機器人實踐課程任務(wù)驅(qū)動教學(xué)探索

摘 要：從“新工科”建設(shè)要求出發(fā)，針對以往機器人實踐教學(xué)中存在的教學(xué)內(nèi)容碎片化、教學(xué)方式原始化、考核評價形式單一化等問題，引入任務(wù)驅(qū)動教學(xué)模式進行教學(xué)改革探索。以“初級機器人技術(shù)與實踐”課程為例，通過設(shè)計結(jié)合行業(yè)特色的層次化實踐任務(wù)科目，開展以學(xué)生為中心的任務(wù)實施方式，建立多元立體的任務(wù)評價機制，構(gòu)建師生融通的持續(xù)改進模式，不斷提升課程教學(xué)成效。實踐表明，任務(wù)驅(qū)動教學(xué)模式能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，促進學(xué)生綜合實踐能力和創(chuàng)新能力的提升。

關(guān)鍵詞：任務(wù)驅(qū)動；教學(xué)改革；AGV機器人；實踐教學(xué)；評價體系；“新工科”

中圖分類號：TP242；G420 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2025）01-0-03

0 引 言

隨著新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的不斷深化，對具備綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力的工程技術(shù)人才培養(yǎng)提出了更高要求。深化高等工程教育改革，全力推進新工科建設(shè)，是提升工程技術(shù)人才培養(yǎng)質(zhì)量的必由之路[1]。

機器人技術(shù)融合了機械、電氣、控制、傳感、計算機、人工智能等多種技術(shù)，既是典型的新工科學(xué)科，又是傳統(tǒng)學(xué)科工程教育改革的重要支撐[2]。當前，機器人技術(shù)在國民經(jīng)濟及社會生活的各個領(lǐng)域中應(yīng)用得越來越廣泛，是各國戰(zhàn)略布局發(fā)展的主要方向之一。越來越多的高校開設(shè)了機器人相關(guān)專業(yè)或課程，在不同領(lǐng)域、不同層級的機器人技術(shù)人才培養(yǎng)方面積累了許多寶貴經(jīng)驗。中國石油大學(xué)（華東）石油工業(yè)訓(xùn)練中心立足實踐教學(xué)，結(jié)合行業(yè)特色，以輪式機器人、足式機器人、機器魚和NAO機器人為平臺，面向全校學(xué)生開設(shè)了4門機器人實踐類公選課，滿足相關(guān)專業(yè)學(xué)生開展機器人基礎(chǔ)訓(xùn)練、綜合實踐、創(chuàng)新研究、學(xué)科競賽等需求，同時為行業(yè)特色專業(yè)學(xué)生提供了了解機器人技術(shù)、擴展創(chuàng)新視野、發(fā)掘創(chuàng)新潛力的寶貴機會。

本文以“初級機器人技術(shù)與實踐”課程為例，分析行業(yè)特色大學(xué)在機器人實踐課程教學(xué)中存在的問題，并引入任務(wù)驅(qū)動教學(xué)模式，對機器人實踐教學(xué)進行改革與探索。

1 實踐教學(xué)問題分析

“初級機器人技術(shù)與實踐”是我校開設(shè)的一門機器人實踐類公選課，主要面向機器人相關(guān)專業(yè)低年級學(xué)生及行業(yè)特色專業(yè)的學(xué)生，在提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、教授機器人基本知識、訓(xùn)練學(xué)生動手實踐能力和創(chuàng)新意識方面發(fā)揮了積極作用。然而，通過問卷調(diào)查和學(xué)生座談，發(fā)現(xiàn)課程教學(xué)仍存在一些問題：

（1）教學(xué)內(nèi)容碎片化。該課程以實踐為主，涉及機械、電氣、控制、軟件等眾多方面的知識點，學(xué)生難以建立起系統(tǒng)的知識體系，且實踐項目多為驗證性實驗，學(xué)生學(xué)習(xí)熱情不高。

（2）教學(xué)方式原始化。實踐教學(xué)過程仍以教師為中心，較復(fù)雜的實踐項目往往在教師的全程指揮下完成，學(xué)生主動探索的積極性不強。

（3）考核評價形式單一化。僅憑簡單的驗證性實驗結(jié)果難以反映學(xué)生真實的學(xué)習(xí)效果，考核形式對學(xué)生的激勵作用不明顯。

（4）部分公選課班級的學(xué)生組成以行業(yè)特色專業(yè)學(xué)生為主，機器人技術(shù)基礎(chǔ)相對薄弱，缺乏針對性的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式和考核評價機制，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)難度較大，學(xué)習(xí)興趣降低。

針對以上問題，課程教學(xué)團隊根據(jù)“新工科”建設(shè)理念及要求，引入任務(wù)驅(qū)動教學(xué)模式，通過實踐任務(wù)優(yōu)化設(shè)計、教學(xué)方式和考核機制變革、持續(xù)改進模式構(gòu)建等一系列舉措，對提升課程教學(xué)質(zhì)量進行了深入探索與實踐。

2 任務(wù)驅(qū)動教學(xué)總體思路

任務(wù)驅(qū)動教學(xué)是一種以建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論和實用主義教育理論為基礎(chǔ)的教學(xué)方法，以“任務(wù)”作為教學(xué)目標的具象化載體，以學(xué)生為主體，以教師為主導(dǎo)，將傳統(tǒng)的知識傳授型教學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)閱栴}解決型教學(xué)[3-5]，是“新工科”理念下實踐教學(xué)的一種有效模式。

任務(wù)驅(qū)動教學(xué)包括4個環(huán)節(jié)：任務(wù)設(shè)計、任務(wù)實施、任務(wù)評價和持續(xù)改進[6]。任務(wù)驅(qū)動教學(xué)的具體流程如圖1所示。

（1）任務(wù)設(shè)計：該環(huán)節(jié)應(yīng)在課程開始前進行，教師根據(jù)教學(xué)目標，結(jié)合教學(xué)內(nèi)容和實踐平臺，對整門課程涉及的實踐任務(wù)進行總體規(guī)劃，分層次設(shè)計能夠輔助教學(xué)目標達成、涵蓋較多知識點、具有實用性和趣味性的實踐任務(wù)科目，并對任務(wù)實施過程進行模擬和評估，以確保實施的可行性；

（2）任務(wù)實施：該環(huán)節(jié)是實踐教學(xué)的核心環(huán)節(jié)，應(yīng)以學(xué)生為主體，對實踐任務(wù)進行自主分析、討論，提出解決方案并付諸實施，訓(xùn)練學(xué)生分析、處理復(fù)雜工程問題的能力[7]。

（3）任務(wù)評價：該環(huán)節(jié)是對學(xué)生實踐任務(wù)完成效果進行考評，應(yīng)以促進學(xué)生學(xué)習(xí)為目的，建立全過程、多元化的評價機制，避免“一刀切”式考核。

（4）持續(xù)改進：該環(huán)節(jié)在課程結(jié)束后進行，教師與學(xué)生共同探討，深入分析任務(wù)設(shè)計、實施存在的問題，不斷優(yōu)化課程教學(xué)內(nèi)容和模式。

3 任務(wù)驅(qū)動教學(xué)設(shè)計

從課程特點及存在問題出發(fā)，以新工科建設(shè)理念為指導(dǎo)，引入任務(wù)驅(qū)動的教學(xué)模式，結(jié)合行業(yè)特色，對本校“初級機器人技術(shù)與實踐”課程進行改革探索。

3.1 層級遞進的任務(wù)設(shè)計

為解決該課程知識點“碎片化”的問題，重新梳理課程知識點，使其成為連貫的知識體系，打通學(xué)生知識關(guān)聯(lián)的“堵點”。通過重構(gòu)與深化原有實驗項目、開發(fā)與拓展新實驗項目等方式，按照“認知-綜合-創(chuàng)新”的能力層次設(shè)計了10個實踐任務(wù)科目，見表1。實踐任務(wù)覆蓋了該課程大綱中90%以上的知識點，使學(xué)生在完成項目的同時，能夠?qū)⒃尽八槠钡睦碚撝R融會貫通。

認知層實踐重在強化學(xué)生對機器人基本原理的理解，培養(yǎng)其基本的開發(fā)技能；綜合層實踐引入各類傳感器，結(jié)合與生產(chǎn)生活相關(guān)的實際情景，逐步提升學(xué)生的機器人設(shè)計、開發(fā)與調(diào)試能力；創(chuàng)新層實踐結(jié)合了行業(yè)特色，布置了石油站場智能探測自動導(dǎo)航小車（Automated Guided Vehicle， AGV）設(shè)計任務(wù)，要求學(xué)生通過前序課程學(xué)習(xí)，綜合運用所學(xué)知識，設(shè)計出具備自動巡航、避障報警、溫度（或有毒有害氣體體積分數(shù)、火情）探測及處理等功能的AGV機器人[8-9]。通過構(gòu)建具有行業(yè)特色的實踐情景，有效激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

為滿足實踐任務(wù)情景構(gòu)建需求，選用Boe-Bot機器人套件作為實踐教學(xué)平臺，平臺主要包括控制、驅(qū)動、機械、傳感等模塊，如圖2所示。

教學(xué)平臺的微控制器選用STM32F103C8T6單片機，其內(nèi)核為32位ARM Cortex-M3處理器，時鐘頻率達72 MHz，具有高性能、低功耗、高集成度、高靈活性等特點[10]。該單片機具有豐富的外設(shè)接口，支持多種編程方式，便于學(xué)生開發(fā)和調(diào)試，可支持多種傳感器，滿足個性化功能需求。此外，該單片機具有完善的用戶生態(tài)，適合學(xué)生自學(xué)和課外拓展學(xué)習(xí)。

3.2 以學(xué)生為中心的任務(wù)實施

該項目貫徹以學(xué)生為中心的“新工科”教育理念，任務(wù)實施過程如圖3所示。任務(wù)實施通常以團隊為單位，任務(wù)實施時，每個團隊推選一位負責人，負責任務(wù)協(xié)調(diào)與分工；團隊成員在分析、討論任務(wù)要求后，制定總體方案，并按分工開展硬件搭建、電路設(shè)計、程序開發(fā)等具體工作。團隊負責人需把控本團隊任務(wù)實施進度，協(xié)調(diào)、解決實施過程中遇到的問題。教師發(fā)揮主導(dǎo)作用，把控任務(wù)實施總體進度并給予必要指導(dǎo)。

3.3 多元立體的任務(wù)評價

任務(wù)評價體系一方面應(yīng)真實反映學(xué)生對知識、技能的掌握情況，另一方面應(yīng)能夠激勵學(xué)生在重要知識、技能的學(xué)習(xí)上投入更大精力。該課程的任務(wù)評價環(huán)節(jié)分為3個方面：一是對任務(wù)完成結(jié)果與任務(wù)要求的契合度進行評價，主要采取學(xué)生演示和教師評價的方式進行；二是對團隊合作情況進行評價，由團隊負責人依據(jù)團隊成員的實際表現(xiàn)進行評價，而團隊負責人的成績則取團隊成員打分的平均值；三是對實訓(xùn)報告進行評價，實訓(xùn)報告的內(nèi)容涵蓋實訓(xùn)方案設(shè)計、實訓(xùn)過程總結(jié)、知識點總結(jié)和反思提升部分，教師據(jù)此來評估學(xué)生對實訓(xùn)任務(wù)所涉及知識、技能的理解與掌握情況[11]。

3.4 師生融通的持續(xù)改進

在課程教學(xué)任務(wù)完成后，教師組織學(xué)生座談，了解學(xué)生對課程教學(xué)的直觀感受，發(fā)放調(diào)查問卷，征詢學(xué)生對實踐任務(wù)及課程教學(xué)的改進建議。教學(xué)團隊深入分析學(xué)生建議，對實踐任務(wù)的內(nèi)容、實施方式、評價方式進行持續(xù)優(yōu)化，不斷積累教學(xué)實踐經(jīng)驗，提升課堂教學(xué)效果。經(jīng)過多輪任務(wù)驅(qū)動教學(xué)實踐，學(xué)生成績優(yōu)秀率有了較大提升，反映出該教學(xué)模式對提高學(xué)生的創(chuàng)新實踐能力具有促進作用。

4 結(jié) 語

基于“新工科”建設(shè)要求，針對行業(yè)特色大學(xué)的學(xué)生特點及機器人實踐教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式、考核方式等方面存在的問題，引入任務(wù)驅(qū)動教學(xué)模式，對“初級機器人技術(shù)與實踐”課程進行系統(tǒng)化的改革探索，形成了層級遞進的實踐任務(wù)科目設(shè)計、以學(xué)生為中心的任務(wù)實施方式、多元立體的任務(wù)評價機制和師生融通的持續(xù)改進模式等經(jīng)驗做法。教學(xué)實踐表明：任務(wù)驅(qū)動教學(xué)模式能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升學(xué)生的綜合實踐和創(chuàng)新能力。

注：本文通訊作者為趙玉明。

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