物聯網教育機器人引入本科教學的思考

葛艷紅　李文鋒　周建榮

摘要：本科教學作為高等教育的基礎，教學質量決定著人才的質量，培養模式決定著人才的類型。因此，本科教學必須隨著時代的進步不斷變革，廢除舊知識、舊模式，增添新知識，采納新方法。物聯網技術和機器人技術作為當前最熱點的研究領域，因其科技含量高，趣味性強，綜合性強受到了教育界的廣泛關注和應用。本文首先分析了本科教學的主流模式及其發展方向，再概括了物聯網教育機器人的特點并進行了設計開發，最后探討了在本科教學中引進物聯網教育機器人技術的途徑和方法，并對實施結果進行了展望。

關鍵詞：物聯網；教育機器人；本科教學；培養模式

中圖分類號：G642.41 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）03-0203-02

一、前言

高等學府是培養人才的搖籃，其培養模式決定著人才的類型。而大學本科作為高等教育的基礎階段，其教學質量決定著高等教育水平。大力加強本科教學改革，努力提高大學本科教學質量，培養新時期社會所需人才，是高等教育的職責和義務。高等教育必須緊跟時代步伐，廢除舊知識、舊模式，增添新知識，采納新方法。在知識變更日新月異的21世紀，如何利用瞬息萬變的信息技術和前沿的軟硬件技術為本科教學的改革探索一條行之有效的新路子是高等教育工作者的責任。

二、本科教學的發展趨勢

1.本科教學的現狀。長期以來，以教師為中心的課堂教學格局仍然沒有被打破，教師“一言堂”、“填鴨式”的教學模式在各大高校仍然是主流。究其實質，教師只是知識的中間傳遞人，將書本上的知識面面俱到，照搬照抄給學生。所以，即使老師滿堂講得是口干舌燥，飛沫四濺，學生卻還是毫無興趣、昏昏欲睡。這種教學模式完全忽視了學生在教學環節中的主體地位，忽視了學習的主動性和創造性，帶來的弊端也顯而易見：①學生得到的只是書本上死的知識，脫離了實際應用的空洞理論，雖“滿腹經綸”，卻不能解決實際問題；②學生養成了被動接受的習慣，缺乏主動求知的欲望和熱情，離開了老師，甚至不會學習；③給了學生錯誤的信號——老師講的、書本上的都千真萬確、不容置疑。抹殺了學生的創新意識，阻礙了創新能力的培養；④單一課堂教學模式培養下的學生共性有余，個性不足，抑制了個體特殊才能的發揮和發展；⑤老師講的多，學生思考的少，基本不動手的教學要求退化了學生的動手能力，削弱了相互協調配合，團體合作能力的鍛煉。

近年來，各大院校雖然不同程度地進行了大學本科教學改革的研究和實踐，但主要集中在理論層面的探討，課程內容的增減，教學手段由板書取而代之多媒體（主要是PowerPoint）等方面，沒有從根本上革除陳舊的、重知識輕能力的教學模式，沒有及時更新陳腐的舊知識，增添新穎的新技術新知識，實現名副其實的符合時代要求的教學改革。

2.本科教學的改革要求。隨著改革開放的深入，國家教育部先后出臺了一系列的改革計劃和建議，對高校的教學改革進行宏觀指導。《關于進一步加強高等學校本科教學工作的若干意見》[1]、《教育部關于進一步深化本科教學改革全面提高教學質量的若干意見》[2]等都特別強調指出：①要堅持知識、能力和素質協調發展，實現從注重知識傳授向更加重視能力和素質培養的轉變；②要根據經濟社會發展和科技進步的需要，及時更新教學內容，將新知識、新理論和新技術充實到教學內容中，為學生提供符合時代需要的課程體系和教學內容；③要著力培養學生創新精神和創新能力，要采取各種措施，通過減少課堂講授時數等，增加學生自主學習的時間和空間，拓寬學生知識面，增強學生學習興趣，完善學生的知識結構，促進學生個性發展；④要培養學生的實踐動手能力、分析問題和解決問題能力。要加強產學研密切合作，拓寬大學生校外實踐渠道，與社會、行業以及企事業單位共同建設實習、實踐教學基地。

由此可以看出，建立知識、能力、素質三位一體的人才培養模式，培養具有創新精神和實踐能力的高級專門人才已成為當今高等院校改革的方向。

三、物聯網教育機器人分析與設計

教育機器人是以激發學生學習興趣、培養學生綜合能力為目標的機器人產品。將物聯網元素引入機器人系統，使教育機器人功能更強大，具有自主控制、智能傳感與標識、無線傳輸、分布式協同、智能交互等特點，這一類新型的具有物聯網理念的教育機器人，稱為“物聯網教育機器人”[3]。物聯網教育機器人不僅拓寬了教育機器人的功能，也拓展了物聯網的應用，還能夠方便地搭建自己的機器人和物聯網實驗場景，構建分布式控制與協同實驗平臺、物流與交通實驗平臺等。

物聯網教育機器人的開發設計必須符合教學特點，達到教學目的[3]：

1.教學適用性。物聯網教育機器人首先應當易教益學，由于要經常拆裝，反復實驗，因此機器人的零部件要盡量堅實耐用。

2.先進性。物聯網教育機器人的設計和開發必須緊跟時代的步伐，推陳出新，融入最新的技術和理念。

3.可擴展性。為了培養學生的動手能力和創新精神，物聯網教育機器人要有很好的可擴展性，要留有充分想象的空間，要給予施展才能的窗口。

4.開放性。各種傳感器和其他核心部件要盡量外露，這樣才能激發學生的好奇心，脆生求知欲，引導學生去探索。

5.模塊化程度。物聯網教育機器人的各個功能要盡量模塊化，可增可減，針對不同的應用可方便地組合搭配。

6.可重構性。物聯網教育機器人的各個組成部分應該具有良好的可重構特性（包括任務重構，硬件重構等），才能最大限度發揮學生的潛能，充分調動個性特點。

7.二次開發特性。物聯網教育機器人要能夠支持二次開發，充分發揮學生的主觀能動性和深層探究科學問題的能力。

8.良好的性價比要求。由于各個地區的發展不平衡，經濟水平參差不齊，因此，機器人的性能除了滿足教學要求外，必須具有良好的性價比，成本越低越好。

四、讓“物聯網教育機器人”走進本科教學

物聯網教育機器人技術融合了多個專業領域的知識，不僅具有硬件技術，也具有軟件技術，便于設計各種項目或比賽，能夠激活大學生的創新思維，激發大學生的學習興趣，鍛煉大學生的動手能力，培養大學生的合作能力和團隊精神。

1.本科教學中普及物聯網教育機器人基礎知識。在本科教學中普及物聯網、機器人基礎知識是當前形勢的迫切需要，是教育發展的必然，應該多途徑、多渠道宣傳、推廣物聯網和機器人技術知識。①舉行不同主題的系列講座，讓學生初步了解物聯網和機器人技術的真正內涵。②開設相關的選修課程，系統講解物聯網、機器人技術的基礎知識：發展歷程、軟硬件組成、不同領域的應用、未來的發展趨勢和展望等。讓部分學生先“懂”起來，由點觸面，由少數帶動多數，從而引發對前瞻技術探密的興趣。

2.搭建物聯網教育機器人研發平臺，構建創新設計新環境。物聯網教育機器人是一個多學科理論和知識的有效載體，通過物聯網機器人的設計、制作和運用，可以調動大學生運用知識、創造知識的能力，培養大學生科技創新的綜合素質。因此，應該充分利用高校的優勢，結合課程設計、畢業設計等教學環節，構建創新設計新環境。有必要通過教學內容和教學模式的改革，開設設計性、綜合性、創新性比較強的物聯網機器人設計項目，使之真正具有創新教育的內涵與功能。作者所在課題組與東莞市博思電子數碼科技有限公司合作，設計開發了一套物聯網與機器人實驗系統。該系統不僅包含基本的硬件設備，而且提供軟件設計程序，實踐性強，工程創新空間大，非常適合作為大學機械、電氣、自動化等專業本科學生的教學實踐平臺。學生可以在此平臺上進行各種物聯網與機器人相關的理論證明、技術驗證、實景再現、工程模擬，可以進行無限的創意和構想。

3.借勢而發，參與各項賽事，成立物聯網教育機器人研發興趣小組。眾所周知，各種機器人競賽琳瑯滿目，物聯網相關的賽事也風生水起，這也正是物聯網教育機器人進入本科教學的切入點，以此為契機，成立物聯網與機器人研發興趣小組，吸納不同學科領域對物聯網機器人研究有興趣的學生，為他們創造研發的環境和條件，提供軟硬件資源。我院與東莞博思電子數碼科技有限公司合作成立的“物流與機器人技術實驗室”和“物聯網與物流技術研究中心”，每年都吸引了不同年級、不同專業背景的本科生匯聚于此，共同研究物聯網教育機器人相關技術，參與各種賽事，取得了不俗的成績。

五、總結展望

大學本科的教學改革必將隨著時代的進步、社會的發展不斷深入、不斷升華。知識的推陳出新，新穎的軟硬件技術的應用是教育的基本要求；培養有知識、有能力、有素養的創新型、實踐型人才是教育改革的方向。我院有意與東莞市博思電子數碼科技有限公司合作，將當前如火如荼的物聯網與機器人技術引入大學本科的教學改革，旨在摸索一條適合新時期、新要求的大學生培養新路子，相信在不久的將來一定會收獲此次合作改革帶來的教學成果。

參考文獻：

[1]教育部關于印發《關于進一步加強高等學校本科教學工作的若干意見》的通知[Z].教高[2005]1號http：//www.moe.edu.cn/edoas/website18/info13834.htm.

[2]《教育部關于進一步深化本科教學改革全面提高教學質量的若干意見》[Z].教高〔2007〕2號http：//www.moe.edu.cn/edoas/website18/info25425.htm.

[3]葛艷紅.基于物聯網的教育機器人關鍵技術研究[D].武漢理工大學，2013.