面向創(chuàng)新能力培養(yǎng)的“智能物流系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)”課程教學(xué)改革

韓昀瑾，李珊珊，王 政

（華北理工大學(xué)應(yīng)急管理與安全工程學(xué)院，河北唐山 063210）

一、引言

我國“十四五”規(guī)劃強(qiáng)調(diào)，“堅(jiān)持創(chuàng)新在我國現(xiàn)代化建設(shè)全局中的核心地位，把科技自立自強(qiáng)作為國家發(fā)展的戰(zhàn)略支撐，把培養(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)新型人才設(shè)定為我國高等教育的主要目標(biāo)”[1]。現(xiàn)階段，高校已加大對實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的重視程度，致力于對創(chuàng)新型綜合素質(zhì)人才的培養(yǎng)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)能夠鍛煉學(xué)生的動手能力、實(shí)踐能力、吃苦耐勞精神、團(tuán)結(jié)協(xié)作的能力，而學(xué)生最重要的創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力也需要通過理論與實(shí)驗(yàn)雙重探索培養(yǎng)[2]，因此，實(shí)驗(yàn)類課程是物流人才培養(yǎng)課程體系中的重要組成部分。隨著智慧物流行業(yè)的蓬勃發(fā)展，現(xiàn)代物流企業(yè)需要的不僅僅是吃苦耐勞的一線工人，更需要的是有專業(yè)知識、實(shí)踐能力、創(chuàng)新創(chuàng)造能力的復(fù)合型物流人才。因此，高校必須將創(chuàng)新思維培養(yǎng)融入到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，探索多元化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。

二、“智能物流系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)”課程教學(xué)改革背景

“智能物流系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)”是物流工程專業(yè)的一門專業(yè)必修實(shí)踐課程，其實(shí)驗(yàn)設(shè)備為物流教育機(jī)器人，采用“實(shí)物模型搭建+編程設(shè)計”的實(shí)踐教學(xué)模式，開設(shè)于第六學(xué)期。在此之前，學(xué)生已完成“現(xiàn)代物流裝備”“物流場站和配送中心”“Python 程序設(shè)計基礎(chǔ)”等前續(xù)課程的學(xué)習(xí)，有一定的理論基礎(chǔ)。課程從智慧倉儲、自動分揀、智能配送等角度出發(fā)，要求學(xué)生利用物流教育機(jī)器人設(shè)備搭建智慧物流作業(yè)場景，模擬裝卸、運(yùn)輸、配送、分揀、包裝等物流活動，編寫Python 代碼，利用控制器控制設(shè)備運(yùn)行。課程著重培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力、實(shí)踐能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，幫助學(xué)生掌握實(shí)踐技能及深入了解物流領(lǐng)域的知識。

在該課程傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，學(xué)生分小組搭建物流配送中心中的分揀設(shè)備、輸送設(shè)備、起重設(shè)備、自動導(dǎo)引設(shè)備、交叉口信號控制器、自動車床、抓放手臂、自動門、打包設(shè)備、包裹識別設(shè)備，搭建完成后，在控制軟件中設(shè)計模型運(yùn)轉(zhuǎn)流程圖，利用控制器實(shí)現(xiàn)設(shè)備功能。課程配備的實(shí)驗(yàn)手冊，包含詳細(xì)的模型搭建步驟圖，以及流程編寫示意圖，學(xué)生只需按步驟操作即可完成實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)整體偏重驗(yàn)證性，缺少對后續(xù)知識的延伸和實(shí)際應(yīng)用的引入，對學(xué)生缺乏吸引力，在開啟學(xué)生思路、發(fā)散思維方面起到的作用不大，導(dǎo)致學(xué)生對實(shí)驗(yàn)課程的重視程度普遍不高。被動式的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)雖然對學(xué)生團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力和實(shí)踐動手能力有一定的提升，但是無法激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新欲望和創(chuàng)新能力。

三、“智能物流系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)”課程教學(xué)改革探究

針對物流工程專業(yè)的技術(shù)應(yīng)用背景，“智能物流系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)”課程在兼顧知識體系系統(tǒng)性的前提下，將實(shí)踐場景應(yīng)用聚焦于物流工程領(lǐng)域具有前瞻性的方向上，著重加強(qiáng)對學(xué)生傳感器技術(shù)、自動識別技術(shù)、自然語言處理等方面能力的培養(yǎng)。為加強(qiáng)物流工程專業(yè)建設(shè)，實(shí)驗(yàn)室購置了全新的物流教育機(jī)器人設(shè)備，支持10 余種傳感器并增加動力模塊的集成，支持Scratch3.0 和Python2 種編程語言，可組合搭建不同類型的物流設(shè)備和場景。經(jīng)過2 輪的實(shí)驗(yàn)課程改革，將學(xué)生分成2 組進(jìn)行對比教學(xué)。一組采用傳統(tǒng)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，即實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容均為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)；另一組采用創(chuàng)新設(shè)計性實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，即實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容均為創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)。從教學(xué)效果來看，課程不能完全摒棄驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，而是應(yīng)選擇一個合適的度，采用驗(yàn)證性、設(shè)計性、創(chuàng)新性、考核實(shí)驗(yàn)“3+3+3+1”的分層式實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，具體實(shí)驗(yàn)內(nèi)容如表1 所示。

（一）總體實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)計

1.驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)設(shè)計

在優(yōu)選的10 個實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中，保留3 個驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，從交叉口信號控制器、自動門到升降貨梯，實(shí)驗(yàn)的難度循序漸進(jìn)。驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)提供教學(xué)團(tuán)隊(duì)自編實(shí)驗(yàn)手冊。手冊中包含實(shí)驗(yàn)需使用的結(jié)構(gòu)件、傳動件、傳感器種類和數(shù)量，設(shè)備搭建詳細(xì)步驟圖，Python 模塊化代碼使用方法，控制器使用方法等內(nèi)容。實(shí)驗(yàn)手冊可便于學(xué)生快速熟悉物流教育機(jī)器人設(shè)備。通過這3 個驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以熟悉光敏傳感器、紅外傳感器、聲音傳感器、溫度傳感器、視覺識別、巡線等基本設(shè)備的功能，熟悉軟件的使用方法和2種設(shè)備的控制方式，以及Python 和Scratch3.0 2 種編程語言。驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)難度適中，同生活緊密結(jié)合，可以激發(fā)學(xué)生對實(shí)驗(yàn)課程的興趣。

2.設(shè)計性、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)設(shè)計

開設(shè)3 個設(shè)計性實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和邏輯思維。設(shè)計性實(shí)驗(yàn)給學(xué)生提供了自主的實(shí)驗(yàn)時間，給出實(shí)驗(yàn)場景、實(shí)驗(yàn)要求、模型搭建圖和部分Python 代碼，但部分作業(yè)流程需小組成員共同設(shè)計并嘗試實(shí)現(xiàn)。例如，避障實(shí)驗(yàn)，教師給出配送中心某一作業(yè)區(qū)的等比例地圖、用黑膠帶粘貼出的車輛行走路徑、配送小車的基礎(chǔ)搭建圖，要求配送小車沿固定路徑行走，并且在行走過程中遇到障礙物（人或物）能夠及時避讓，小組成員則需思考避讓原理，選擇適合的避障傳感器，編寫Python 代碼實(shí)現(xiàn)控制配送小車。

開設(shè)3 個創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。學(xué)生可結(jié)合某企業(yè)實(shí)際，自行設(shè)計無人配送、智慧倉儲、柔性制造、智慧碼頭、快遞分揀等多種物流作業(yè)場景，模擬其中的某一作業(yè)環(huán)節(jié)。例如，教師指定實(shí)驗(yàn)?zāi)M集裝箱碼頭作業(yè)場景，學(xué)生則需自行搭建模型，選擇集裝箱裝卸船、堆場提箱、卡車進(jìn)出閘口等作業(yè)場景中的某一場景進(jìn)行模擬，思考如何搭建模型來實(shí)現(xiàn)集裝箱箱號、堆場箱區(qū)號、集卡車牌號的識別功能。創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)避免了原有驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)過程中學(xué)生不思考的問題。教師應(yīng)根據(jù)所設(shè)定的實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)和學(xué)習(xí)內(nèi)容有效激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情，鼓勵學(xué)生勇于探索創(chuàng)新實(shí)踐方法，同時，應(yīng)在學(xué)生學(xué)習(xí)過程中營造創(chuàng)新氛圍和提供創(chuàng)新條件保障[3]，幫助學(xué)生建立創(chuàng)新觀念，激發(fā)創(chuàng)新欲望。

3.考核實(shí)驗(yàn)設(shè)計

增設(shè)考核實(shí)驗(yàn)，即小組成員需在規(guī)定時間內(nèi)完成教師指定的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。例如，以智能配送實(shí)驗(yàn)為例，教師給出配送中心場地的等比例地圖、機(jī)械手臂的基礎(chǔ)搭建圖，要求機(jī)械手臂將傳動帶上若干件大小相同但顏色不同的方形貨物放到搬運(yùn)小車上，搬運(yùn)小車將貨物運(yùn)送到指定庫位中。學(xué)生可自行規(guī)劃搬運(yùn)小車行走路徑、貨物識別方式（二維碼、磁帶、顏色、視覺等）、搬運(yùn)方式及單次搬運(yùn)件數(shù)。

（二）建立開放實(shí)驗(yàn)平臺

受到單次實(shí)驗(yàn)課程時長的限制，學(xué)生只能按手冊完成規(guī)定實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，無法完成復(fù)雜的物流場景和作業(yè)流程的設(shè)計，部分學(xué)生即使課前完成設(shè)計工作，也無法短時間內(nèi)搭建模型并完成程序語言的編寫，導(dǎo)致很多小組不去設(shè)計創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，而是直接參照其他小組結(jié)果完成本組實(shí)驗(yàn)，使得實(shí)驗(yàn)課并未達(dá)到預(yù)期的培養(yǎng)創(chuàng)新能力的效果。因此，課程增設(shè)開放實(shí)驗(yàn)平臺。開放實(shí)驗(yàn)平臺實(shí)行線上預(yù)約登記制度，學(xué)生每周二和周四下午可通過學(xué)習(xí)通線上預(yù)約實(shí)驗(yàn)室使用設(shè)備。申請時，學(xué)生需先提出具體的書面實(shí)驗(yàn)方案，然后指導(dǎo)教師需對實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行審議并與學(xué)生展開討論，最終確定實(shí)驗(yàn)方案和實(shí)驗(yàn)進(jìn)度。開放時間內(nèi)指導(dǎo)教師將在實(shí)驗(yàn)室對學(xué)生進(jìn)行指導(dǎo)。

（三）實(shí)驗(yàn)教學(xué)考核方式的優(yōu)化

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)考核方式單一，僅以小組形式考查學(xué)生是否完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)報告，導(dǎo)致部分學(xué)生實(shí)驗(yàn)參與度低，教師接收不到學(xué)生對實(shí)驗(yàn)掌握程度的客觀反饋。為達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生動手操作能力、工程創(chuàng)新能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力和創(chuàng)新設(shè)計能力的目標(biāo)，有效引導(dǎo)學(xué)生注重實(shí)驗(yàn)過程的學(xué)習(xí)，提升學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)的積極性，教師應(yīng)建立能夠反映學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)效果和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ亩嘣?、多角度考核評價體系，基于實(shí)驗(yàn)參與度、實(shí)驗(yàn)完成度、實(shí)驗(yàn)報告、綜合實(shí)驗(yàn)考核、設(shè)計創(chuàng)新能力5 個維度，建立“1+2+2+2+3”成績評定模式。實(shí)驗(yàn)參與度考查學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力；實(shí)驗(yàn)完成度考查學(xué)生在規(guī)定時間內(nèi)能否完成本次課程的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容；實(shí)驗(yàn)報告減少了實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)手段、實(shí)驗(yàn)原理內(nèi)容的篇幅，增加了實(shí)驗(yàn)心得感悟；綜合實(shí)驗(yàn)考核即最后一次課程的考核實(shí)驗(yàn)，重點(diǎn)考查小組成員的綜合設(shè)計和應(yīng)用能力；設(shè)計創(chuàng)新能力考查學(xué)生每次實(shí)驗(yàn)過程中是否有加入本組的創(chuàng)新性設(shè)計成果，避免各小組之間創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計的趨同。

（四）教學(xué)資源不斷建設(shè)，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗(yàn)感

1.實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)手冊的更新迭代

為滿足新工科背景下物流工程專業(yè)人才培養(yǎng)模式要求，實(shí)驗(yàn)室全面更新了實(shí)驗(yàn)設(shè)備，增設(shè)了二維碼識別、視覺識別、巡線等新功能，控制語言由C 語言轉(zhuǎn)變成Python語言，原有指導(dǎo)手冊已不能滿足教學(xué)使用。為更好地開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作，教師團(tuán)隊(duì)編寫了新的指導(dǎo)手冊，包含3 個驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)實(shí)場景介紹、模型搭建步驟詳圖、作業(yè)流程圖、Python 代碼及思考題。例如，自動門實(shí)驗(yàn)。生活中的自動門包含紅外傳感器、微波雷達(dá)、人臉識別等方式，指導(dǎo)手冊給出了超聲傳感的完整代碼和自動門搭建模型，學(xué)生通過驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)可以快速掌握實(shí)驗(yàn)設(shè)備的使用方法。

2.錄制實(shí)驗(yàn)操作微課視頻，利用線上教學(xué)平臺

為了幫助學(xué)生更好地理解物流教育機(jī)器人設(shè)備的使用方法，教師團(tuán)隊(duì)錄制了一系列實(shí)驗(yàn)操作視頻，包括軟件操作視頻，AGV（自動導(dǎo)引車）、自動門、傳送帶、貨梯等設(shè)備的模型搭建視頻，控制器的使用視頻，綜合物流場景應(yīng)用等微課視頻。視頻時間一般不超過10 min，僅包含重點(diǎn)內(nèi)容，不提供詳細(xì)的搭建過程和Python 代碼，保證實(shí)驗(yàn)過程的探究性。微課豐富了學(xué)生的課前導(dǎo)學(xué)環(huán)節(jié)，提高了課堂實(shí)驗(yàn)效率。學(xué)生在課前需反復(fù)觀看實(shí)驗(yàn)教學(xué)視頻，消化重點(diǎn)、難點(diǎn)，預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容并回答思考問題，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室后，再與教師進(jìn)行深度互動，從而有效提升實(shí)驗(yàn)效果。教師也可在線上平臺發(fā)布討論主題，讓學(xué)生自主學(xué)習(xí)與課程相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)內(nèi)容，設(shè)置線上交流區(qū)，為學(xué)生答疑解惑，將被動學(xué)習(xí)變成主動學(xué)習(xí)。

3.建立創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)視頻庫

學(xué)生完成優(yōu)秀的創(chuàng)新性、設(shè)計性實(shí)驗(yàn)后，錄制實(shí)驗(yàn)成果展示視頻，放入課程的創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)視頻庫。學(xué)期末，教師會將本學(xué)期內(nèi)學(xué)生個人或小組設(shè)計的創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)在全系師生中進(jìn)行展示。此外，教師團(tuán)隊(duì)也會定期進(jìn)行教學(xué)研討，協(xié)同搭建新的物流場景、設(shè)計新的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，并拍攝成果展示視頻，不斷豐富課程的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源。

四、課程教學(xué)改革實(shí)施的效果

（一）實(shí)驗(yàn)分析能力顯著提升

消除實(shí)驗(yàn)報告內(nèi)容“幾乎無差異”或者“只有字體差異”的同類現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)報告中的目的、意義、原理等理論內(nèi)容大幅簡化，撰寫重點(diǎn)轉(zhuǎn)變成實(shí)驗(yàn)設(shè)計的思路、遇到的問題的分析和解決方法、思考實(shí)驗(yàn)的得失，特別是在實(shí)驗(yàn)過程中遇到的難題及失敗經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)授課過程中，學(xué)生在遇到問題時更多的是尋求教師的指導(dǎo)，很少獨(dú)立去思考和探尋問題的解決方法。課程改革后，學(xué)生逐步養(yǎng)成自主、合作、探究式的學(xué)習(xí)方式，增加了更多的小組討論活動，主動去探尋問題的解決方案，從失敗中提煉創(chuàng)新經(jīng)驗(yàn)。

（二）充分利用開放實(shí)驗(yàn)平臺

開放實(shí)驗(yàn)平臺使用率高，線上預(yù)約積極，在實(shí)驗(yàn)課授課周次，每周二和周四均有多組學(xué)生預(yù)約使用開放實(shí)驗(yàn)平臺。開放實(shí)驗(yàn)平臺充分彌補(bǔ)了實(shí)驗(yàn)課授課時長的限制，可進(jìn)一步驗(yàn)證和完善課堂中未完成的創(chuàng)新設(shè)計實(shí)驗(yàn)。學(xué)生利用開放實(shí)驗(yàn)平臺，完成了生產(chǎn)企業(yè)的柔性制造系統(tǒng)的作業(yè)流程設(shè)計和模型的構(gòu)建，并實(shí)現(xiàn)了Python 語言的程序控制。這充分說明改革后的實(shí)驗(yàn)方式提升了學(xué)生主動學(xué)習(xí)的興趣，營造了濃厚的創(chuàng)新學(xué)習(xí)氛圍，使學(xué)生的實(shí)驗(yàn)熱情和參與度均顯著提升。

（三）創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)設(shè)計能力明顯提升

經(jīng)過2 輪的課程改革實(shí)踐，創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)視頻庫中已添加由學(xué)生完成的多個創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)成果展示視頻，如車場自動收費(fèi)場景、圖書館還書場景、超市收銀場景等。學(xué)生由被動完成實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃铀伎既绾胃玫赝瓿蓪?shí)驗(yàn)，學(xué)生的創(chuàng)新思維、綜合分析問題能力、解決問題能力和創(chuàng)新能力均得到明顯增強(qiáng)。

五、結(jié)束語

新工科背景下，高校的教育改革、學(xué)生培養(yǎng)模式的轉(zhuǎn)變均圍繞知識型、技能型、創(chuàng)新型人才培養(yǎng)目標(biāo)進(jìn)行[4]，“智能物流系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)”作為物流工程專業(yè)重要的必修課程，在教學(xué)體系中有著重要作用。課程從實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計、實(shí)驗(yàn)考核方式、網(wǎng)絡(luò)資源開發(fā)、開放實(shí)驗(yàn)平臺建設(shè)等方面進(jìn)行的改革和創(chuàng)新，一方面幫助學(xué)生樹立了科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度，養(yǎng)成了科學(xué)的學(xué)習(xí)和思考習(xí)慣，增強(qiáng)學(xué)生獨(dú)立思考和創(chuàng)新設(shè)計的能力；另一方面也提升了學(xué)生參與科研活動和學(xué)科競賽的熱情，學(xué)生參與大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目的比例顯著提升。