課賽融合“機器人技術(shù)與應(yīng)用”教學(xué)改革探討

張淑珍 李春玲 彭斌 南文虎

摘?要：針對我?！皺C器人技術(shù)與應(yīng)用”課程教學(xué)活動中學(xué)生學(xué)習(xí)興趣較低、課程實踐環(huán)節(jié)難以發(fā)揮理論與實踐相結(jié)合的作用、相關(guān)機器人比賽學(xué)生參與面不高等問題，課程團隊以課賽融合的模式從課程考核方式、考核內(nèi)容、實踐環(huán)節(jié)等方面進行改革，調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)意性，培養(yǎng)學(xué)生提出問題，進而解決實際問題的能力。經(jīng)過課賽融合實踐，學(xué)生學(xué)習(xí)機器人相關(guān)專業(yè)課興趣逐漸濃厚，參加相關(guān)機器人比賽隊伍數(shù)和質(zhì)量提高，綜合能力得以加強。

關(guān)鍵詞：課賽融合；項目式教學(xué)；創(chuàng)意能力

Teaching?Reform?on

"Robot?Technology?and?Application"?Combining?Courses?and?Contests

Zhang?Shuzhen?Li?Chunling?Peng?Bin?Nan?Wenhu

Lanzhou?University?of?Technology，?School?of?Mechanical?and?Electrical?Engineering?GansuLanzhou?730050

Abstract：For?the?students?having?lower?interest?in?learning?the?Robotics?Technology?and?Application?course?in?our?university，practices?in?the?course?hard?to?play?the?role?of?combining?theory?and?practice，studentslittle?participation?in?related?robot?competitions，course?team?applied?the?mode?of?combining?courses?and?contests?to?improve?teaching?quality?in?curriculum?evaluation?mode，examination?contents?and?practices?in?the?course?etc.to?simulate?the?students?learn?interest?and?creativity，cultivate?their?ability?to?raise?and?solve?questions.Through?practice，the?students?are?increasingly?interested?in?learning?related?to?robotics?courses，meanwhile，the?number?and?contests?grade?of?students?participating?in?relevant?robot?competitions?are?improved，students'?comprehensive?ability?can?be?improved.

Keywords：Combining?courses?and?contests；Project-based?teaching；Creativity?ability

1?概述

高校學(xué)科競賽是高校實踐教學(xué)環(huán)節(jié)的主要形式之一，是點燃學(xué)生頭腦“火把”的“火種”，是激活學(xué)生學(xué)習(xí)的有效手段［1］，學(xué)科競賽以其創(chuàng)新性、實踐性、競爭性、專業(yè)性、綜合性等特點，在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)意思維、實踐能力、團隊合作精神方面具有積極的作用。學(xué)科競賽不僅是高校創(chuàng)新人才培養(yǎng)的重要手段，也是用人單位選拔人才的重要依據(jù)。然而，由于學(xué)科競賽占用教學(xué)資源，受經(jīng)費、設(shè)備、場地、學(xué)生積極性、師資等諸多因素的制約，大多數(shù)情況下處于只涉及少數(shù)優(yōu)秀學(xué)生的“掐尖式”精英培養(yǎng)［2］。如何激發(fā)廣大學(xué)生專業(yè)興趣和學(xué)習(xí)動力，是高等教育長期關(guān)注并探索的問題，課賽結(jié)合則是探索方法之一［3］。課賽結(jié)合將競賽融入教學(xué)中，將相對枯燥理論的知識點連接成一個整體，既可以促進課程教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)形式、考核評定等教學(xué)模式的改革，又可激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，挖掘?qū)W習(xí)的潛力，因此采用課賽結(jié)合的教學(xué)模式是探索專業(yè)課程教學(xué)改革模式的必然趨勢［47］。近年來，以機器人為主題的學(xué)科競賽蓬勃發(fā)展，而高?！皺C器人技術(shù)與應(yīng)用”課程既是機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)、智能制造以及機器人工程等專業(yè)的主要專業(yè)課之一，也是培養(yǎng)學(xué)生具有多學(xué)科綜合的創(chuàng)新能力的一門課程。因此將機器人重點學(xué)科競賽與“機器人技術(shù)與應(yīng)用”課程教學(xué)改革相結(jié)合，探索該專業(yè)課程的改革模式和人才培養(yǎng)模式，以期提高學(xué)生的綜合能力是我校課程團隊急需開展的主要任務(wù)。

2?機器人技術(shù)及應(yīng)用教學(xué)和學(xué)科競賽現(xiàn)狀

機器人技術(shù)代表了機電一體化的最高研究成果。在各行各業(yè)，形形色色的機器人已走進了人們?nèi)粘Ｉa(chǎn)生活，機器人領(lǐng)域人才要求日益迫切，學(xué)好機器人技術(shù)課程也是相關(guān)專業(yè)學(xué)生的迫切需要。然而由于機器人技術(shù)涉及多門學(xué)科，綜合性強，理論性強，學(xué)生要學(xué)好這門課程往往并不順利。本文針對我校“機器人技術(shù)與應(yīng)用”課程教學(xué)現(xiàn)狀和機器人學(xué)科競賽現(xiàn)狀情況，探索課程改革方法。

2.1?課程考核方式

我校機器人技術(shù)及應(yīng)用課程教學(xué)過程中，學(xué)生對機器人緒論的教學(xué)內(nèi)容比較感興趣，對機器人結(jié)構(gòu)章節(jié)內(nèi)容還保留一些興趣，但到了機器人運動學(xué)、動力學(xué)等內(nèi)容，因涉及的數(shù)學(xué)內(nèi)容比較多，理論較多，知識內(nèi)容比較抽象，學(xué)生很難保持原來的學(xué)習(xí)狀態(tài)。有的同學(xué)認為機器人技術(shù)就是學(xué)習(xí)怎么操作和控制機器人，運動學(xué)中關(guān)于物體的數(shù)學(xué)描述以及坐標變換的內(nèi)容與機器人關(guān)聯(lián)不大，上課注意力無法集中。到了機器人連桿參數(shù)以及機器人坐標系建立的內(nèi)容，需要較好的空間想象力，部分同學(xué)跟不上老師的講課內(nèi)容。加之本課程為綜合測評，學(xué)生認為綜合測評就是做作業(yè)或開卷考試，老師都給通過。到后面的章節(jié)，教師很難在課堂中再把學(xué)生的注意力吸引到教學(xué)內(nèi)容上。因此如何提高課程的吸引力，保持學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，改革課程考核方式，提高機器人技術(shù)及應(yīng)用課程的教學(xué)效果，是值得探討的問題。

2.2?課程實踐環(huán)節(jié)

目前很多課程的課內(nèi)實驗與課程同時進行。受學(xué)校實驗設(shè)備臺套數(shù)所限制，單次實驗學(xué)生人數(shù)受到限制，實驗指導(dǎo)老師需重復(fù)多次才能完成全班實驗教學(xué)。為了在該課程教學(xué)周內(nèi)完成實驗內(nèi)容，有些實驗內(nèi)容在相應(yīng)課堂教學(xué)還未開展之前就進行實驗。學(xué)生在沒有理論學(xué)習(xí)的前提下，很難理解實驗的目的意義以及實驗結(jié)果表示的含義。因此如何在現(xiàn)有實驗條件下，發(fā)揮實驗的作用是需要思考的問題。

2.3?競賽參與面

隨著高校對學(xué)科競賽的重視，越來越多熱愛學(xué)科競賽的學(xué)生參與進來。參加競賽的學(xué)生大多基于興趣、評獎評優(yōu)、研究生推免或保研等不同目的而主動參加各種競賽，但由于競賽的競爭性較強，對于學(xué)習(xí)不突出的學(xué)生，參與競賽的積極性不高，對比賽望而卻步。參加競賽的同學(xué)雖然實踐動手能力強，對以機器人為主題的學(xué)科競賽，有些同學(xué)沒有學(xué)習(xí)機器人技術(shù)這門課程，缺乏機器人技術(shù)方面的理論知識，如何提高競賽的參與度，提高競賽成績，并且從競賽中學(xué)到相關(guān)知識并促進課程的學(xué)習(xí)，以及采用什么樣的方式組織競賽需要進一步思考。

3?課賽融合模式的“機器人技術(shù)與應(yīng)用”課程改革

我校機器人課程教師團隊中大部分老師指導(dǎo)學(xué)生參加學(xué)科競賽，以機器人方面的國賽項目為競賽內(nèi)容，組織校內(nèi)機器人創(chuàng)意設(shè)計與實踐學(xué)科競賽。針對上述現(xiàn)狀和問題，團隊結(jié)合課程教學(xué)經(jīng)驗和指導(dǎo)比賽經(jīng)驗，以課賽融合為模式，從課程考核方式、實踐方式和考核內(nèi)容等方面對課程進行改革。課賽結(jié)合模式如圖1所示。

3.1?課程考核方式的改革

我?！皺C器人技術(shù)與應(yīng)用”課程目前考核方式為綜合測評，盡管學(xué)生覺得這門課很重要，機器人技術(shù)也是當代科學(xué)技術(shù)發(fā)展最活躍的領(lǐng)域之一，但考慮該門課程的考核方式為綜合測評，學(xué)生覺得無須花大力氣和更多的時間來學(xué)習(xí)，使得在部分課程教學(xué)內(nèi)容如機器人運動學(xué)、動力學(xué)等理論性較強的部分，學(xué)生注意力下降，學(xué)習(xí)興趣也下降，學(xué)習(xí)效果只是一知半解。針對此問題，課程團隊結(jié)合春季學(xué)期學(xué)校組織的中國高校智能機器人創(chuàng)意大賽校內(nèi)選拔賽，考慮到中國高校智能機器人創(chuàng)意大賽目前競賽的三個主題可分別針對不同年級的學(xué)生開展。其中主題一創(chuàng)意設(shè)計又分為有實物和無實物兩大類，創(chuàng)意性較高的同學(xué)可參加無實物組，喜歡動手的同學(xué)可參加實物組，對競技性感興趣的同學(xué)可參加主題二魔方機器人或主題三對抗機器人。因此課程團隊將課程考核內(nèi)容設(shè)置為校內(nèi)選拔賽項賽主題，同學(xué)們按組自愿選擇參賽主題，課程考核成績中的部分成績與學(xué)科競賽成績掛鉤，同學(xué)們既參加了學(xué)科競賽，又完成了課程考核的部分內(nèi)容。

3.2?課程實踐方式的改革

現(xiàn)有實驗條件下，設(shè)備臺套數(shù)有限，部分實驗采用演示方式，很難起到通過實驗驗證理論的作用。課程團隊教師通過學(xué)習(xí)機器人虛擬仿真軟件CoppeliaSim（原VREP），在運動學(xué)內(nèi)容中將串聯(lián)、并聯(lián)機器人正、逆解計算、路徑和運動規(guī)劃通過虛擬軟件展示。學(xué)生通過了解機器人虛擬軟件功能作用，并通過進一步學(xué)習(xí)，利用虛擬軟件搭建競賽作品并進行仿真，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，更好地掌握機器人課程相關(guān)知識。

3.3?課賽結(jié)合項目式作業(yè)

學(xué)科競賽在培養(yǎng)學(xué)生綜合能力方面具有積極作用。為擴大學(xué)生的參與面，將學(xué)科競賽主題作為項目式作業(yè)的題目，以課后作業(yè)形式布置，在相關(guān)章節(jié)教學(xué)內(nèi)容的課后，將學(xué)科競賽主題內(nèi)容分解為部分相關(guān)章節(jié)的課后作業(yè)，項目式作業(yè)需按小組完成，與學(xué)科競賽的團隊分工合作性質(zhì)一致，學(xué)生在完成項目式作業(yè)的同時，也逐步推進了學(xué)科競賽項目的開展。

4?實施方案分析

課程團隊在近年開展“機器人技術(shù)及應(yīng)用”課程教學(xué)工作中，將機器人相關(guān)學(xué)科競賽融入教學(xué)活動。我校機器人科創(chuàng)基地從2011年開始組織機器人創(chuàng)意設(shè)計與實踐比賽活動，到2022年已組織七屆比賽活動。每屆比賽于春季學(xué)期進行，“機器人技術(shù)與應(yīng)用”課程在春季學(xué)期進行，賽事活動與教學(xué)學(xué)期重疊，機器人課程教學(xué)團隊老師積極探索課賽融合教學(xué)模式，改革課程教學(xué)方式和考核評價方式。

針對“機器人技術(shù)與應(yīng)用”課程考核方式為綜合測評，學(xué)生不重視綜合測評課程，為提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，布置大作業(yè)內(nèi)容為智能機器人創(chuàng)意競賽主題，以主題一家用服務(wù)機器人為大作業(yè)題目，3人為團隊。各章教學(xué)內(nèi)容與比賽作品以及項目式作業(yè)內(nèi)容對應(yīng)結(jié)合關(guān)系如下表所示。

通過將教學(xué)內(nèi)容與機器人競賽作品內(nèi)容相融合，學(xué)生團隊設(shè)計和制作了很多優(yōu)秀作品。2021年我校組織的智能機器人創(chuàng)意競賽選拔賽參賽團隊為31支，“機器人技術(shù)與應(yīng)用”課程班級未開展課賽結(jié)合教學(xué)改革，參賽學(xué)生占10%；2022年我校參賽團隊達91支，課程班級中參加學(xué)生達50%。在第五屆中國高校智能機器人創(chuàng)意大賽中獲得一等獎3項、二等獎4項、三等獎6項的成績，其中一等獎作品：《基于機器視覺的家用垃圾桶》；二等獎作品：《基于ROS的家用服務(wù)機器人》，如圖2所示；三等獎作品：《“風(fēng)寶”——一種家庭應(yīng)用式高效節(jié)能通風(fēng)換氣裝置》，均為2022年開展課賽結(jié)合的“機器人技術(shù)與應(yīng)用”教學(xué)改革活動中課程班級學(xué)生作品。

結(jié)語

通過課賽融合模式下的“機器人技術(shù)與應(yīng)用”課程教學(xué)改革的實踐，我們發(fā)現(xiàn)學(xué)生對機器人技術(shù)課程的學(xué)習(xí)自主性大為提高，學(xué)生愿意投入更多的時間、精力到課程中，也愿意投入更多的時間完成課賽結(jié)合的項目式作業(yè)，課程教學(xué)效果相較改革前有了較大提升，師生關(guān)系也更加融洽、緊密。課程教學(xué)班參與智能機器人創(chuàng)意大賽的同學(xué)大大增加，獲獎團隊數(shù)也增加?？紤]到機器人技術(shù)課程涉及專業(yè)知識較多，在今后的課賽結(jié)合教學(xué)改革中，根據(jù)教學(xué)章節(jié)內(nèi)容和學(xué)生的興趣，將不同課程教學(xué)內(nèi)容與多個機器人相關(guān)賽項進行結(jié)合，在更大程度上實現(xiàn)了“課賽融合”“以賽促學(xué)”“以賽促教”的教學(xué)模式改革。

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基金項目：甘財高函［2022］11號，甘肅省教育廳創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教學(xué)改革研究項目：基于“課賽結(jié)合的機械類創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式的研究與實踐”；2021年蘭州理工大學(xué)校級一流本科課程

作者簡介：張淑珍（1969—?），女，漢族，山西呂梁人，博士，副教授，研究方向：智能工業(yè)機器人、移動機器人導(dǎo)航及建圖。