新工科理念下以“教-學(xué)-做-賽-產(chǎn)”為五位一體的機(jī)器人課程教學(xué)方法研究

沈長(zhǎng)青 祁玉梅 嚴(yán)榮慧 石娟娟 黃偉國(guó) 朱忠奎

1.蘇州大學(xué)軌道交通學(xué)院 江蘇省蘇州市 215131 2.蘇州城市學(xué)院軌道交通工程系 江蘇省蘇州市 215104

隨著工業(yè)4.0時(shí)代的發(fā)展，人工智能正在迅速改變著人們的生活，如何搶抓戰(zhàn)略先機(jī)成為我國(guó)建設(shè)創(chuàng)新型國(guó)家和科技強(qiáng)國(guó)的關(guān)鍵之一，其中包含發(fā)展各種機(jī)器人技術(shù)。因此許多高校均開展了機(jī)器人方向的課程教學(xué)。

在新一輪科技與產(chǎn)業(yè)革命的背景之下，為了應(yīng)對(duì)新的機(jī)遇與挑戰(zhàn)，教育部于2017年2月提出了“新工科理念”，旨在培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力與工程實(shí)踐能力，使其成為創(chuàng)新型工程科技人才，具備引領(lǐng)新科技與新產(chǎn)業(yè)發(fā)展的能力。在此背景下，機(jī)器人課程教學(xué)也面臨著新的要求與挑戰(zhàn)。

1 教學(xué)現(xiàn)狀與新工科教育的矛盾

機(jī)器人課程涉及多學(xué)科交叉融合，知識(shí)面廣，實(shí)踐性與綜合性強(qiáng)，傳統(tǒng)的教學(xué)模式仍然是以老師圍繞某本教材講授為主，注重知識(shí)的灌輸而忽視自主學(xué)習(xí)，注重理論知識(shí)的學(xué)習(xí)而忽視工程能力的提升。枯燥的理論內(nèi)容往往導(dǎo)致學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣低下，缺乏主動(dòng)思考，學(xué)習(xí)效果不佳。且難以將理論知識(shí)與工程中的實(shí)踐問題相結(jié)合，課本知識(shí)與前沿知識(shí)相結(jié)合，無法培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散性思維，學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、工程實(shí)踐能力以及創(chuàng)新能力無法得到提升，這均與新工科教育理念相違背。

2 教學(xué)改革

本文針對(duì)機(jī)器人課程教學(xué)分別從教學(xué)理念以及教學(xué)方法提出了改革措施，提出了以“學(xué)”為中心的教學(xué)理念，以“教-學(xué)-做-賽-產(chǎn)”為五位一體的教學(xué)方法，著重培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力、自主學(xué)習(xí)與創(chuàng)新能力、解決問題和團(tuán)結(jié)協(xié)作的能力，如圖1所示。

圖1 機(jī)器人教學(xué)改革措施示意圖

2.1 教學(xué)理念：變“教”為中心為“學(xué)”為中心

理念先行，實(shí)踐為基。完善的課程教學(xué)體系必須具備正確的教學(xué)理念。本文提出了變“教”為中心為“學(xué)”為中心的教學(xué)理念。此處的“教”包含兩層含義，既指教師亦指教授；“學(xué)”亦包含兩層含義，既指“學(xué)生”亦指學(xué)生的“自學(xué)”。應(yīng)將傳統(tǒng)課堂上教師占中心地位改為學(xué)生占中心地位，將傳統(tǒng)課堂上教師的講授為主變?yōu)閷W(xué)生的思考和自學(xué)為主，充分發(fā)揮學(xué)生的主體作用。鼓勵(lì)學(xué)生站上講臺(tái)，多思考，多提問，多回答，變傳統(tǒng)的講授式教學(xué)為互動(dòng)式教學(xué)；變傳統(tǒng)的接受式學(xué)習(xí)為主動(dòng)式學(xué)習(xí)。

2.2 教學(xué)方法：“教-學(xué)-做-賽-產(chǎn)”五位一體

圍繞學(xué)生的能力培養(yǎng)，本文提出了“教-學(xué)-做-賽-產(chǎn)”五位一體的教學(xué)方法。具體可從以下幾方面進(jìn)行實(shí)施。

2.2.1 教

教主要是指教師關(guān)于理論知識(shí)的講授。由于該課程實(shí)踐性很強(qiáng)，實(shí)踐中遇到的問題教師不可能面面俱到，因此教為輔，講授的內(nèi)容僅為一些基本原理、常用的技術(shù)與方法。在教的過程中，教師應(yīng)時(shí)刻注意學(xué)生的中心地位，圍繞學(xué)生展開教學(xué)活動(dòng)，包括如何提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效果?？赏ㄟ^趣味性的“教”，如少一點(diǎn)冰冷的文字，多一點(diǎn)有趣的視頻，從而提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；可多開展小組討論，不斷拋出問題讓學(xué)生進(jìn)行思考與探究，鼓勵(lì)學(xué)生主動(dòng)參與至教學(xué)活動(dòng)中，將傳統(tǒng)的講授式教學(xué)變?yōu)榛?dòng)式教學(xué)，增強(qiáng)學(xué)習(xí)效果。此外，教師應(yīng)拓寬教授渠道，不僅僅是教師“教”，企業(yè)、行業(yè)專家的“教”也必不可少，應(yīng)多邀請(qǐng)企業(yè)、行業(yè)內(nèi)專家來學(xué)校開展講座，進(jìn)一步拓寬學(xué)生的知識(shí)面，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

2.2.2 學(xué)

學(xué)主要是指學(xué)生的自主學(xué)習(xí)。由于該課程的特殊性，教師的講授僅僅為輔，學(xué)生的自主學(xué)習(xí)才是學(xué)好這門課程的關(guān)鍵?？蓮慕處煂用嬉约皩W(xué)生本人層面著手。教師可根據(jù)學(xué)生的個(gè)體差異，對(duì)不同學(xué)生布置不同的作業(yè)，例如有同學(xué)擅長(zhǎng)硬件，可進(jìn)行各模塊PCB的設(shè)計(jì)與繪制；有同學(xué)擅長(zhǎng)軟件，可進(jìn)行機(jī)器人的程序設(shè)計(jì)與編寫。鼓勵(lì)學(xué)生圍繞自己的作業(yè)自主查閱資料，然后想出解決辦法，培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和解決問題的能力，將傳統(tǒng)的接受式學(xué)習(xí)變?yōu)橹鲃?dòng)式學(xué)習(xí)。此外應(yīng)鼓勵(lì)學(xué)生在借鑒別人所提出的解決辦法后尋找其他解決途徑，培養(yǎng)其發(fā)散式思維而非求同式思維，提升其創(chuàng)新能力。例如針對(duì)輪式機(jī)器人避障與路徑修正這一具體問題，鼓勵(lì)學(xué)生多角度尋求不同的解決方法，而非照搬別人的解決方案。如可運(yùn)用光電開關(guān)和六軸陀螺儀等傳感器對(duì)機(jī)器人當(dāng)前位置與姿態(tài)進(jìn)行綜合分析，不斷補(bǔ)償誤差，使得機(jī)器人沿正確方向行進(jìn)；也可運(yùn)用灰度傳感器和激光傳感器組合成的循跡模塊，結(jié)合PID算法，在復(fù)雜道路環(huán)境下，不斷調(diào)整機(jī)器人行進(jìn)速率與角度，使其行駛在正確方向等。鼓勵(lì)學(xué)生不斷探索，不斷改進(jìn)方法，培養(yǎng)其創(chuàng)新性思維與能力。此外，學(xué)生本人也可課后主動(dòng)搜集資料進(jìn)行學(xué)習(xí)，現(xiàn)在網(wǎng)課等資料非常豐富，學(xué)生可根據(jù)自己的興趣進(jìn)行自我學(xué)習(xí)，不斷充實(shí)自己。

2.2.3 做

做是指學(xué)生的動(dòng)手實(shí)操。機(jī)器人課程是一門實(shí)踐性極強(qiáng)的課程，其課程的學(xué)習(xí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止理論知識(shí)的學(xué)習(xí)，更重要的是動(dòng)手實(shí)踐。任何理論的掌握均需要實(shí)踐進(jìn)行檢驗(yàn)。因此，在學(xué)完一模塊的理論知識(shí)后，學(xué)生應(yīng)動(dòng)手實(shí)操，如機(jī)器人整體機(jī)械結(jié)構(gòu)的搭建、各模塊PCB的焊接以及程序的編寫與各項(xiàng)調(diào)試等，將記憶式的理論知識(shí)與體驗(yàn)式的實(shí)踐操作相結(jié)合，以做帶學(xué)，以做促學(xué)，在做中發(fā)現(xiàn)問題并解決問題，從而促進(jìn)學(xué)生知識(shí)的掌握，以及提升學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和動(dòng)手實(shí)踐能力。教師在此過程中主要起到指導(dǎo)的作用，檢驗(yàn)學(xué)生做的情況，指出需要改進(jìn)的方向，鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)一步完善。

2.2.4 賽

賽是指參加各種機(jī)器人競(jìng)賽，如中國(guó)機(jī)器人大賽、江蘇省大學(xué)生機(jī)器人大賽等。機(jī)器人競(jìng)賽也是一種獲得體驗(yàn)式實(shí)踐的重要渠道，也是檢驗(yàn)學(xué)生所學(xué)知識(shí)的一種有效途徑。通常與前沿技術(shù)相結(jié)合，所解決的問題都可能是學(xué)生之前未接觸到的。每位學(xué)生各有所長(zhǎng)，各司其職，每完成一個(gè)項(xiàng)目會(huì)大大提升他們的獲得感，從而提升學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)學(xué)習(xí)動(dòng)力。此外，通過參賽才能深刻認(rèn)識(shí)到山外有山，人外有人，看到別人的參賽作品，從而發(fā)現(xiàn)自己的優(yōu)勢(shì)與不足。在這過程中也能結(jié)識(shí)到許多志同道合的朋友，大家互相間可彼此借鑒，互相學(xué)習(xí)，也是一種難得的學(xué)術(shù)交流機(jī)會(huì)。總體而言，通過參加競(jìng)賽可進(jìn)一步拓寬學(xué)生的知識(shí)領(lǐng)域，以賽帶學(xué)，以賽促學(xué)，進(jìn)一步提升學(xué)生的創(chuàng)新能力、實(shí)踐能力、解決問題的能力和團(tuán)結(jié)協(xié)作的能力。

2.2.5 產(chǎn)

產(chǎn)是指學(xué)生到企業(yè)進(jìn)行實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)。校園里的機(jī)器人課程學(xué)習(xí)往往缺乏需求導(dǎo)向，講授與學(xué)習(xí)的知識(shí)僅局限于書本與課堂，常常與實(shí)際的工程問題和熱點(diǎn)話題相脫離[5]。企業(yè)實(shí)習(xí)是檢驗(yàn)知識(shí)與加強(qiáng)實(shí)踐的有效方式，有利于學(xué)生緊跟行業(yè)的發(fā)展。在企業(yè)中，學(xué)生會(huì)遇到比學(xué)校項(xiàng)目更加實(shí)際更加復(fù)雜的問題，這些問題均需要他們自己想解決方案，充分鍛煉了他們的工程實(shí)踐能力和解決問題的能力。通過實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)學(xué)生可以增加工程經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)了解機(jī)器人相關(guān)企業(yè)所需要的實(shí)用技能，從而給自己指明需要努力的方向，為其就業(yè)打好基礎(chǔ)。

3 教學(xué)改革意義

本文所提出的教學(xué)改革措施對(duì)于學(xué)生以及老師而言既是機(jī)遇又是挑戰(zhàn)。

3.1 學(xué)生層面

本文所提出的教學(xué)理念和教學(xué)方法確定了學(xué)生在教學(xué)活動(dòng)中的中心地位，通過趣味性的“教”能夠提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，自主性的“學(xué)”、“做”、“賽”和“產(chǎn)”能夠促進(jìn)學(xué)生知識(shí)的掌握，提升學(xué)生的自學(xué)能力、工程實(shí)踐能力、解決問題的能力以及團(tuán)結(jié)協(xié)作的能力。于學(xué)生而言，這是機(jī)遇，同時(shí)也是挑戰(zhàn)。因?yàn)檎麄€(gè)教學(xué)過程均以學(xué)生的活動(dòng)為中心，教師不再重復(fù)式地講授，而是需要學(xué)生自己去學(xué)，自己去做。因此這就要求學(xué)生能夠做到自覺學(xué)習(xí)、自主學(xué)習(xí)，有目標(biāo)，有理想，能夠遇到問題迎難而上，能夠?qū)W會(huì)發(fā)現(xiàn)問題并解決問題，能夠?qū)W會(huì)與人交流與人合作，這都是學(xué)生步入社會(huì)所必須的技能。

3.2 教師層面

學(xué)生在“做”、“賽”和“產(chǎn)”中所遇到的問題都是教師課件中的寶貴案例，能夠幫助教師完善教學(xué)內(nèi)容，同時(shí)這也對(duì)教師提出了新的要求，要求教師能夠不斷加強(qiáng)自身的理論知識(shí)與實(shí)踐學(xué)習(xí)，及時(shí)了解最新的前沿知識(shí)，能夠?qū)⒔虒W(xué)內(nèi)容與實(shí)際工程問題和前沿知識(shí)相結(jié)合，引入具有代表性的新方法，才能為學(xué)生提供更優(yōu)質(zhì)的教學(xué)內(nèi)容，幫助學(xué)生解決實(shí)際問題，從而培養(yǎng)出新時(shí)代下企業(yè)所需求的創(chuàng)新型應(yīng)用型工程科技人才。

4 結(jié)語

針對(duì)機(jī)器人課程教學(xué)目前存在的問題，本文從教學(xué)理念和教學(xué)方法提出了改革。以學(xué)生為中心作為教學(xué)理念，以“教-學(xué)-做-賽-產(chǎn)”五位一體作為教學(xué)方法。以“教”和“學(xué)”為基礎(chǔ)手段，“做”為最終目標(biāo)，“賽”和“產(chǎn)”為檢驗(yàn)方式，在“做”中“教”和“學(xué)”，在“教”和“學(xué)”中“做”，以“賽”和“產(chǎn)”促進(jìn)“教”與“學(xué)”。五者相輔相成，為提升學(xué)生的工程實(shí)踐能力、自主學(xué)習(xí)與創(chuàng)新能力以及解決問題的能力提供了一種有效途徑，有利于高校培養(yǎng)出新工科教育理念下企業(yè)所需要的創(chuàng)新型應(yīng)用型人才。