創新能力培養視角下的“混合式”教學模式改革與實踐

邱麗梅，吳 龍

（1.三明學院 機電工程學院，福建 三明 365004；2.機械現代設計制造技術福建省高校工程研究中心，福建 三明 365004）

創新能力培養視角下的“混合式”教學模式改革與實踐

邱麗梅1，2，吳 龍1，2

（1.三明學院 機電工程學院，福建 三明 365004；2.機械現代設計制造技術福建省高校工程研究中心，福建 三明 365004）

響應地方高校“培養具有創新精神和實踐能力的高級應用型人才”的號召，著眼于培養學生“創新實踐能力”，以《機器人技術》課程教學改革為例，顛覆了傳統的教學模式，提出了集“一線串珠”、“MOOC”、“項目式”等教學模式為一體的“混合式”教學新模式。 實踐表明，該模式抓住了教學主線，實現了理論結合實際，能適應應用型本科院校的教學，開創了具有自身特色的、實用的、靈活的大學課堂教學新模式，激發了學生的學習能力、實踐能力和創新能力。

一線串珠；MOOC；項目式；“混合式”教學模式

1 引 言

習近平主席曾說過：“機器人是 ‘制造業皇冠頂端的明珠’，其研發、制造、應用是衡量一個國家科技創新和高端制造業水平的重要標志。”機器人技術是近年來得到廣泛關注的研究領域，是集成了生物、機械、電子、計算機和人工智能等眾多領域的尖端科技[1]。 中 國 、日本 、韓國和 歐 盟等都 將 機器人 技 術列 入 國家科技發展規劃。 麻省理工學院、俄勒岡州立大學、清華大學、哈爾濱工業大學、浙江大學等國內外許多高等院校都已開展了機器人教學工作。 《機器人技術》課程在各高校中變得越來越普遍，如何結合機器人技術的發展搞好機器人的教學工作是許多機器人教育 工作者 關 心的問 題[2]。

在“工業 4.0”的國際大背景下，及在“中國制造 2025”的強國戰略和“大眾創業，萬眾創新”的號召下，三明學院作為地方本科院校響應“培養具有創新精神和實踐能力的高級應用型人才”的號召，著眼于培養學生“創新實踐能力”。 因此，《機器人技術》課程的教學目標應由傳統的傳授機器人系統基礎知識，發展為使學生在較短的時間內掌握生產現場最需要的工業機器人的實際應用技術，并培養學生綜合運用機電一體化、智能控制等多種技術，以及將學到的基礎理論和專業知識進行創新設計能力培養的多重目標。為此，本文針對《機器人技術》課程，以培養學生創新能力為目標，提出了把“一線串珠式”、“MOOC”和“項目式”教學融為一體的“混合式”教學模式，如圖 1 所示，該模式抓住了教學主線，兼顧了課堂內外，實現了理論結合實際，適應了應用型本科院校的教學，開創了具有自身特色的、實用的、靈活的大學課堂教學新模式，為培養具有創新精神和實踐能力的高級應用型人才奠定了基礎。

圖1 課程教學新模式

2 培養創新能力的“混合式”教學新模式

《機器人技術》課程是集機械、檢測傳感、信息、控制和伺服驅動等技術一體的典型的高端的機電一體化綜合學科，其主要內容包括了機器人概述、機械本體結構、運動學、動力學、軌跡規劃、控制系統和編程等 7 個章節的內容，教學過程融會貫通了《機械設計》、《單片機技術》、《傳感與檢測技術》、《控制原理》和《C 程序設計》等多門機械、電子、信息和軟件工程等相關專業的課程知識。該課程教學內容豐富，但理論學時較少，因此，對教材進行重組，針對不同章節的內容特點，采用不同的教學模式，集“一線串珠”、“MOOC”、“項目式”教學模式于一體，如圖 1 所示，“概述”部分采用了“一線串珠式”教學；“機器人運動學”和“機器人動力學”部分采用“MOOC”教學；“機器人機械本體結構”、“機器人軌跡規劃”、“機器人控制系統”和“機器人編程”4 部分相結合實施“項目式”教學。 從而形成了靈活的、具有自身特色與針對創新能力培養的新型“混合式”教學模式。

2.1 “一線串珠式”教學，抓住“教”與“學”主線

針對不太集中、相對分散的內容，提出“一線串珠式”教學。 首先抓住“線”才能把零散的“珠”“串”起來。 這根“線”可以是教材的編寫思路，也可以是該課程的主要組成元素，也可以是一個實際的應用問題。針對《機器人技術》這門課程，選擇貼近生活的“家務型機器人”、“搬運機器人”和山東大魯餐廳的“機器人服務員”等視頻，在激起學生學習積極性和興趣的同時，從視頻中引出“家務型機器人是如何完成端盤子動作的？”等相關的問題。如圖 2 所示，為了讓機器人端起盤子，由動力系統輸出能量（電能、液壓能、氣壓能等）給執行元件系統（電機、液壓缸、氣壓缸等），由執行元件輸出驅動力， 驅動機器人機械本體 （機身、臂部、手腕和手爪等）動作，運動位姿（運動學）是否到位，由傳感檢測系統檢測，把相應的位姿變化參數反饋給機器人控制系統，并由其輸出相應的控制信息（如軌跡規劃信息等），反饋給執行元件，最終由其輸出合適的驅動力，讓機器人手爪（末端）端起盤子（動力學）。 通過對該問題的分析解答，把機器人“機械本體”、“運動學”、“動力學”、“軌跡規劃”、“控制系統”和“編程”等零散的“珠”都串在“完成端盤子動作”這條線上，從而實現了“一線串珠”，抓住了學習《機器人技術》課程的主線，也讓學生掌握了“夠用”的系統知識。

圖2 “一線串珠”式教學

圖3 “MOOC”式教學

2.2 采用“MOOC”教學，培養創新能力

“機器人運動學”是《機器人技術》課程的重點和難點章節，因為涉及了從各關節坐標系的建立，到坐標系之間的齊次坐標變換，同學們普遍較難在課堂上掌握；“機器人動力學”方程的推導，也是較枯燥、較難的知識點。 這兩部分教學可采用“MOOC”的授課 方 式[3]，如 圖 3 所 示 ，課 前就 上 課 主 題 任 務 （如 機 器人運動學和動力學等）、練習題和問題等布置給同學們，同時提供相應的 MOOC 視頻，讓同學們分組進行MOOC 學習， 及查閱相關文獻， 與教師進行討論預講；課堂上，教師針對教學內容進行重點回顧，同學們進行小組匯報，同時各小組之間進行挑戰提問，最后由教師進行課堂總結。對于此類既難又重要的研究型章節，采用 MOOC 教學模式，既能讓學生主動學習，在激發學生的學習積極性的同時，又能培養其研究創新能力。

2.3 坐實“項目式”教學，提升學生創新能力

許 多 教 師 都 曾 用 過 “ 項 目 式 ” 教 學[4-5]， 但 項 目 的來源是該教學模式得以順利開展的根本所在。本文在實施過程中，從往屆優秀的畢業設計、國家級及省級大學生創新訓練項目、及本校特有的開放實驗室創新項目中遴選合適的項目。這些機器人技術相關的項目都覆蓋了機械、電子、信息和軟件等綜合學科的知識，因此如何在有限的課堂時間內順利地開展項目是“項目式”教學的瓶頸。本文提出先將項目分成機械結構設計、控制電路設計、運行軌跡規劃、動作程序設計和驅動設計等若干個子項目，讓學生分組進行，再把各組完成的子項目進行融合，組成完整的機器人技術項目，引導學生在項目實施過程中多借鑒、多思考、多嘗試，從中培養和提升學生的動手能 力 、思 維 能 力 及 創 新 實 踐 能 力[6]，坐 實 了 “ 項 目 式 ”教學。項目教學法具體實施如圖4所示。

圖4 項目式教學

1.教師介紹項目背景，把項目分成若干子項目，分析得到子任務和總任務，并分配給每組學生，學生根據任務，查閱資料，確定方案，最終完成各自任務；

2.學生在項目實施過程中不斷提出疑問，教師回答學生疑問，講解理論知識，不斷地引導學生思考更深層次的問題，教師在“引導—理論講解—答疑”的過程中，引出相關知識點，并理順各知識點之間的關聯性，便于幫助學生建立起各知識點的關聯，優化方案，完善任務；

3.學生提交、展示設計成果，相互交流，在這過程中，教師就案例分析總結，再次提升理論；

4.引導學生把子項目整合成完整的機器人技術項目，并在往屆的基礎上進一步改進完善，凝練出優秀的完整的機器人項目，作為來年國家級或省級的創新、創業項目的申報，并把其中實用性強的項目，進一步升華成實用新型專利，落實創新。

3 教學效果比較

近 3 年來，針對《機器人技術》課程，實施了“混合式”教學新模式，并對各班的平均出勤率、課堂參與率、抄作業率、參賽人次率、考試作弊率和不及格率等做了相應的統計分析。實踐表明，采用新模式教學后，出勤率、課堂參與率和參賽率大大提高，而抄作業率、考試作弊率和不及格率也相應降低了，總體取得了較好的教學效果，教學模式實施前后的教學效果比較如表1所示。

表1 實施前后教學效果比較表

4 結 語

著眼于培養學生創新能力，以《機器人技術》課程教學改革為例，挖掘教學細節，總結教學經驗，形成了從內容重組，到教學模式實施，到效果分析等一套完整的教學體系。針對不同特點的教學內容，提出把“一線串珠式”、“MOOC”和“項目式”等教學模式，有機融為一體的新型“混合式”教學模式。 實踐表明，該模式不僅有利于教師捋清教學思路，提升自己；而且有利于幫助學生抓住學習主線，兼顧課堂內外，提升理論，實現了創新能力的培養；并吻合了應用型本科院校 “培養具有創新精神和實踐能力的高級應用型人才”的培養宗旨。

[1]李延保.我國大學本科教育教學改革的新趨勢[J]，中國高教研究，2013（7）:19-22.

[2]李 永 安.我 國 大 學 課 堂 教 學 的 改 革 策 略[J].中 國 高 等 教 育 ，2013（5）:33-35.

[3]鐘曉流，宋述強，焦麗珍.信息化環境中 基于翻轉課堂理念的教學設計研究[J].開放教育研究，2013（11）：58-64.

[4]黃 亞 平．項 目 教 學 法 在 “軟件工程”教 學 中 的 理 論 和 實 踐[J]．浙江工業大學學報：社會科學版，2009（6）:226-231．

[5]周蕾．簡述“任務+項目”教學法[J]．考試周刊，2008（30）:167．

[6]曾明星，周清平，王曉 波 ，等 ，軟 件 工程專業 “項 目 化”教 學實 施 體 系 的 構 建 [J]. 實 驗 室 研 究 與 探 索 ，2013，32 （5）: 158-163.

責任編輯：胡德明

The Reform and Practice of"Mixed"Teaching Mode from the Perspective of Innovation Ability Cultivation

Qiu Limei1,2,Wu Long1,2
(1.School of Mechanical&Electrical Engineering,Sanming University,Sanming 365004,China; 2.Engineering Research Center of Modern Mechanical Design and Manufacturing Technology of Colleges and Universities in Fujian,Sanming 365004,China)

To respond to the call for cultivating advanced applied talents with innovative spirit and practical ability in local colleges and universities,and focus on training students'innovative and practical ability,the paper,taking Robot Technology teaching reform as an example,subverts the traditional teaching pattern,and puts forward a"mixed"teaching mode that combines"a string of beads","MOOC"and"project-based"teaching mode.Practice shows that the mode has captured the main line of teaching,realized the combination of theory with practice,and fit in with the teaching of applied undergraduate colleges and universities,created a new,practical and flexible mode of classroom teaching with its own characteristics, and stimulated students'learning ability,practical ability and innovative ability.

a string of beads;MOOC;project-based;"mixed"teaching mode

G642

：A

：1672-447X(2017）03-0108-04

2017-02-22

福建省本科高校教育教學改革研究項目（JZ160325）

邱麗梅（1981-），福建三明人，碩士，三明學院副教授，研究方向為機電一體化和模式識別；

吳龍（1973-），寧夏寧川人，博士，三明學院教授，研究方向為計算機輔助設計和計算機輔助工程等。