“新工科”背景下高校機(jī)器人實(shí)驗(yàn)改革的探索

張 琦 甘永瑩 李 曉 任風(fēng)華 楊 青

（1.桂林電子科技大學(xué)電子工程與自動(dòng)化學(xué)院，廣西 桂林 541004；2.桂林電子科技大學(xué)教學(xué)實(shí)踐部，廣西 桂林 541004）

0 引言

科技的飛速發(fā)展不斷推進(jìn)時(shí)代的變換，現(xiàn)如今信息化、智能化和工業(yè)化不斷融合，以智能制造為主導(dǎo)的時(shí)代正在興起。為了應(yīng)對(duì)新一輪的科技和產(chǎn)業(yè)變革，我國(guó)教育部積極推進(jìn)“新工科”建設(shè)，即針對(duì)新興產(chǎn)業(yè)構(gòu)建新的工科專業(yè)結(jié)構(gòu)，以互聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)智能為核心，如大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、智能制造、機(jī)器人等，同時(shí)還對(duì)傳統(tǒng)專業(yè)進(jìn)行升級(jí)改造。智能時(shí)代是大勢(shì)所趨，智能制造業(yè)是實(shí)施制造強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的重要行動(dòng)。目前以機(jī)器人產(chǎn)業(yè)為代表的智能制造業(yè)成為各國(guó)關(guān)注的熱點(diǎn)，因此，培養(yǎng)優(yōu)秀的全面的機(jī)器人工程專業(yè)人才十分必要[1]。高等學(xué)校作為國(guó)家建設(shè)人才庫(kù)，在高等教育上也應(yīng)緊跟時(shí)代發(fā)展步伐，針對(duì)“新工科”提出相應(yīng)的改革，重點(diǎn)培養(yǎng)具有可持續(xù)競(jìng)爭(zhēng)力的實(shí)踐和創(chuàng)新型人才。

機(jī)器人在工業(yè)和家居生活等領(lǐng)域的快速發(fā)展，引起智能制造業(yè)的熱潮。我國(guó)各高校也相繼開設(shè)了機(jī)器人相關(guān)課程和構(gòu)建了相應(yīng)的課程體系來(lái)培養(yǎng)機(jī)器人專業(yè)人才。機(jī)器人屬于多學(xué)科交叉專業(yè)，包含了自動(dòng)化、機(jī)械學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、光電信息處理以及電子工程等學(xué)科。該類課程的理論課往往繁雜枯燥，晦澀難懂，要求學(xué)生有扎實(shí)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)和專業(yè)儲(chǔ)備，學(xué)生難以運(yùn)用理論知識(shí)解決實(shí)際工程問(wèn)題，僅停留在傳統(tǒng)工科的教學(xué)方法上，難以培養(yǎng)實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力兼?zhèn)涞膹?fù)合型人才[2]。因此，“新工科”背景下的機(jī)器人專業(yè)應(yīng)提高機(jī)器人實(shí)驗(yàn)課的地位，針對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力開設(shè)漸進(jìn)式的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，將學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力擺在第一位。本文將針對(duì)“新工科”背景下機(jī)器人實(shí)驗(yàn)課程的改革進(jìn)行探索。

1 教學(xué)現(xiàn)狀

目前，常見的工科教學(xué)，往往偏重基礎(chǔ)理論知識(shí)的講解，而實(shí)驗(yàn)課僅僅作為輔助課程，其內(nèi)容簡(jiǎn)單、課時(shí)少，使得大部分學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)課程不夠重視。而且大多數(shù)實(shí)驗(yàn)課與理論教學(xué)相關(guān)性小，這就造成了實(shí)踐與理論脫節(jié)，學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)不明確，對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)康牟磺宄?，盲目地跟從教師依葫蘆畫瓢，機(jī)械地完成實(shí)驗(yàn)，缺少師生交流，學(xué)生屬于被動(dòng)接受知識(shí)，沒(méi)有自主思考，從而影響了整體的教學(xué)質(zhì)量。機(jī)器人實(shí)驗(yàn)教學(xué)也不例外，而且由于機(jī)器人技術(shù)飛速發(fā)展，傳統(tǒng)的機(jī)器人實(shí)驗(yàn)內(nèi)容滯后，更新?lián)Q代慢，難以滿足現(xiàn)代機(jī)器人企業(yè)對(duì)人才培養(yǎng)的需求。教學(xué)設(shè)備若想要跟上技術(shù)的發(fā)展，勢(shì)必會(huì)造成資源浪費(fèi)和教學(xué)成本激增。

機(jī)器人實(shí)驗(yàn)課通常有離線教學(xué)和實(shí)體教學(xué)，由于離線教學(xué)不具體，學(xué)生沒(méi)有參與感，且對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果沒(méi)有具體概念，實(shí)驗(yàn)效果無(wú)法保證。因此仍然需要在實(shí)體機(jī)器人上進(jìn)行示教，而目前實(shí)驗(yàn)機(jī)器人的成本仍然高昂，學(xué)校用于實(shí)驗(yàn)機(jī)器人的經(jīng)費(fèi)有限，機(jī)器人與學(xué)生的比例不匹配，導(dǎo)致學(xué)生只能以小組的形式完成實(shí)驗(yàn)。且由于機(jī)器人種類繁多，學(xué)習(xí)量大，實(shí)體機(jī)器教學(xué)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)等問(wèn)題，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容不宜復(fù)雜，學(xué)生只能在有限的資源中完成簡(jiǎn)單的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。這對(duì)于提高學(xué)生的實(shí)踐能力沒(méi)有真正幫助，更不利于篩選和培養(yǎng)能力更強(qiáng)的學(xué)生[3，4]。

在實(shí)際的實(shí)體教學(xué)中，初學(xué)者往往誤操作率較高，對(duì)于復(fù)雜的編程路徑，難以取得令人滿意的效果，且容易造成機(jī)械故障，這不僅不利于教學(xué)效果，更增加了維護(hù)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的成本。因此許多機(jī)器人實(shí)驗(yàn)教學(xué)仍然是單一的多媒體教學(xué)，教師向?qū)W生單向輸出，學(xué)生被動(dòng)接受，缺少師生的有效交流，這使得學(xué)生的思維容易固化，無(wú)法培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考、自主創(chuàng)新的能力。單向輸出的模式使得教師在課堂中無(wú)法及時(shí)收到學(xué)生的反饋，進(jìn)而不能對(duì)課程內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整[5]。

傳統(tǒng)的機(jī)器人實(shí)驗(yàn)考核方式單一，作為輔助課程的實(shí)驗(yàn)課通常以當(dāng)堂實(shí)驗(yàn)結(jié)果為主，課后撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告為輔。而由于時(shí)間的限制，學(xué)生很難利用完整的課堂時(shí)間獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)，并獲得較好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。再加上教學(xué)資源的限制，傳統(tǒng)的機(jī)器人實(shí)驗(yàn)教學(xué)往往以小組為依托，這就存在個(gè)別學(xué)生在小組中只共享不貢獻(xiàn)，即便不承擔(dān)任務(wù)也會(huì)取得不錯(cuò)的成績(jī)。這就造成了學(xué)生成績(jī)兩極化，沒(méi)有個(gè)性區(qū)分，不能真實(shí)反映學(xué)生的學(xué)習(xí)能力。對(duì)于當(dāng)堂完成不了實(shí)驗(yàn)的學(xué)生而言，既花費(fèi)了時(shí)間心思又得不到好的成果，無(wú)疑是巨大的否定，打擊了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

針對(duì)以上問(wèn)題，應(yīng)從實(shí)驗(yàn)教學(xué)的方法、教學(xué)模式以及考核方式上進(jìn)行改革，常規(guī)的教學(xué)方法已不能滿足當(dāng)下的社會(huì)需求，也不符合教育部提出的“新工科”理念。越來(lái)越多的教師意識(shí)到“以學(xué)生為中心”的教學(xué)理念，應(yīng)充分利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、整合教學(xué)資源，挖掘?qū)W生各方面的能力，在教學(xué)過(guò)程中強(qiáng)調(diào)過(guò)程，使學(xué)生在獲得知識(shí)的同時(shí)還能學(xué)以致用，運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題。

2 機(jī)器人實(shí)驗(yàn)改革的探索

充分利用線上平臺(tái)設(shè)立前導(dǎo)課，減輕課堂負(fù)擔(dān)。機(jī)器人是各學(xué)科交叉的綜合學(xué)科，涉及的理論和技術(shù)往往比較抽象難懂。教師可在課前充分利用線上教學(xué)平臺(tái)設(shè)立前導(dǎo)課，將實(shí)驗(yàn)課內(nèi)容涉及到的相關(guān)技術(shù)介紹或設(shè)備操作視頻上傳到平臺(tái)，供學(xué)生進(jìn)行課前預(yù)習(xí)。通過(guò)簡(jiǎn)單易懂的視頻，讓學(xué)生在課前直觀的了解上課流程，做到心中有數(shù)，帶著問(wèn)題進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，可以大大提高教學(xué)效率和教學(xué)質(zhì)量。線上教育平臺(tái)已逐漸成熟，種類繁多，例如，清華大學(xué)開發(fā)的雨課堂，即為混合式教學(xué)工具。教師端可實(shí)現(xiàn)課程資源分享，設(shè)立前導(dǎo)課，學(xué)生端可通過(guò)教師發(fā)布的練習(xí)或者觀看視頻完成練習(xí)。雨課堂還可以借助智能手機(jī)平臺(tái)加深師生互動(dòng)，加強(qiáng)師生交流。教師可通過(guò)數(shù)據(jù)分析實(shí)時(shí)掌握學(xué)生的預(yù)習(xí)情況、學(xué)習(xí)進(jìn)度，以及大多數(shù)學(xué)生的學(xué)習(xí)難點(diǎn)。將課堂上的時(shí)間更多的留給學(xué)生討論和實(shí)踐，增強(qiáng)學(xué)生自主思考的能力。

增加實(shí)驗(yàn)課時(shí)，設(shè)立漸進(jìn)式實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。增加實(shí)驗(yàn)課時(shí)，提高學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)課程的重視，在實(shí)踐中講解理論，使得學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)有更充分的理解，提高學(xué)習(xí)效率。機(jī)器人相關(guān)的課程通常在高年級(jí)中開設(shè)，參與實(shí)驗(yàn)的學(xué)生被認(rèn)為已具備一定的基礎(chǔ)知識(shí)和專業(yè)儲(chǔ)備，這正是培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際，提高實(shí)踐創(chuàng)新能力的好時(shí)機(jī)。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容從驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)到綜合性實(shí)驗(yàn)漸進(jìn)式開設(shè)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容環(huán)環(huán)相扣，有利于培養(yǎng)學(xué)生在簡(jiǎn)單工程問(wèn)題中去思考復(fù)雜工程問(wèn)題。在簡(jiǎn)單的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)階段，要求學(xué)生全員參與所有實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，到中后期的綜合性實(shí)驗(yàn)，引入下文的項(xiàng)目式學(xué)習(xí)。由于機(jī)器人專業(yè)涉及計(jì)算機(jī)編程、機(jī)械電子作圖、電子設(shè)計(jì)等知識(shí)，學(xué)生可在項(xiàng)目式學(xué)習(xí)中根據(jù)自己的興趣愛(ài)好或擅長(zhǎng)的領(lǐng)域組隊(duì)完成項(xiàng)目。漸進(jìn)式實(shí)驗(yàn)內(nèi)容由簡(jiǎn)到難，有助于建立學(xué)生的自信心，激發(fā)學(xué)生的探索欲，有利于培養(yǎng)能力更強(qiáng)的學(xué)生。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)采用項(xiàng)目式學(xué)習(xí)。項(xiàng)目式學(xué)習(xí)在我國(guó)高校有較高的認(rèn)可度，但目前的項(xiàng)目式學(xué)習(xí)仍傾向于教學(xué)內(nèi)容，對(duì)學(xué)生的技能習(xí)得和探究習(xí)慣的培養(yǎng)還有待提高，因此項(xiàng)目式學(xué)習(xí)在教學(xué)設(shè)計(jì)和實(shí)踐質(zhì)量方面仍需進(jìn)一步提高。結(jié)合漸進(jìn)式實(shí)驗(yàn)教學(xué)，在實(shí)驗(yàn)中后期，可適當(dāng)增加實(shí)驗(yàn)難度，綜合各知識(shí)點(diǎn)，將項(xiàng)目式學(xué)習(xí)引入。項(xiàng)目式學(xué)習(xí)應(yīng)將實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目模塊化，減少理論傳授，增加機(jī)器人技術(shù)方面的訓(xùn)練，教學(xué)內(nèi)容實(shí)時(shí)更新，將新理念、新技術(shù)引入課堂。項(xiàng)目式實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求學(xué)生以小組的形式在教師的指導(dǎo)下查閱資料、收集信息、設(shè)計(jì)創(chuàng)新性方案、小組成員各自完成模塊內(nèi)容并組合成一個(gè)綜合項(xiàng)目，最后實(shí)現(xiàn)目標(biāo)功能以及展示匯報(bào)。項(xiàng)目式實(shí)驗(yàn)充分體現(xiàn)了“以學(xué)生為中心”和以能力為導(dǎo)向的教學(xué)理念[6]。項(xiàng)目式學(xué)習(xí)旨在重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生的自主創(chuàng)新能力，以及團(tuán)結(jié)協(xié)作的能力。對(duì)相關(guān)競(jìng)賽感興趣的學(xué)生在項(xiàng)目式學(xué)習(xí)中得到提前訓(xùn)練，發(fā)揮各自擅長(zhǎng)的部分，用課堂知識(shí)解決實(shí)際工程問(wèn)題，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的成就感。

應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)示教，提高教學(xué)質(zhì)量。由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備成本高，實(shí)體示教難度大、時(shí)間長(zhǎng)等問(wèn)題，導(dǎo)致學(xué)生人均教學(xué)資源不足，教學(xué)效果差，降低學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)不斷更新發(fā)展的今天，虛擬仿真技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域均有應(yīng)用，將虛擬仿真技術(shù)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合，電腦模型代替機(jī)械設(shè)備，用虛擬工業(yè)機(jī)器人代替實(shí)體機(jī)器人示教，可解決以上問(wèn)題[7，8]。RobotStudio是ABB公司開發(fā)的工業(yè)機(jī)器人仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，其強(qiáng)大的仿真功能可進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真以及對(duì)配套設(shè)備的控制，對(duì)于初學(xué)者來(lái)說(shuō)，簡(jiǎn)單上手，趣味十足。虛擬仿真技術(shù)將學(xué)生的編程與結(jié)果通過(guò)可視的界面顯示，以直觀的感受做實(shí)驗(yàn)的過(guò)程，能更好的激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)力、增強(qiáng)學(xué)習(xí)體驗(yàn)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。采用虛擬仿真技術(shù)還可以減少教學(xué)過(guò)程中因操作失誤而出現(xiàn)事故，降低危險(xiǎn)性，打破時(shí)間、空間的限制，提高教學(xué)效率和教學(xué)質(zhì)量。對(duì)教師而言，虛擬仿真技術(shù)還可以將實(shí)體機(jī)器中不可見的部分或隱藏式的結(jié)構(gòu)展示給學(xué)生，讓學(xué)生更好的了解機(jī)器人結(jié)構(gòu)以及工作原理，教師還可以通過(guò)RobotStudio平臺(tái)的評(píng)估結(jié)果及時(shí)了解學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的操作。虛擬仿真技術(shù)在機(jī)器人實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用使得教學(xué)手段豐富多樣，也降低了教師的管理難度。

多角度全方位考核，調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)占比注重過(guò)程考核。不同類型的實(shí)驗(yàn)類型設(shè)置不同的考核內(nèi)容，針對(duì)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，則注重學(xué)生在課堂的實(shí)驗(yàn)表現(xiàn)，作為實(shí)驗(yàn)成績(jī)。利用互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)將課前預(yù)習(xí)、課后答疑和練習(xí)都納入平時(shí)成績(jī)中，教師通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)發(fā)布考核內(nèi)容，以及收集考核結(jié)果，做到課前—課中—課后的考核全覆蓋。而項(xiàng)目式的綜合實(shí)驗(yàn)則根據(jù)小組成員領(lǐng)取任務(wù)的完成度來(lái)考核，項(xiàng)目式綜合實(shí)驗(yàn)不但看重最終結(jié)果，更注重過(guò)程以及團(tuán)隊(duì)的協(xié)作能力。為避免團(tuán)隊(duì)成員不貢獻(xiàn)只共享，每位組員按項(xiàng)目的模塊進(jìn)行任務(wù)領(lǐng)取，各組員的完成度計(jì)入個(gè)人的實(shí)驗(yàn)成績(jī)，團(tuán)隊(duì)作品的完成度按百分比計(jì)入個(gè)人實(shí)驗(yàn)成績(jī)。項(xiàng)目式實(shí)驗(yàn)的平時(shí)成績(jī)主要由學(xué)生互評(píng)和教師評(píng)價(jià)組成，團(tuán)隊(duì)成員在實(shí)施任務(wù)過(guò)程中的溝通協(xié)作能力以及解決問(wèn)題的能力等都將作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。這種方式增加了學(xué)生危機(jī)感，避免“不勞而獲”的思想，也使得學(xué)生的個(gè)性化得到發(fā)展。

3 結(jié)語(yǔ)

為了應(yīng)對(duì)智能信息時(shí)代的到來(lái)，“新工科”要求注重學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。機(jī)器人技術(shù)作為一門跨學(xué)科的綜合性課程，其實(shí)驗(yàn)課具有探索性和創(chuàng)新性的特點(diǎn)，機(jī)器人實(shí)驗(yàn)課的改革探索是培養(yǎng)機(jī)器人專業(yè)學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力的重要一環(huán)。設(shè)立前導(dǎo)課，減輕課堂教學(xué)負(fù)擔(dān)；增加課時(shí)，提高學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)課的重視，循序漸進(jìn)式的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容可以降低學(xué)生的學(xué)習(xí)門檻，建立信心；利用線上教學(xué)平臺(tái)開設(shè)前導(dǎo)課，將課堂的時(shí)間交由學(xué)生自主探索；項(xiàng)目式學(xué)習(xí)提高了學(xué)生理論與實(shí)踐相結(jié)合的能力，也增加了學(xué)生參加學(xué)科競(jìng)賽的經(jīng)驗(yàn)和競(jìng)爭(zhēng)力；應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)降低了實(shí)體示教的成本并提高了教學(xué)質(zhì)量；全方位的考核制度，為機(jī)器人實(shí)驗(yàn)課程改革開拓了思路和方向。