大數(shù)據(jù)背景下機(jī)器人學(xué)課程教學(xué)改革解析*

◆王貝貝 劉艷

0 引言

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，機(jī)器人已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于人們的日常工作和生活中，特別是在工業(yè)生產(chǎn)中，機(jī)器人可以應(yīng)用在很多復(fù)雜、危險(xiǎn)的工況中，當(dāng)前我國(guó)已成為全球第一大機(jī)器人應(yīng)用市場(chǎng)。在這樣的背景下，我國(guó)對(duì)于機(jī)器人專業(yè)的人才需求越來(lái)越大，相關(guān)高校機(jī)械工程專業(yè)應(yīng)進(jìn)一步深化機(jī)器人學(xué)課程教學(xué)改革，以培養(yǎng)出符合社會(huì)發(fā)展需求的高素質(zhì)專業(yè)人才。

1 大數(shù)據(jù)和機(jī)器人學(xué)概述

1.1 大數(shù)據(jù)

大數(shù)據(jù)是基于信息技術(shù)發(fā)展而興起的IT術(shù)語(yǔ)，泛指當(dāng)前時(shí)代背景下海量的數(shù)據(jù)信息，其發(fā)展與云計(jì)算技術(shù)密不可分。根據(jù)行業(yè)共識(shí)，大數(shù)據(jù)具有5V特點(diǎn)，即Volume、Velocity、Variety、Value 和Veracity。在信息時(shí)代背景下，大數(shù)據(jù)逐漸成為全球關(guān)注的重要戰(zhàn)略資源?；诖髷?shù)據(jù)的重要性，2015年9月，國(guó)務(wù)院印發(fā)《促進(jìn)大數(shù)據(jù)發(fā)展行動(dòng)綱要》（以下簡(jiǎn)稱《綱要》），對(duì)我國(guó)的大數(shù)據(jù)發(fā)展工作進(jìn)行系統(tǒng)部署。根據(jù)《綱要》要求，各大高校應(yīng)積極借助大數(shù)據(jù)技術(shù)創(chuàng)新教學(xué)改革思路，開(kāi)啟大眾創(chuàng)業(yè)、萬(wàn)眾創(chuàng)新的創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)新格局，從而培育高素質(zhì)的專業(yè)人才。

1.2 機(jī)器人學(xué)

機(jī)器人學(xué)又被稱為機(jī)器人技術(shù)和機(jī)器人工程學(xué)，是一門(mén)研究機(jī)器人設(shè)計(jì)、制造與應(yīng)用的學(xué)科。相對(duì)來(lái)說(shuō)，西方發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)機(jī)器人學(xué)研究的時(shí)間較早，而我國(guó)則是在20世紀(jì)80年代中期才開(kāi)始研究。最初，機(jī)器人學(xué)在高校尚未成立專門(mén)的院系，大都是機(jī)械工程院校研究生學(xué)習(xí)的課程，學(xué)習(xí)的內(nèi)容涉及機(jī)械學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制以及人工智能等方面。隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的機(jī)器人學(xué)課程設(shè)置已無(wú)法滿足新時(shí)代對(duì)于機(jī)器人專業(yè)人才培養(yǎng)的要求，隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)的興起，高校機(jī)器人學(xué)課程教學(xué)亟待改革。

2017 年10 月12 日，佛山機(jī)器人學(xué)院在廣東佛山成立，同時(shí)啟動(dòng)中德合作工業(yè)4.0示范生產(chǎn)線，該學(xué)院也成為德國(guó)漢諾威機(jī)器人學(xué)院唯一的品牌海外授權(quán)使用機(jī)構(gòu)。與此同時(shí)，湖南大學(xué)機(jī)器人學(xué)院、北京聯(lián)合大學(xué)機(jī)器人學(xué)院、東莞理工學(xué)院機(jī)器人學(xué)院、廣東工業(yè)大學(xué)粵港機(jī)器人學(xué)院、東北大學(xué)機(jī)器人科學(xué)與工程學(xué)院、福州職業(yè)技術(shù)學(xué)院智能機(jī)器人學(xué)院和哈爾濱工業(yè)大學(xué)科技機(jī)器人學(xué)院相繼成立。2018年，北京大學(xué)新增的機(jī)器人專業(yè)首次招生。目前，我國(guó)共有37所高校設(shè)立智能科學(xué)學(xué)科（即AI方向的學(xué)科），7所高校成立機(jī)器人學(xué)院，60余所高校在建機(jī)器人專業(yè)。

2 大數(shù)據(jù)背景下高校機(jī)器人學(xué)課程教學(xué)現(xiàn)狀

在實(shí)際教學(xué)中，機(jī)器人學(xué)涉及眾多學(xué)科，在大數(shù)據(jù)時(shí)代背景下，機(jī)器人學(xué)課程要求將大數(shù)據(jù)、人工智能等概念及關(guān)鍵技術(shù)、前沿知識(shí)等融入課程教學(xué)中，以機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)、線性代數(shù)、理論力學(xué)、控制工程等為先修課程，以開(kāi)闊學(xué)生的視野，提升他們的科學(xué)研究與實(shí)踐應(yīng)用能力為培養(yǎng)目標(biāo)?；诖耍瑱C(jī)器人學(xué)專業(yè)的學(xué)生必須具有深厚的數(shù)學(xué)知識(shí)儲(chǔ)備，同時(shí)要掌握相關(guān)領(lǐng)域的理論知識(shí)。我國(guó)高校開(kāi)設(shè)機(jī)器人專業(yè)的時(shí)間較晚，學(xué)生大都是統(tǒng)招的，在高中階段并未接觸過(guò)相關(guān)知識(shí)。因此，很多學(xué)生在學(xué)習(xí)時(shí)普遍感到該專業(yè)涉及的理論比較高深，知識(shí)面較寬，學(xué)習(xí)起來(lái)存在較多困難，嚴(yán)重影響了他們學(xué)習(xí)的積極性。目前，該課程教學(xué)主要存在以下幾個(gè)方面的問(wèn)題。

2.1 教學(xué)內(nèi)容繁雜，缺乏聯(lián)系性

在當(dāng)前開(kāi)設(shè)機(jī)器人工程學(xué)專業(yè)的高校中，機(jī)器人學(xué)課程教學(xué)大都以PUMA560六自由度機(jī)器人作為教學(xué)對(duì)象，在教學(xué)內(nèi)容方面很少涉及本學(xué)科最新發(fā)展前沿的研究成果，主要講述與本專業(yè)相關(guān)的基礎(chǔ)知識(shí)，包括數(shù)學(xué)知識(shí)、機(jī)械結(jié)構(gòu)知識(shí)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)知識(shí)以及傳感和控制等方面的知識(shí)，各個(gè)章節(jié)之間講述的內(nèi)容往往缺少聯(lián)系。這就導(dǎo)致本專業(yè)的學(xué)生在學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)時(shí)，普遍認(rèn)為課程內(nèi)容較為晦澀難懂，在理解和記憶方面存在一定的困難。

2.2 教學(xué)方式滯后，側(cè)重理論性教學(xué)

當(dāng)前，我國(guó)設(shè)置機(jī)器人工程學(xué)專業(yè)的高校在教授機(jī)器人學(xué)這門(mén)課程時(shí)，普遍沿用傳統(tǒng)的填鴨式教學(xué)模式，由授課教師進(jìn)行教材理論的講解，而學(xué)生只能被動(dòng)接受教師的灌輸，師生之間幾乎沒(méi)有任何的交流和討論。特別是在“動(dòng)力學(xué)”“運(yùn)動(dòng)規(guī)劃”及“軌跡控制”這些章節(jié)內(nèi)容的教學(xué)中，教師摻雜過(guò)多的公式推導(dǎo)，卻沒(méi)有向?qū)W生進(jìn)行細(xì)致闡述，導(dǎo)致學(xué)生理解、掌握起來(lái)存在較大的困難，甚至還有部分學(xué)生喪失學(xué)習(xí)的興趣。此外，由于工業(yè)機(jī)器人的造價(jià)較高，很多高校機(jī)器人工程學(xué)專業(yè)受建設(shè)資金的影響，實(shí)驗(yàn)設(shè)備數(shù)量較少，無(wú)法開(kāi)展大規(guī)模的實(shí)踐教學(xué)，導(dǎo)致機(jī)器人課程實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)很難展開(kāi)。因此，部分高校的機(jī)器人工程學(xué)專業(yè)實(shí)驗(yàn)課時(shí)設(shè)置較少，只有幾個(gè)學(xué)時(shí)供學(xué)生進(jìn)行驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，這樣就影響到學(xué)生綜合能力與素質(zhì)的培養(yǎng)。

2.3 考核模式單一，側(cè)重結(jié)果性考核

根據(jù)新課改要求，當(dāng)前針對(duì)學(xué)生進(jìn)行考核應(yīng)采用形成性評(píng)價(jià)模式，對(duì)學(xué)生進(jìn)行多元化的評(píng)價(jià)考核。但目前我國(guó)部分高校機(jī)器人工程學(xué)專業(yè)在機(jī)器人學(xué)課程教學(xué)考核中大都采用單一的考核模式，即由學(xué)生的期末考試成績(jī)決定他們的最終評(píng)價(jià)。這種考核方式降低了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，也不利于他們綜合素質(zhì)和能力的提升。

3 大數(shù)據(jù)背景下機(jī)器人學(xué)課程教學(xué)改革探討

基于上文的分析，當(dāng)前我國(guó)部分高校機(jī)器人工程學(xué)專業(yè)在機(jī)器人學(xué)課程教學(xué)方面已經(jīng)無(wú)法滿足大數(shù)據(jù)時(shí)代的發(fā)展需求。要想培養(yǎng)出符合時(shí)代發(fā)展需求的人才，必須進(jìn)行課程教學(xué)改革，逐漸整合并優(yōu)化課程教學(xué)內(nèi)容，創(chuàng)新課程教學(xué)方法，改革課程考核模式，從而為學(xué)生綜合素質(zhì)與能力的提升提供支持。

3.1 整合課程教學(xué)內(nèi)容

針對(duì)當(dāng)前機(jī)器人學(xué)課程教學(xué)內(nèi)容方面存在的問(wèn)題，相關(guān)高校機(jī)器人工程學(xué)專業(yè)應(yīng)根據(jù)時(shí)代發(fā)展要求，突出學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐操作能力的培養(yǎng)。因此，在實(shí)際操作中應(yīng)系統(tǒng)整合該課程教學(xué)內(nèi)容，選用合適的教材，并適當(dāng)增添一部分本專業(yè)的前沿知識(shí)與最新科研成果，同時(shí)適當(dāng)增添一定課時(shí)的實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)。此外，還要做到將實(shí)驗(yàn)任務(wù)與課程教學(xué)內(nèi)容相結(jié)合。只有這樣，才能有效培養(yǎng)并發(fā)展學(xué)生的綜合能力與素質(zhì)，培養(yǎng)出符合大數(shù)據(jù)時(shí)代發(fā)展需求的機(jī)器人學(xué)人才。

3.2 創(chuàng)新課程教學(xué)方法

在課程教學(xué)方式改革中，相關(guān)高校機(jī)器人工程學(xué)專業(yè)在機(jī)器人學(xué)課程教學(xué)中應(yīng)積極采用線上教學(xué)與線下實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合的策略，采用翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式，以此激發(fā)廣大學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，并降低他們學(xué)習(xí)的難度。為此，專業(yè)教師應(yīng)建立機(jī)器人學(xué)課程學(xué)習(xí)網(wǎng)站，將教學(xué)大綱、教學(xué)課件、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、隨堂習(xí)題以及參考答案等與教學(xué)相關(guān)的材料上傳該學(xué)習(xí)網(wǎng)站，供學(xué)生自主學(xué)習(xí)和復(fù)習(xí)鞏固。

除了采用翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式以外，教師還可以采用問(wèn)題引導(dǎo)啟發(fā)式教學(xué)模式，通過(guò)問(wèn)題引導(dǎo)，提升學(xué)生學(xué)習(xí)的效率，培養(yǎng)他們的綜合能力與素質(zhì)。正如前文所說(shuō)，機(jī)器人學(xué)是一門(mén)集理論性、實(shí)踐性和綜合性于一體的課程，因此，教師在課堂教學(xué)過(guò)程中應(yīng)巧妙設(shè)計(jì)問(wèn)題，以問(wèn)題引導(dǎo)學(xué)生的思維，鼓勵(lì)他們以學(xué)習(xí)小組為單位，合作學(xué)習(xí)并動(dòng)手實(shí)踐操作。通過(guò)采用啟發(fā)式教學(xué)模式，幫助學(xué)生更直觀地理解并掌握課程教學(xué)的理論知識(shí)，同時(shí)提升他們動(dòng)手操作實(shí)踐的能力，最終構(gòu)建高效教學(xué)課堂。

此外，相關(guān)專業(yè)還應(yīng)促進(jìn)產(chǎn)學(xué)研一體化發(fā)展，促進(jìn)教學(xué)與科研工作的結(jié)合。在實(shí)際操作中，相關(guān)高校的機(jī)器人工程學(xué)專業(yè)教師可以鼓勵(lì)、引導(dǎo)學(xué)生積極參與本專業(yè)的科研項(xiàng)目，或者是參加各種機(jī)器人設(shè)計(jì)、制作比賽等，從而有效提高學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)造能力。

3.3 改革課程考核方式

當(dāng)前部分高校相關(guān)專業(yè)機(jī)器人學(xué)課程考核模式單一，應(yīng)摒棄傳統(tǒng)的唯期末考試成績(jī)論的單一化考核方式，積極改革課程考核方式，構(gòu)建多元化的考核評(píng)價(jià)模式。在實(shí)際操作中可將學(xué)生的期末考試成績(jī)與他們平時(shí)的作業(yè)完成情況、課程設(shè)計(jì)結(jié)果、學(xué)術(shù)匯報(bào)表現(xiàn)以及企業(yè)項(xiàng)目實(shí)習(xí)評(píng)價(jià)等多種方式結(jié)合在一起。其中，期末考試成績(jī)與平時(shí)作業(yè)成績(jī)加起來(lái)占綜合評(píng)價(jià)成績(jī)的40%；課程設(shè)計(jì)、學(xué)術(shù)匯報(bào)以及企業(yè)項(xiàng)目實(shí)習(xí)等評(píng)價(jià)指標(biāo)占總成績(jī)的50%；此外，還要引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行自我評(píng)價(jià)和相互評(píng)價(jià)，這兩方面的評(píng)價(jià)成績(jī)占總成績(jī)的10%。通過(guò)這樣的方式，構(gòu)建多元化的評(píng)價(jià)考核方式，促進(jìn)學(xué)生全面發(fā)展，從而培養(yǎng)高素質(zhì)的專業(yè)人才，促進(jìn)我國(guó)機(jī)器人行業(yè)健康發(fā)展。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，當(dāng)前高校機(jī)器人工程學(xué)專業(yè)的機(jī)器人學(xué)課程教學(xué)已經(jīng)無(wú)法滿足時(shí)代發(fā)展需求，相關(guān)高校必須基于大數(shù)據(jù)時(shí)代的發(fā)展要求，整合該課程教學(xué)內(nèi)容，創(chuàng)新課程教學(xué)方法，構(gòu)建多元化考核評(píng)價(jià)模式，從而激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提升課程教學(xué)質(zhì)量，為社會(huì)培養(yǎng)高素質(zhì)專業(yè)人才，促進(jìn)我國(guó)智能機(jī)器人行業(yè)發(fā)展。