實踐教學(xué)在工程類高等遠(yuǎn)程教育中的實施和探索

朱曉蕊

摘要：在工程類課程的教學(xué)中，實踐教學(xué)是其中重要的一個環(huán)節(jié)，但是在遠(yuǎn)程教育的過程中由于條件的限制，實踐環(huán)節(jié)很難有效實現(xiàn)。本文以控制科學(xué)與工程專業(yè)的《機器人學(xué)》為例，設(shè)計了基于網(wǎng)絡(luò)開放平臺的實踐課與理論課有效結(jié)合的教案，具體實施整個教案體系并收集學(xué)生反饋，由任課教師-課上教學(xué)-學(xué)生反饋幾個環(huán)節(jié)組成一個閉環(huán)系統(tǒng)。為此類工程類課程的遠(yuǎn)程教學(xué)提供了行之有效的實踐方法。

關(guān)鍵詞：遠(yuǎn)程教育；工程類課程；網(wǎng)絡(luò)開放平臺；實踐教學(xué)

中圖分類號：G642.0 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）46-0268-02

一、引言

隨著信息和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，20世紀(jì)90年代產(chǎn)生了基于網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育。因此高等遠(yuǎn)程教育在全世界范圍內(nèi)得到了快速的發(fā)展，并逐漸發(fā)展成為高等教育教學(xué)方法的一個趨勢[1]。工程類課程需要大量的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)。目前國內(nèi)外大部分的遠(yuǎn)程教學(xué)仍然局限在機械式的收發(fā)課程資源、習(xí)題的較為初級的階段[2]。本文通過對現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)開放平臺的充分利用，設(shè)計了理論課與實踐課有效結(jié)合的教案，具體實施整個教案體系并收集學(xué)生反饋形成一個閉環(huán)系統(tǒng)，探索出一套新的適用于工程類高等遠(yuǎn)程教育的方案。本文以控制科學(xué)與工程《機器人學(xué)》為例，設(shè)計了基于網(wǎng)絡(luò)開放平臺的實踐課與理論課有效結(jié)合的教案。該課程主要涉及三維坐標(biāo)系下的剛體運動、運動學(xué)正解方法、逆向運動學(xué)、開環(huán)機械臂動力學(xué)、空間機械臂的PID和PD控制等工程問題，是一門典型的需要理論與實踐相結(jié)合的工程類課程，對于其他遠(yuǎn)程教育中包含實踐類環(huán)節(jié)的工程類課程具有推廣意義。

二、以《機器人學(xué)》為例的課程實施方法

1.課程的組織與安排。本文所述遠(yuǎn)程教學(xué)模式的課程設(shè)置主要分為兩個部分：理論教學(xué)部分與實踐教學(xué)部分。不同于傳統(tǒng)的實踐課統(tǒng)一安排于理論課之后的做法，本文所述遠(yuǎn)程教學(xué)模式將實踐教學(xué)環(huán)節(jié)穿插于理論教學(xué)環(huán)節(jié)之間。學(xué)生根據(jù)自己的理解來擬定課程設(shè)計的題目，在明確了課程設(shè)計的內(nèi)容之后便是實踐課和理論課的交替進行，實踐課的周期會稍長于理論課的講授。本教學(xué)模式的實施在3節(jié)理論課之間穿插1節(jié)實踐課。其中實踐課全部在網(wǎng)絡(luò)平臺上完成。隨著理論課程的深入，學(xué)生對于課程設(shè)計內(nèi)容和要求會產(chǎn)生新的理解，在每次實踐課上可以通過本項目設(shè)計的網(wǎng)絡(luò)平臺同其他學(xué)生和老師探討和修改課程設(shè)計的題目和要求。在全部理論課程結(jié)束后大約2周時間，將進行課程設(shè)計的答辯和提交報告，課程設(shè)計的成績將作為本課程的期末考試成績。整個課程的最終成績將由課程設(shè)計成績和平時書面作業(yè)成績共同組成。

2.理論與實踐相結(jié)合的教案。本文所述遠(yuǎn)程教學(xué)模式將實踐課與理論課組成一個完整的體系，將實踐課貫穿于整個課程的教學(xué)中，與理論課交替進行。設(shè)計并實施了理論與實踐相結(jié)合的教案。教案的設(shè)計充分考慮了學(xué)生的理解能力與生產(chǎn)實際需求，為每一節(jié)理論知識設(shè)計了相應(yīng)的實驗環(huán)節(jié)，幫助學(xué)生理解和應(yīng)用相應(yīng)的知識。同時本文所述教學(xué)模式還設(shè)計制作了課程網(wǎng)站。教案中也安排了相應(yīng)的環(huán)節(jié)就學(xué)生在網(wǎng)絡(luò)平臺和網(wǎng)站遇到的實際工程問題進行講解和討論，幫助學(xué)生更好地理解課程的內(nèi)容。通過實施該教案，使得工程類課程遠(yuǎn)程教育達到與面授相當(dāng)甚至更好的教學(xué)效果。

3.基于ROS（Robot Operation System）的網(wǎng)絡(luò)平臺實踐課實現(xiàn)途徑和方法。本文在實踐課方面仍然采用課程設(shè)計的形式來進行，將選擇該門課程的學(xué)生分成若干個小組，每個小組由2-3名成員構(gòu)成，每組學(xué)生根據(jù)對課程基礎(chǔ)理論知識的理解以及自己的實際實踐能力，經(jīng)過小組成員間的協(xié)商最終提出課程設(shè)計的題目和設(shè)計內(nèi)容，課程設(shè)計的創(chuàng)新和創(chuàng)意同樣是評價課程設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)之一。實踐課的網(wǎng)絡(luò)開放平臺擬采用最新的機器人操作系統(tǒng)ROS（Robot Operation System）作為基礎(chǔ)的開放平臺。ROS系統(tǒng)最早源于2007年斯坦福大學(xué)人工智能實驗室與美國機器人技術(shù)公司W(wǎng)illow Garage的個人機器人項目之間的合作[3]。2010年Willow Garage公司正式發(fā)布了開源的機器人操作系統(tǒng)ROS。該操作系統(tǒng)集成有很多開源的模塊，包括里程計包、導(dǎo)航功能包等機器人應(yīng)用中最常見的程序庫，并且包括多種機器人平臺的可視化程序庫，同時包含詳實的物理仿真模擬平臺。學(xué)生可以利用這些程序庫和軟件包，結(jié)合所學(xué)的理論知識，在線完成課程設(shè)計的內(nèi)容，比如機器人的定位與制圖、基于視覺的機器人抓取操作等。學(xué)生所編寫的算法可以直接用在ROS里面的常用機器人平臺上。ROS的應(yīng)用非常廣泛，而且它屬于一款開源軟件，任何個人或機構(gòu)都可以免費下載和使用，其實用性和高效性使得現(xiàn)今所有主流的機器人公司發(fā)布的產(chǎn)品都以ROS為操作系統(tǒng)。

4.基于課程網(wǎng)站和ROS社區(qū)的“學(xué)生-學(xué)生-老師”多方交互系統(tǒng)。學(xué)生可以將實踐課以及自己的成果上傳至本課程網(wǎng)站，教師可以登錄網(wǎng)站查閱學(xué)生的實踐環(huán)節(jié)完成情況，其他學(xué)生也可以通過本課程網(wǎng)站詳細(xì)了解其他同學(xué)的工作。本項目制作了課程網(wǎng)站，網(wǎng)站上包含教師授課的視頻，相關(guān)參考資料的下載鏈接；最重要的是包含了學(xué)生在實踐環(huán)節(jié)的課程設(shè)計成果，包括課程設(shè)計的主要內(nèi)容，程序源代碼及注釋以及相應(yīng)的視頻。教師和學(xué)生都可以自由地登陸網(wǎng)站查看和學(xué)習(xí)其他同學(xué)的實驗成果；同時也設(shè)置了留言系統(tǒng)，使得學(xué)生之間、學(xué)生和教師之間可以根據(jù)具體的課程設(shè)計題目充分地進行交流。通過這樣的網(wǎng)絡(luò)平臺，實施整個理論和實踐結(jié)合的教案體系并收集學(xué)生反饋形成一個閉環(huán)系統(tǒng)。教師可以根據(jù)學(xué)生的反饋有效地調(diào)整教學(xué)進度和教學(xué)內(nèi)容。學(xué)生之間也可就問題進行交流和討論，無論是在理論課環(huán)節(jié)亦或是實踐課環(huán)節(jié)遇到的問題，都能通過該網(wǎng)絡(luò)平臺得到有效處理和解決，克服了傳統(tǒng)遠(yuǎn)程教育教師和學(xué)生脫節(jié)的問題。學(xué)生還可以將自己的實驗成果上傳至ROS社區(qū)與世界其他地區(qū)的相關(guān)從業(yè)人員進行分享。使得學(xué)生的學(xué)習(xí)工作更加貼合生產(chǎn)實際。同時由于工程類相關(guān)技術(shù)發(fā)展和更新速度較快，通過和世界其他地區(qū)的從業(yè)人員進行交流，能夠使得學(xué)生緊跟工業(yè)界技術(shù)的發(fā)展趨勢。

三、本教學(xué)模式對于工程類課程遠(yuǎn)程教育的推廣意義

本研究的重要突破主要在于以下兩個方面：首先是將實踐課與理論課組成了一個完整的體系，設(shè)計了理論結(jié)合實際的教案。將實踐課貫穿于整個課程的教學(xué)當(dāng)中，與理論課交替進行，使得兩者之間聯(lián)系緊密，任何一方都不脫節(jié)，理論不孤立于實踐，實踐融合了理論，兩者緊密聯(lián)系，相輔相成。第二點是實踐課全部選擇在網(wǎng)絡(luò)上完成，網(wǎng)絡(luò)開放平臺選擇最新的機器人操作系統(tǒng)ROS作為基礎(chǔ)的開發(fā)平臺。采用該網(wǎng)絡(luò)實踐平臺，使得選修遠(yuǎn)程課程的異地學(xué)生也能感受到和本地學(xué)生相同的學(xué)習(xí)體驗。同時設(shè)計了課程的網(wǎng)站提供給學(xué)生，作為學(xué)生與教師之間的交互平臺，使得這個教學(xué)過程構(gòu)成一個閉環(huán)，教師能夠根據(jù)遠(yuǎn)程學(xué)生的反饋調(diào)整教學(xué)進度和內(nèi)容。

本研究所提出的教學(xué)模式以控制科學(xué)與工程《機器人學(xué)》課程為例，具有較強的可推廣性，適用于所有包含大量實踐環(huán)節(jié)的工程類課程的遠(yuǎn)程教學(xué)。

參考文獻：

[1]曾火煥，張龍.現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育的發(fā)展與前景展望[J].教育評論，1999，（6）：85-86.

[2]馬國剛，熊文，張清學(xué).關(guān)于現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育發(fā)展趨向的幾點思考——基于國內(nèi)外遠(yuǎn)程教育典型應(yīng)用案例的研究[J].石油教育，2012，（6）：103-108.

[3]Quigley M，Conley K，Gerkey B P，et al.ROS：an open-source Robot Operating System，2009.