項目驅(qū)動教學(xué)模式在《機器人學(xué)應(yīng)用實踐》課程中的探索與實踐

吳青聰 陳 柏 吳洪濤

南京航空航天大學(xué)機電學(xué)院，江蘇 南京 210016

隨著信息化、工業(yè)化不斷融合，以機器人科技為代表的智能產(chǎn)業(yè)蓬勃興起，成為現(xiàn)代科技創(chuàng)新的一個重要標志。機器人的研發(fā)、制造、應(yīng)用是衡量一個國家科技創(chuàng)新和高端制造業(yè)水平的重要標志，機器人有望成為新一次工業(yè)革命的切入點和重要增長點。然而，與發(fā)達國家相比，我國機器人研究起步稍晚，機器人教育相對薄弱，相關(guān)人才缺口依舊很大，極大制約了我國機器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展速度。為此，培養(yǎng)適應(yīng)現(xiàn)代機器人技術(shù)發(fā)展需要的創(chuàng)新型、復(fù)合型新工科人才極為緊迫。

一、項目驅(qū)動式課程教學(xué)的必要性

《機器人學(xué)應(yīng)用實踐》是南京航空航天大學(xué)機器人工程學(xué)專業(yè)的專業(yè)必修核心課程。學(xué)生通過該課程應(yīng)掌握機器人機械結(jié)構(gòu)、運動學(xué)、動力學(xué)、軌跡規(guī)劃、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等方面的專業(yè)知識及應(yīng)用方法。在該課程的教學(xué)設(shè)計中，教師需加強實踐教學(xué)改革，注重學(xué)生的創(chuàng)新實踐能力的培養(yǎng)，為學(xué)生學(xué)習(xí)后續(xù)的其他專業(yè)課程打下牢固基礎(chǔ)。然而，在現(xiàn)階段，該課程存在以下問題：1．課程教學(xué)設(shè)計無法滿足專業(yè)教學(xué)需求?！稒C器人學(xué)應(yīng)用實踐》是一門綜合性和實踐性較強的課程，高校傳統(tǒng)單一的教學(xué)模式在引入實踐教學(xué)環(huán)節(jié)后，將面臨課時數(shù)不夠的問題，導(dǎo)致教師無法完成所有的教學(xué)內(nèi)容教學(xué)，教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果不佳。2．實踐教學(xué)沒有完全融入到教學(xué)設(shè)計中。高校傳統(tǒng)的教學(xué)模式大多是老師對學(xué)生填鴨式的灌輸理論知識，實踐教學(xué)環(huán)節(jié)形式主義較嚴重，未完全融入到教學(xué)設(shè)計中，很多學(xué)生體驗不到理論知識與實踐操作緊密結(jié)合的關(guān)聯(lián)性，導(dǎo)致學(xué)生對專業(yè)知識的理解還停留在表面，缺少實際操作經(jīng)驗和綜合應(yīng)用能力［1］。3．學(xué)生學(xué)習(xí)積極性不高。自動化工科類專業(yè)課程概念抽象，內(nèi)容多且復(fù)雜，學(xué)習(xí)難度較大；課堂理論主導(dǎo)，教學(xué)缺乏實際操作能力和動手能力的培養(yǎng)，導(dǎo)致課堂教學(xué)氛圍枯燥、乏味，學(xué)生對學(xué)習(xí)產(chǎn)生厭倦心理，無法達到預(yù)期的教學(xué)效果［2］。

為此，在《機器人學(xué)應(yīng)用實踐》的教學(xué)設(shè)計中，教師需要對教學(xué)方法、模式進行改革和創(chuàng)新，探索項目式實踐教學(xué)的新模式，促進學(xué)生的個性化發(fā)展。

二、項目驅(qū)動式課程教學(xué)模式的實施方法

現(xiàn)當下，在我國的高校教學(xué)模式中，項目驅(qū)動式教學(xué)法一般是指教師帶領(lǐng)學(xué)生圍繞一個真實的項目進行實踐、設(shè)計和研究，以此加強學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、團隊合作意識、創(chuàng)新思維和解決問題的能力［3］。本課程以學(xué)生為中心，以科研項目、科創(chuàng)項目和科創(chuàng)競賽為牽引組建知識體系，以跨學(xué)科校企合作教學(xué)團隊為師資力量，充分利用“翻轉(zhuǎn)課堂”“線上線下混合”教學(xué)方法以及微課、慕課線上教學(xué)資源，圍繞項目傳授基礎(chǔ)知識，探索理論教學(xué)+實踐教學(xué)的新模式。該教學(xué)模式將晦澀的專業(yè)知識與項目設(shè)計開發(fā)融合在一起，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和創(chuàng)新思維，培養(yǎng)實際操作能力和綜合應(yīng)用能力，并促進教師的科研研究，實現(xiàn)教學(xué)相長［4］。該教學(xué)模式技術(shù)路線如圖1 所示。

圖1 以項目為驅(qū)動的教學(xué)模式實施技術(shù)路線

（一）構(gòu)建多維度完善的課程體系

《機器人學(xué)應(yīng)用實踐》課程圍繞機器人技術(shù)的基本原理、前沿技術(shù)及其典型應(yīng)用，將教學(xué)內(nèi)容劃分為6 個子專題，構(gòu)建了層次分明、完善立體的多維度的課程體系，包括：機器人機構(gòu)學(xué)、機器人運動學(xué)與動力學(xué)、機器人感知與驅(qū)動、機器人控制、機器人仿真分析、機器人系統(tǒng)集成與應(yīng)用。通過該課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生可以具備較為全面的機器人技術(shù)理論知識和實踐能力，并能開展機器人課題研究、項目開發(fā)、科創(chuàng)競賽等創(chuàng)新實踐活動，為今后參加實際工作打下堅實的基礎(chǔ)。

（二）搭建平臺加強教學(xué)建設(shè)

課程配備了完整的機器人學(xué)線上教學(xué)平臺資源，教學(xué)團隊主編了工信部“十四五”規(guī)劃教材《機器人技術(shù)基礎(chǔ)與應(yīng)用》，建設(shè)了南航智能機器人設(shè)計與實踐大學(xué)生主題創(chuàng)新區(qū)，搭建了智能裝備與機器人創(chuàng)新實踐平臺，為項目式課程的順利實施奠定了基礎(chǔ)。在師資團隊建設(shè)上，注重優(yōu)化師資隊伍結(jié)構(gòu)，加強專兼職相結(jié)合的實踐型創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)師資隊伍建設(shè)，為學(xué)生開展多元化的雙創(chuàng)教育提供師資保證。指導(dǎo)教師長期致力于機器人領(lǐng)域的教學(xué)與研究工作，教學(xué)水平和科研能力突出，大學(xué)生科創(chuàng)指導(dǎo)經(jīng)驗豐富，保障了項目式課程的高質(zhì)量開展。此外，邀請多位機器人龍頭企業(yè)中具有豐富工程、企業(yè)經(jīng)驗的企業(yè)導(dǎo)師，組成跨學(xué)科校企合作教學(xué)團隊，為項目式課程的課題設(shè)置與實踐指導(dǎo)提供一線經(jīng)驗。

（三）線上線下混合的教學(xué)方法

在教學(xué)設(shè)計上，《機器人學(xué)應(yīng)用實踐》課程以學(xué)生為中心，以項目為驅(qū)動，采用“翻轉(zhuǎn)課堂”與“線上線下混合”的教學(xué)模式，將課程知識、競賽內(nèi)容和實踐經(jīng)驗以項目化的方式融入專業(yè)課程教學(xué)［5］。

線上教學(xué)部分，學(xué)生充分利用微課、慕課等優(yōu)質(zhì)線上教學(xué)資源，結(jié)合相關(guān)先修課程基礎(chǔ)與教學(xué)團隊編寫的紙質(zhì)教材，采用“學(xué)生為主、教師為輔、線上線下混合”的方式掌握課程基礎(chǔ)知識點，并基于項目要求撰寫線上學(xué)習(xí)心得與項目預(yù)期實施方案。課前的自主學(xué)習(xí)有效解決了學(xué)校教學(xué)設(shè)計課時數(shù)有限的問題，充分體現(xiàn)了學(xué)生為主體的作用。

線下教學(xué)部分主要分為三個階段。第一階段是項目式課程的任務(wù)布置階段，授課教師將學(xué)生分為若干個組成合理的學(xué)習(xí)小組，結(jié)合學(xué)科的前沿研究動態(tài)、教師科研項目需求、企業(yè)產(chǎn)品開發(fā)需求、大創(chuàng)項目申報計劃以及各類大學(xué)生機器人競賽要求，設(shè)置多個科創(chuàng)項目課題和競賽課題，由每個學(xué)習(xí)小組認領(lǐng)一個機器人項目作為課程實踐教學(xué)的主體，開展項目學(xué)習(xí)與研究工作，小組成員負責(zé)不同的研究重點，如結(jié)構(gòu)設(shè)計、仿真分析、傳感檢測、驅(qū)動控制、硬件開發(fā)、系統(tǒng)集成等等。

第二階段是項目式課程的執(zhí)行指導(dǎo)階段，教師根據(jù)項目進度，安排若干次線下課程答辯環(huán)節(jié)，每個學(xué)習(xí)小組結(jié)合線上學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)理論知識與線下開展的項目研究成果，按照不同的專題項目，向教師和其他學(xué)習(xí)小組匯報項目研究方案與進展。教師采用啟發(fā)式、探究式、案例式、演示法、對比法等教學(xué)方法，結(jié)合課程知識點，對其進行點評與指導(dǎo)，并通過組內(nèi)和組間研討，促進師生互動，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。

第三階段是項目式課程考核驗收階段，教師組織各個小組的項目結(jié)題答辯，并根據(jù)項目方案、項目成果、答辯效果以及學(xué)習(xí)總結(jié)材料，進行項目式課程的最終成績評定。進一步遴選有潛質(zhì)的優(yōu)質(zhì)項目開展后續(xù)更深入的研究。

（四）考核方式

在項目驅(qū)動式教學(xué)模式下，教師注重學(xué)生從發(fā)現(xiàn)問題、分析問題到解決問題全過程能力的培養(yǎng)。本課程采用了全過程、多元的評價方式和指標。課程考核內(nèi)容主要包括：線上學(xué)習(xí)心得總結(jié)材料（基于分配的具體項目任務(wù)）、各個階段的項目答辯成績、項目完成質(zhì)量、項目研究成果（實物樣機、三維模型、仿真和實驗數(shù)據(jù)、參加的各級競賽成績、獲批的大創(chuàng)課題等級等）、項目結(jié)題報告等。各個小組團隊對項目成果進行展示，同學(xué)進行評價，任課教師和企業(yè)教師根據(jù)項目式教學(xué)大綱，結(jié)合學(xué)生在項目各階段的表現(xiàn)對學(xué)生的能力進行綜合考核，達到過程考核的標準和目標考核的標準［6］。項目式驅(qū)動式課程考核內(nèi)容與分值比例如表1 所示。

表1 項目驅(qū)動式課程考核內(nèi)容與分值比例

三、實施效果

經(jīng)過不斷探索與實踐，項目驅(qū)動式實踐教學(xué)模式充分激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和積極性，提高學(xué)生的實際操作能力和綜合應(yīng)用能力。學(xué)生結(jié)合項目驅(qū)動式課程內(nèi)容，依托學(xué)校成立的“機器人俱樂部”“機器人研創(chuàng)班”以及學(xué)校開展的各項機器人相關(guān)大學(xué)生科技創(chuàng)新及競賽活動等資源，形成了以科研項目、科創(chuàng)項目、科創(chuàng)競賽為驅(qū)動的學(xué)習(xí)氛圍。近年來，學(xué)生在“挑戰(zhàn)杯全國大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品大賽”“全國機械創(chuàng)新設(shè)計大賽”“全國大學(xué)生機器人大賽”“中國機器人及人工智能大賽”等重大賽事斬獲國家級競賽獎項30 余項，省級競賽獎項50 余項。項目驅(qū)動式實踐教學(xué)模式有效提升了課程的教學(xué)質(zhì)量，達到了預(yù)期的課程教學(xué)目標，促成了專業(yè)人才培養(yǎng)目標的實現(xiàn)。

四、結(jié)語

以科研項目、科創(chuàng)項目、科創(chuàng)競賽等實踐項目為驅(qū)動的教學(xué)模式有效激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與動力，提高了自我學(xué)習(xí)能力與協(xié)作能力，并取得了良好的教學(xué)效果。文章以《機器人學(xué)應(yīng)用實踐》項目式實踐教學(xué)為案例，探索了項目式驅(qū)動實踐教學(xué)新模式在人才培養(yǎng)的意義。與傳統(tǒng)的教學(xué)模式相比，項目式實踐教學(xué)新模式解決了課時數(shù)不足、教學(xué)模式和考核方式單一等問題，同時注重培養(yǎng)學(xué)生專業(yè)理論知識與實踐項目有機結(jié)合，引導(dǎo)學(xué)生主動發(fā)現(xiàn)問題，并且通過查閱資料、動手實踐、綜合分析等過程，最終解決問題并得出結(jié)論，教學(xué)設(shè)計形成閉環(huán)。在項目實踐的過程中，該模式在實現(xiàn)學(xué)生線上自主學(xué)習(xí)和知識拓展深化、教師線下指導(dǎo)和解決問題的基礎(chǔ)上，突出了以學(xué)生為中心的個性化培養(yǎng)的教學(xué)優(yōu)勢，對提升機器人工程專業(yè)的人才培養(yǎng)質(zhì)量具有重要的意義。