工科背景下拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)的工程融合式課程體系建設(shè)[J].高教學(xué)刊，2018（19）：33-38.

[5]葉民，錢輝.新業(yè)態(tài)之新與新工科之新[J].高等工程教育研究，2017（4）：5-9.