多維漸進式機器人課程實踐教學體系構建

吳 東，張立敏，張 強，孔藝權，彭增焰，曾紹庚

（嶺南師范學院 信息工程學院,廣東 湛江 524048）

0 引 言

近年來，國內中小學把智能機器人作為中小學學生綜合應用能力培養和素質教育開展的重要載體，機器人教育、機器人比賽及其相關的各類活動開展得如火如荼。這項新興教育事業的迅猛發展給高等師范院校辦學提出了新的挑戰，向中小學輸送能夠完成教學任務并指導學生參加機器人比賽的高質量“應用能力型”教師成為高等師范院校面臨的新問題[1-2]。如何深化機器人課程實踐教學，強化學生的實踐能力、創新能力，提高機器人教育人才質量，成為高等師范院校教學改革的一項重要課題。

實踐教學既是理論結合實際的重要環節，也是訓練學生基本技能和培養學生創新能力的重要途徑[3]。“多維漸進式機器人課程實踐教學體系”是在全面育人理念的指導下，將實驗教學、創客教學、競賽教學和教學評價融于一體，理論與實際相結合，培養高質量的機器人教育人才。這種充分體現“以人為本，注重實踐”的教學方法，一方面，不但能促進機器人課程實踐教學的良好發展，培養符合中小學機器人教育需求的人才，而且對高等師范院校的實踐教學體系改革具有重要意義；另一方面，在當前國家大力鼓勵“雙創”教育的形勢下，打造多維漸進式機器人教學體系，實現創新創業與機器人專業知識的有機融合，可以提升學生創新創業的品質和內涵。

1 機器人課程教學現狀

目前，許多高等師范院校開設了機器人相關課程，目的在于讓即將到中小學工作的“準教師”接受系統的機器人知識教育，讓他們工作后能給中小學機器人教育注入新的動力。為培養能完成中小學機器人教學任務并指導學生參加機器人比賽的高質量教師，各高等師范院校在機器人課程內容設置、教學方法、評價體系等方面展開了探討與實踐。文獻[4]探討了教育技術免費師范生機器人實踐教學培養方式及理念，整合課程、注重競賽，并融入英特爾未來教育核心課程來促進學生的教師技能培養。文獻[5]強調了機器人課程中實踐教學的重要性，要求教師圍繞熱門的比賽項目開展教學，鼓勵學生多動手、多調試，積極申請機器人課題和參加機器人比賽。文獻[6]則從在校師范生的角度分析了機器人實踐教學的現狀，倡議機器人實驗設備應盡可能使用Arduino一類的開源硬件，讓學生能不受限制的按照自己的想法去完成創意作品。文獻[7]還指出師范院校與中小學合作進行機器人實踐教學的可行性，論證了這種合作模式對于促進中小學機器人教育的發展和師范院校學生的能力培養具有重要作用[7]。

縱觀機器人課程教學改革研究與應用現狀可以發現，對于機器人這樣一門應用性極強的課程而言，基于“應用能力”的人才培養共識已然形成，問題只在于如何確保學生“應用能力”的形成和提升。我們立足于機器人課程實踐教學體系的創新，協同相關機器人廠商、機器人比賽組織機構、中小學的“技術、資訊、創意、人力”等要素，更多的為學生開設實驗、創客、競賽相關的多維度漸進式訓練，全面提高高等師范院校機器人課程教學質量，實現學生“應用能力”的沉淀及可持續發展。

2 多維漸進式機器人課程實踐教學體系

多維漸進式機器人課程實踐教學體系包含實驗教學、創客教學、競賽教學和教學評價等4個維度，它們之間的關系及漸進順序如圖1所示。

圖1　多維漸進式機器人課程實踐教學體系

2.1 實驗教學維

實驗教學在整個教學體系中占很大比例，其目的在于通過實驗讓學生掌握機器人的基本知識和操作技能。根據當前機器人技術和機器人比賽的發展趨勢，需要不斷精煉實驗內容，使其與理論知識同步，并分類規劃為基礎性實驗、綜合性實驗和設計性實驗三大類。

1）基礎性實驗。

按照實驗教材的要求，學生自己動手完成實驗任務。學生通過這種方式來驗證所學的理論知識，加深對所學知識的理解，掌握機器人的基本知識、各部件的功能、機器人的控制方式等。基礎性實驗通常只涉及機器人的某一個知識點，比如機器人紅外傳感器的使用。

2）綜合性實驗。

這類實驗涉及機器人的多個知識點，甚至是算法分析等其他課程的知識，例如實現機器人的巡線動作。這類實驗要求學生能靈活運用多個知識來完成指定任務，主要培養學生綜合運用所學知識、實驗方法和實驗技能的能力。

3）設計性實驗。

給定實驗目的、要求和實驗條件，學生自己設計實驗方案并加以實現。學生獨立完成資料查閱，擬定實驗方案、實驗方法和步驟，選擇儀器設備進行實驗，形成實驗報告。例如機器人滅火、機器人踢足球、機器人垃圾分類等都屬于這類實驗。

在整個實驗教學過程中，我們采用了漸進式教學方法，先讓學生從基礎性實驗入手，再逐漸過渡到綜合性、設計性實驗，使學生遵循知識學習規律、技能形成規律，從易到難、由簡到繁，以增強實驗教學的效果。

2.2 創客教學維

創客教學旨在融合機器人教學和創客文化，主要基于學生興趣，倡導創意的生成和實現，鼓勵分享，以此培養學生的創新能力、跨學科解決問題能力和團隊協作能力。基于機器人已被認為是創新教育好載體的現狀，我們將創客教學環節引入到本課程中將能更有針對性地開展學生“雙創”素質的培養。該環節分為3個階段，并按漸進順序進行。

1）頭腦風暴。

學生在指定時間到大學生創新實踐基地，在指導老師的安排下，營造一種自由的氛圍，激發參與者靈感，突破固有思維束縛、最大限度地發揮創造力思維，最大限度地提出、記錄各種機器人創意。

2）創意設計。

經查新確認創意的新穎性后，學生在教師的引導下根據自身多方面能力特點確定實現該創意的方案。

3）創意實現。

根據上一階段制定的可行方案，以項目驅動的方式，結合每位成員的實際情況進行任務分工，學生自主完成創意。

在此過程中，教師應指導學生如何學習、如何動手制作、如何將各學科的知識綜合運用，切實做到讓學生能夠“做中學”。另外，教師還應積極引導學生將該過程產生的作品用來參加機器人競賽或創新設計競賽，特別是那些有較大價值的作品，可進一步做好知識產權保護，并鼓勵、支持學生用其入駐孵化器或自行創業等。

2.3 競賽教學維

在機器人課程實踐過程中引導學生積極參與各類機器人競賽，甚至是帶領協同合作學校的中小學學生參與競賽都將令學生的能力得到全面的提升。本環節分為3個階段，其中觀摩競賽、參與競賽是學生在指導老師的帶領下了解各類競賽的基本信息和特點，掌握競賽要求的技能，準備競賽所需的材料器件，然后報名參賽并全身心投入直至競賽結束，如參加“廣東省機器人大賽”“科沃斯公司機器人比賽”“全國大學生機器人大賽”等。帶隊競賽是讓學生在合作學校指導老師的輔助下選定參賽項目，精心挑選中小學學生作為參賽隊員，制定帶隊參賽計劃、報名參賽直至競賽結束，如參加“廣東省中小學電腦機器人活動”等。這種讓在校大學生帶領中小學學生參加競賽的實踐改革，將讓大學生有機會接觸更多層次的競賽機器人技術，拓寬他們的視野，鍛煉了他們的指導能力。同時，在一定程度上促進地方機器人教育發展，提升地方機器人競技水平。

2.4 教學評價維

“3+1+1”的機器人課程實踐效果評價標準側重考核學生動手操作能力、問題分析解決能力、創新能力、溝通能力、撰寫能力、參賽能力、帶隊能力等綜合素質。

評價標準中的“3”是指在實驗教學過程中，通過平時表現、實驗結果考核、實驗文檔3方面來確定學生成績：平時表現占10%，用于評價學生實驗過程中的學習態度是否端正、參與是否積極、溝通是否流暢；實驗結果考核占40%，用于評價學生能否掌握實驗要求的技能、能否清楚理解實驗問題、能否合理設計實驗方案、能否得到正確的實驗結果等；實驗文檔考核占10%，用于評價學生的文檔撰寫能力，包括條理是否清晰、用詞是否準確、排版是否規范等。

評價標準中的2個“1”指在創客教學和競賽教學過程中給學生的評價，分別占20%。學生創客教學的評價由創新實踐基地的指導老師考核評定，需要綜合考慮學生的努力程度、成果表現、學習態度、團隊協作、學習效果等。在競賽教學中，注重考核學生在參與競賽時發揮的作用，有競賽獲獎的可給予更高的評價。基于納托爾和克里夫特的發展性教育評價理念[8]構建考核“學生發展力”的指標，旨在準確評價學生在創客教學和競賽教學中的表現，給學生反饋其優勢與不足，讓學生明確將來的發展方向。 “學生發展力”評價指標見表1。

表1　“學生發展力”評價指標

3 多維漸進式機器人課程實踐教學體系的保障條件

3.1 完善課程材料

“工欲善其事，必先利其器”。教材、教案、教學計劃等課程材料在人才培養中起著基礎作用。在目前沒有教材適合高等師范院校機器人教育的情況下，我們應認真梳理機器人技術、競賽的基礎知識和前沿信息，分析歸納中小學機器人教育需求，再結合本校學生知識結構規劃本校機器人課程的教學內容。此外，集中優秀的師資力量，以該教學內容為藍本，精心編著、出版相關教材，還制定了實驗教學大綱、實驗教學計劃，編寫了實驗指導書。這些材料為課程實驗教學的正常開展發揮了重要作用。

3.2　建設“創客化”實驗室

早期，機器人實驗室是學生完成實驗任務的主要場所。我們在保證基礎性實驗教學效果的基礎上，以綜合性、設計性實驗為主建設開放式實驗室，取得了初步成效[9]。后來，隨著創客教學的引入，我們開始嘗試基于創客理念的機器人實驗室建設和管理機制[10-11]：①遵從簡樸實用的DIY風格，完成實驗室的布局改造，將其劃分為學習訓練區、競賽競技區、設備存儲區和作品展覽區，更有利于各項活動的高效開展；②完善項目運作模式，在項目立項時嚴格把關、項目實施過程中精心制作、項目結束后積極推廣，不僅提高了學生作品的質量，也提高了競賽獲獎及高層次課題立項的成功率；③堅持實驗室師生共建、共管、共創、共享，促進實驗室的創客化建設，為人才培養的創客化創造條件。

3.3 多方協同培養

為完成實踐教學任務，提高實踐教學質量，我們還采用了多方協同培養機制：①通過校內協同，利用其他學院的先進制造科研創新團隊的師資和工業機器人實驗室的設備，實現實驗教學資源共享，為我們的學生創造更多的學習機會和條件；②開展校企協同，借助上海未來伙伴機器人有限公司、廣州映博智能科技有限公司、中山市大谷電子科技有限公司等企業的機器人產品和技術力量，為學生舉辦技術講座，如“機器人足球比賽”“表情機器人制作”“機器人的智能”等，讓學生增強機器人編程能力、了解機器人領域的前沿技術，擴大知識面；③校校協同，依托跟嶺南師范學院附屬中學、湛江市一中培才學校、湛江市實驗中學建立的教育實踐基地，為學生聘請經驗豐富的校外指導老師，給學生提供教育實踐和帶隊競賽的機會，實現高校教育跟中學教育的互助與進步，校校協同是我們進行多維漸進式機器人課程實踐教學的重要支撐。

3.4 制定規章條例

多維漸進式機器人課程實踐教學活動的順利開展，需要科學合理的規章條例來規范實驗室管理、學生實踐活動及老師的指導工作。目前，我們主要制定了《競賽機器人實驗室開放管理辦法》《競賽機器人實驗室安全規范細則》《機器人課程教師工作條例》《機器人教育實踐學生守則》《學生外出參賽安全條例》《實踐基地指導老師聘任制度》《實踐基地指導老師工作條例》等。

4 多維漸進式機器人課程實踐教學體系應用成效

自2013年起，我們以學生能力發展需求與專業既有基礎為根據，協同相關機器人廠商、機器人比賽組織機構，從改革機器人課程實踐教學內容、形式、方法出發，將培養學生創新能力、競賽能力、指導能力等作為重點，初步構建了多維漸進式機器人實踐教學體系，并將其應用于計算機和教育技術專業學生的機器人實踐教學中，取得了相較以前更好的教學效果：①學生整體學習興趣提高，學習氛圍濃厚，教學質量提升；②學生樂于創新、敢于創新、積極創新，他們的作品在各類機器人比賽和項目申請中有諸多收獲：中國大學生計算機設計大賽二等獎1項、廣東省機器人大賽一等獎1項和二等獎3項、科沃斯機器人創想秀大賽入圍獎、廣東省大學生創新創業項目立項2項、廣東省大學生科技創新培育項目（“攀登計劃”）立項3項等，還發表學術論文2篇、取得軟件著作權3項；③學生在教育實踐基地積極帶隊參賽，態度認真、指導到位，幫助教育實踐基地在“智能垃圾分類”比賽中獲得優勝獎。

5 結 語

多維漸進式機器人課程實踐教學體系，從實驗教學、創客教學和競賽教學3方面由易到難漸進的鍛煉學生，并使用新的標準來評價學生學習效果，其應用取得了一定成績。不過，我們仍需從理論和實踐兩方面開展更多的工作來對其做進一步完善，特別是在創客教學過程中，要加強大學生“雙創”素質培養，達到大學生創新創業教育的目的。

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