實踐教學在工程類高等遠程教育中的實施和探索

朱曉蕊

摘要：在工程類課程的教學中，實踐教學是其中重要的一個環節，但是在遠程教育的過程中由于條件的限制，實踐環節很難有效實現。本文以控制科學與工程專業的《機器人學》為例，設計了基于網絡開放平臺的實踐課與理論課有效結合的教案，具體實施整個教案體系并收集學生反饋，由任課教師-課上教學-學生反饋幾個環節組成一個閉環系統。為此類工程類課程的遠程教學提供了行之有效的實踐方法。

關鍵詞：遠程教育；工程類課程；網絡開放平臺；實踐教學

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

一、引言

隨著信息和網絡技術的發展和廣泛應用，20世紀90年代產生了基于網絡的現代遠程教育。因此高等遠程教育在全世界范圍內得到了快速的發展，并逐漸發展成為高等教育教學方法的一個趨勢[1]。工程類課程需要大量的實踐教學環節。目前國內外大部分的遠程教學仍然局限在機械式的收發課程資源、習題的較為初級的階段[2]。本文通過對現代網絡開放平臺的充分利用，設計了理論課與實踐課有效結合的教案，具體實施整個教案體系并收集學生反饋形成一個閉環系統，探索出一套新的適用于工程類高等遠程教育的方案。本文以控制科學與工程《機器人學》為例，設計了基于網絡開放平臺的實踐課與理論課有效結合的教案。該課程主要涉及三維坐標系下的剛體運動、運動學正解方法、逆向運動學、開環機械臂動力學、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合的工程類課程，對于其他遠程教育中包含實踐類環節的工程類課程具有推廣意義。

二、以《機器人學》為例的課程實施方法

1.課程的組織與安排。本文所述遠程教學模式的課程設置主要分為兩個部分：理論教學部分與實踐教學部分。不同于傳統的實踐課統一安排于理論課之后的做法，本文所述遠程教學模式將實踐教學環節穿插于理論教學環節之間。學生根據自己的理解來擬定課程設計的題目，在明確了課程設計的內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。本教學模式的實施在3節理論課之間穿插1節實踐課。其中實踐課全部在網絡平臺上完成。隨著理論課程的深入，學生對于課程設計內容和要求會產生新的理解，在每次實踐課上可以通過本項目設計的網絡平臺同其他學生和老師探討和修改課程設計的題目和要求。在全部理論課程結束后大約2周時間，將進行課程設計的答辯和提交報告，課程設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計成績和平時書面作業成績共同組成。

2.理論與實踐相結合的教案。本文所述遠程教學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中，與理論課交替進行。設計并實施了理論與實踐相結合的教案。教案的設計充分考慮了學生的理解能力與生產實際需求，為每一節理論知識設計了相應的實驗環節，幫助學生理解和應用相應的知識。同時本文所述教學模式還設計制作了課程網站。教案中也安排了相應的環節就學生在網絡平臺和網站遇到的實際工程問題進行講解和討論，幫助學生更好地理解課程的內容。通過實施該教案，使得工程類課程遠程教育達到與面授相當甚至更好的教學效果。

3.基于ROS（Robot Operation System）的網絡平臺實踐課實現途徑和方法。本文在實踐課方面仍然采用課程設計的形式來進行，將選擇該門課程的學生分成若干個小組，每個小組由2-3名成員構成，每組學生根據對課程基礎理論知識的理解以及自己的實際實踐能力，經過小組成員間的協商最終提出課程設計的題目和設計內容，課程設計的創新和創意同樣是評價課程設計的標準之一。實踐課的網絡開放平臺擬采用最新的機器人操作系統ROS（Robot Operation System）作為基礎的開放平臺。ROS系統最早源于2007年斯坦福大學人工智能實驗室與美國機器人技術公司Willow Garage的個人機器人項目之間的合作[3]。2010年Willow Garage公司正式發布了開源的機器人操作系統ROS。該操作系統集成有很多開源的模塊，包括里程計包、導航功能包等機器人應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。學生可以利用這些程序庫和軟件包，結合所學的理論知識，在線完成課程設計的內容，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的應用非常廣泛，而且它屬于一款開源軟件，任何個人或機構都可以免費下載和使用，其實用性和高效性使得現今所有主流的機器人公司發布的產品都以ROS為操作系統。

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

三、本教學模式對于工程類課程遠程教育的推廣意義

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，設計了理論結合實際的教案。將實踐課貫穿于整個課程的教學當中，與理論課交替進行，使得兩者之間聯系緊密，任何一方都不脫節，理論不孤立于實踐，實踐融合了理論，兩者緊密聯系，相輔相成。第二點是實踐課全部選擇在網絡上完成，網絡開放平臺選擇最新的機器人操作系統ROS作為基礎的開發平臺。采用該網絡實踐平臺，使得選修遠程課程的異地學生也能感受到和本地學生相同的學習體驗。同時設計了課程的網站提供給學生，作為學生與教師之間的交互平臺，使得這個教學過程構成一個閉環，教師能夠根據遠程學生的反饋調整教學進度和內容。

本研究所提出的教學模式以控制科學與工程《機器人學》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節的工程類課程的遠程教學。

參考文獻：

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

[2]馬國剛，熊文，張清學.關于現代遠程教育發展趨向的幾點思考——基于國內外遠程教育典型應用案例的研究[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.