“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃2.0”背景下“機(jī)器人競(jìng)賽與實(shí)訓(xùn)”課程建設(shè)探索*

衛(wèi)鵬斌，崔鵬偉，劉榮升，李 靜，楊富超

（河南工學(xué)院智能工程學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453003）

《教育部 工業(yè)和信息化部 中國(guó)工程院關(guān)于加快建設(shè)發(fā)展新工科實(shí)施卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃2.0的意見》（以下簡(jiǎn)稱《意見》）指出[1]，要以新工科建設(shè)為重要抓手，持續(xù)深化工程教育改革，加快培養(yǎng)適應(yīng)和引領(lǐng)新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的卓越工程科技人才。這就要求工科院校在人才培養(yǎng)模式、課程資源建設(shè)、教學(xué)手段與教學(xué)方法上要有所改革[2-8]。正是在此背景下，結(jié)合當(dāng)前企業(yè)的實(shí)際需求，對(duì)機(jī)器人工程專業(yè)的人才培養(yǎng)方案進(jìn)行了修訂，創(chuàng)造性地增加了三門學(xué)科創(chuàng)新課程，分別是“機(jī)器人競(jìng)賽與實(shí)訓(xùn)”“智能機(jī)器人技術(shù)創(chuàng)新”“機(jī)器人綜合創(chuàng)新與應(yīng)用”。這三門創(chuàng)新課程相互聯(lián)系，難度依次遞增，依據(jù)以“學(xué)生中心、產(chǎn)出導(dǎo)向、持續(xù)改進(jìn)”的先進(jìn)理念，采用了以工作任務(wù)為驅(qū)動(dòng)的工程項(xiàng)目式教學(xué)模式，著力提升學(xué)生解決復(fù)雜問(wèn)題的能力。課題組主要就“機(jī)器人競(jìng)賽與實(shí)訓(xùn)”這門創(chuàng)新基礎(chǔ)課的課程建設(shè)進(jìn)行探討，分別從項(xiàng)目載體、教學(xué)模式、考核方式以及實(shí)施效果四個(gè)方面展開。

1 項(xiàng)目載體

“機(jī)器人競(jìng)賽與實(shí)訓(xùn)”是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，需要大量的時(shí)間進(jìn)行實(shí)際操作、編程、調(diào)試等，同時(shí)，課程又具有較強(qiáng)的工程實(shí)踐背景，要盡可能地和當(dāng)今產(chǎn)業(yè)需求、學(xué)科競(jìng)賽等緊密結(jié)合。因此，選擇一個(gè)合適的項(xiàng)目載體尤為重要。

《意見》指出，深入實(shí)施新工科研究與實(shí)踐項(xiàng)目，更加注重產(chǎn)業(yè)需求導(dǎo)向，更加注重跨界交叉融合，探索建立工程教育的新理念、新標(biāo)準(zhǔn)、新模式、新方法、新技術(shù)、新文化。因此，在開發(fā)“機(jī)器人競(jìng)賽與實(shí)訓(xùn)”的工程項(xiàng)目載體時(shí)，團(tuán)隊(duì)充分調(diào)研了一線企業(yè)，包括勤工機(jī)器人、新松機(jī)器人等公司，確保項(xiàng)目載體能夠與產(chǎn)業(yè)需求導(dǎo)向相結(jié)合。機(jī)器人又是一門交叉的綜合學(xué)科，涉及人工智能、數(shù)字圖像處理技術(shù)、通信技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用、傳感器應(yīng)用、驅(qū)動(dòng)技術(shù)以及機(jī)械傳動(dòng)等多個(gè)領(lǐng)域，項(xiàng)目載體也要能夠涉及較多知識(shí)點(diǎn)領(lǐng)域，同時(shí)，又要適合整個(gè)教學(xué)過(guò)程。綜上所述，團(tuán)隊(duì)最終確定設(shè)計(jì)搭建具有某種功能的智能小車作為項(xiàng)目載體。這里的某種功能是柔性的，既可以是避障，也可以是尋跡或跟隨等。這里的柔性指的是每次課程的最終任務(wù)可能都不盡相同，甚至以后每個(gè)小組的最終課程任務(wù)也都不盡相同，這樣可以盡量避免學(xué)生之間相互抄襲。

根據(jù)最終的目標(biāo)，課題組將其分為劃分為8個(gè)模塊，每個(gè)模塊4個(gè)課時(shí)，共計(jì)32個(gè)課時(shí)，分別是競(jìng)賽機(jī)器人平臺(tái)搭建與調(diào)試、競(jìng)賽機(jī)器人結(jié)構(gòu)與三維數(shù)字化建模、競(jìng)賽機(jī)器人直流電機(jī)及驅(qū)動(dòng)、競(jìng)賽機(jī)器人的無(wú)線通信、競(jìng)賽機(jī)器人的舵機(jī)控制、競(jìng)賽機(jī)器人的傳感器、競(jìng)賽機(jī)器人差速轉(zhuǎn)向控制以及競(jìng)賽機(jī)器人的綜合應(yīng)用。同時(shí)，對(duì)于這8個(gè)模塊，采用了模塊化的授課方式，團(tuán)隊(duì)教師分別教授自己擅長(zhǎng)的領(lǐng)域，更加有針對(duì)性。前7個(gè)模塊相當(dāng)于實(shí)現(xiàn)某一基礎(chǔ)功能，重在打基礎(chǔ)；最后1個(gè)模塊則是選取當(dāng)前機(jī)器人大賽主流的某項(xiàng)任務(wù)進(jìn)行的綜合應(yīng)用，重在考查學(xué)生的綜合運(yùn)用能力。這次授課的任務(wù)目標(biāo)選擇了中國(guó)機(jī)器人大賽中的一個(gè)子賽項(xiàng)——尋跡越野游，尋跡越野游的主要規(guī)則是在一定的黑色軌跡線上完成指定障礙越野，在完成任務(wù)的同時(shí)，用時(shí)最少者勝。課程的主要任務(wù)目標(biāo)是讓競(jìng)賽機(jī)器人具備基礎(chǔ)的尋跡功能。

該項(xiàng)目載體不僅可以使學(xué)生較全面地認(rèn)識(shí)智能機(jī)器人的電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、車架結(jié)構(gòu)、主控制器、傳感器等部件，還可以鍛煉學(xué)生使用某種語(yǔ)言編程、調(diào)試的能力；同時(shí)，該項(xiàng)目載體又和教育部主導(dǎo)的一些學(xué)科競(jìng)賽如全國(guó)大學(xué)生機(jī)器人大賽、中國(guó)機(jī)器人大賽等的項(xiàng)目高度重合，使學(xué)生具備參加上述比賽的能力，一舉兩得。

2 教學(xué)模式

《意見》指出，全面落實(shí)“學(xué)生中心、產(chǎn)出導(dǎo)向、持續(xù)改進(jìn)”的先進(jìn)理念，面向全體學(xué)生，關(guān)注學(xué)習(xí)成效，建設(shè)質(zhì)量文化，持續(xù)提升工程人才培養(yǎng)水平。因此，“機(jī)器人競(jìng)賽與實(shí)訓(xùn)”課程采用了“以學(xué)生為中心”的教學(xué)理念和以工作任務(wù)為驅(qū)動(dòng)的工程項(xiàng)目式教學(xué)模式。

相比于傳統(tǒng)授課方式的教師滿堂灌，“以學(xué)生為中心”的教學(xué)理念給予學(xué)生充分的自由，讓學(xué)生充分地占據(jù)課堂的主導(dǎo)地位。以工作任務(wù)為驅(qū)動(dòng)的工程項(xiàng)目式教學(xué)，主要是以目標(biāo)為導(dǎo)向，將知識(shí)點(diǎn)融入到一項(xiàng)具體的工作任務(wù)中，學(xué)生在完成工作任務(wù)的同時(shí)學(xué)習(xí)相應(yīng)的知識(shí)點(diǎn)。

具體做法如下：上課前一周左右通過(guò)學(xué)習(xí)通網(wǎng)絡(luò)授課平臺(tái)發(fā)布相應(yīng)的學(xué)習(xí)任務(wù)，這部分屬于線上學(xué)習(xí)的部分，學(xué)生需要通過(guò)任務(wù)學(xué)習(xí)卡，將里面的問(wèn)題通過(guò)查閱資料等方式提前完成。回到課堂后，這部分屬于線下學(xué)習(xí)部分，以解答學(xué)生之前出現(xiàn)的問(wèn)題為主，輔以一定的知識(shí)點(diǎn)講授；之后給定新的課堂任務(wù)，學(xué)生采用PBL小組合作方式完成課堂任務(wù)；最后需要驗(yàn)收，驗(yàn)收包括教師評(píng)定、同組之間評(píng)定以及小組之間評(píng)定三種驗(yàn)收評(píng)價(jià)方式。整個(gè)過(guò)程中，學(xué)生充分地參與到課堂中，教師則主要負(fù)責(zé)組織課程以及解答學(xué)生的疑問(wèn)。同時(shí)，采用了線上、線下相結(jié)合的授課方式，使得學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣空前高漲。

3 考核方式

考核方式由傳統(tǒng)的期末試卷考試轉(zhuǎn)換為過(guò)程化考核與評(píng)價(jià)方法?！兑庖姟分赋?，要優(yōu)化人才培養(yǎng)全過(guò)程、各環(huán)節(jié)。因此，考核與評(píng)價(jià)應(yīng)注重過(guò)程化考核，在教學(xué)的整個(gè)過(guò)程中都應(yīng)該有考核和評(píng)價(jià)，而不是以最終結(jié)果作為考核的唯一標(biāo)準(zhǔn)，充分尊重學(xué)生的創(chuàng)新性或發(fā)散性思維方式。

考核總成績(jī)由線上學(xué)習(xí)成績(jī)、課堂實(shí)操分組任務(wù)以及答辯競(jìng)賽成績(jī)組成。其中：線上學(xué)習(xí)成績(jī)?yōu)?00分（權(quán)重20%），由前7個(gè)模塊的課程任務(wù)點(diǎn)以及課前學(xué)習(xí)任務(wù)卡完成情況構(gòu)成；課堂實(shí)操分組任務(wù)成績(jī)?yōu)?00分（權(quán)重50%），由前7個(gè)模塊具體課堂實(shí)操完成情況構(gòu)成；前兩部分考核總占比達(dá)70%，充分體現(xiàn)了過(guò)程化考核；答辯競(jìng)賽成績(jī)?yōu)?00分（權(quán)重30%），由最后1個(gè)模塊的競(jìng)賽成績(jī)構(gòu)成。

4 實(shí)施效果

“機(jī)器人競(jìng)賽與實(shí)訓(xùn)”課程改革后，先后有服務(wù)機(jī)器人、工業(yè)機(jī)器人1、工業(yè)機(jī)器人2、機(jī)械電子1、機(jī)械電子2共計(jì)5個(gè)本科班級(jí)上課，學(xué)生的平均成績(jī)及標(biāo)準(zhǔn)差成績(jī)分別如表1、表2所示。其中：表中過(guò)程化考核（70%）由線上學(xué)習(xí)成績(jī)（20%）以及課堂實(shí)操成績(jī)（50%）構(gòu)成，綜合成績(jī)=過(guò)程化考核×0.7+答辯競(jìng)賽×0.3。

表1 平均成績(jī)

表2 標(biāo)準(zhǔn)差成績(jī)

課程改革以后，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣普遍有所提高，成績(jī)也有所提高，無(wú)不及格現(xiàn)象。從表1可以看出，5個(gè)班級(jí)過(guò)程化考核成績(jī)平均在75分以上，答辯成績(jī)平均在88分以上，最終綜合成績(jī)?cè)?0分以上，學(xué)習(xí)效果明顯提升。從表2可以看出，5個(gè)班級(jí)過(guò)程化考核標(biāo)準(zhǔn)差成績(jī)最小5.99分，最大10.12分，說(shuō)明平時(shí)過(guò)程化考核還是可以拉開成績(jī)的；5個(gè)班級(jí)答辯競(jìng)賽標(biāo)準(zhǔn)差成績(jī)最小1.21分，最大4.10分，說(shuō)明學(xué)生答辯競(jìng)賽的成績(jī)差別不大；5個(gè)班級(jí)綜合標(biāo)準(zhǔn)差成績(jī)最小4.62分，最大7.03分，說(shuō)明學(xué)生的最終成績(jī)還是有所差距的。

5 結(jié)束語(yǔ)

課題組對(duì)“機(jī)器人競(jìng)賽與實(shí)訓(xùn)”進(jìn)行了課程建設(shè)及改革，采用了“以學(xué)生為中心”的教學(xué)理念和以工作任務(wù)為驅(qū)動(dòng)的工程項(xiàng)目式教學(xué)模式；突出對(duì)學(xué)生動(dòng)手能力、專業(yè)技能和創(chuàng)新思維的培養(yǎng)，體現(xiàn)能力本位的特點(diǎn)；采用過(guò)程化考核與評(píng)價(jià)方式，對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)全過(guò)程進(jìn)行考核和評(píng)價(jià)。

5個(gè)班級(jí)的試驗(yàn)結(jié)果表明：最終5個(gè)班綜合平均成績(jī)均在80分以上，學(xué)習(xí)效果明顯提升；學(xué)生學(xué)習(xí)興趣普遍提高；設(shè)計(jì)能力、動(dòng)手實(shí)踐能力、分析解決問(wèn)題能力有所提高。