新工科課程教學研究與實踐

在新工科教學體系改革中，課程建設與教學方法研究是實現新工科人才培養的基礎。為此本文就大學工程類專業中教學“人機交互技術”這門學科為例，探討適應新工科培養目標的教學方法。

“人機交互技術”學科具有很強的學科交叉性，是人工智能領域機器人研究方向的研究熱點之一，被列為了支撐信息技術發展的科學基礎之一。理論聯系實踐，培養學生的動手能力和創新能力是高等院校在培養新型工程應用型人才的重要目標。強化項目實踐教學是實現新工科發展目標的重要手段。

一、教學改革目標與措施

“人機交互技術”具有綜合性強、應用性和實踐性強的特點，是培養學生工程素質和創新能力一個重要載體。但目前傳統的教學模式教學內容單一，綜合訓練程度不夠，缺乏對人機接口技術理論知識的充分理解，實踐動手能力較弱，難于符合新工科的培養目標。激發學生學習興趣、強化學生掌握理論知識、解決工程應用及培養學生創新能力成為了新工科課程實踐教學改革中一個亟待解決的問題。

二、教學改革目標與措施

1.教學改革目標。以新工科人才培養中交叉學科課程建設為目標，通過“理論教學與項目實踐”相結合的教學法的研究和探索，從本質上改變傳統教學法中的實驗實踐教學環節，改變只重視理論、內容單一、工程應用背景不強及不能獨立解決問題的薄弱環節。

在采用“理論教學與項目實踐”教學方法中培養學生具有如下幾方面的能力：完成項目解決方案的資料收集、閱讀、整理能力；人機接口課程的理論知識掌握與實踐應用能力；工程實踐問題的提出、解決能力；綜合基礎課程和專業課程知識運用能力；項目實施過程中軟件編程、硬件設計制造、儀器儀表的使用能力；項目實施相關技術文檔撰寫方面的能力；提高學生之間的技術交流和團隊協作能力。

2.項目實踐設計舉例。將項目分成四個階段：第一階段，提出工程實踐問題確立項目；第二階段，確定項目研究的目標及研究方案及研究計劃；第三階段，項目實施過程（包括機械結構設計與制造、軟件編程、實驗調試）及技術文檔撰寫；第四階段，項目終期檢查（包括項目成果總結與回報）。“理論教學與項目實踐”教學法實施過程及學生能力培養如圖1所示。

圖1 “理論教學與項目實踐”相結合教學法實施過程及學生能力培養

3.“理論教學與項目實踐”課程教學案例。基于CDIO （Conceive、Design、Implement、operate，即構思、設計、實現、運行）理念的項目驅動式教學模式。本文強調以項目驅動為主線，以教師基礎理論分塊講述為前提，以解決企業生產實踐問題為項目目標，以教師為引導、學生為主導的理論知識與實踐相結合的創新能力培養模式，提高學生解決企業生產實際問題的能力，同時提高學生團隊協作精神。為此，本文以基于手勢識別的無人機控制為人機交互技術課程教學的實踐項目，更大地激發學生的學習興趣和求知欲，充分發揮學生主動學習的積極性，從而培養學生主動查閱資料、主動學習、分析生產實踐問題、解決問題的能力，培養創新和創業意識，培養科學探索及團隊協作精神。

基于手勢識別的無人機控制項目（案例）如圖2（P76）所示。

該項目讓學生用自己的身體（手勢）去控制無人機是機器人研究領域中人機交互（Human Robot Interaction， HRI）方向的一個基本項目。項目特點：①該項目能夠提升高校自動化類、機械類以及計算機類專業課程理論知識的綜合運用能力，具體體現如無人機結構設計、力學與運動學分析、電機拖動與運動控制技術、電機驅動技術、傳感器技術、微機原理與接口技術、編程語言及應用等；②該項目能培養學生的動手能力，體現在無人機的設計、加工制造方面；③能夠激發學生的興趣、拓展視野，將機器人領域人機交互系統問題的科學研究融入到課程教學中；④項目需要多人協調、彼此合作才能完成，這能夠提高學生的團隊合作精神，還能培養學生具有項目承擔和負責的領導能力。

4.教學效果評估。課程教學效果評估采用問卷調查的方式進行，以華南農業大學2013級公選課“人機交互技術”課程學生100人為樣本（其中每班50人）， A班用“理論教學與項目實踐”相結合的教學法，簡稱“教改班”，B班采取常規理論教學方法，簡稱“常規班”。兩班課堂教學都為32學時，其中A班 用16學時講述理論知識，用16學時討論項目方案及項目成果匯報；B班用28學時講述理論知識，4學時用于學生討論。A班課外課時比B班多兩倍。A班課外學時數為32學時，主要用于項目實踐；B班課外學時數為16學時，主要用來完成老師布置的課后作業。

圖2 項目方案圖

教學效果評估采用理論考試和學生問卷調查的形式，分別為表1和表2。理論考試主要考查學生兩部分能力：一是掌握基礎理論知識的能力，二是知識運用能力。結果表明A班教學效果好，能夠達到新工科教學目標要求。

表1 課程理論知識考試情況分析表

表2 項目問卷調查

從上表可以看出，A班在教學評估設計中取得了很好的成績。

本文以“理論教學與項目實踐”相結合的教學法對我校“人機交互技術”課程的進行教學改革和探索以及教學實驗，實驗證明該法滿足新工科教學目標的要求。但需要指出的是，在項目實踐的設計上需要積累大量的教學經驗才能更好地推動“理論教學與項目實踐”教學法的實施。

參考文獻：

[1]孟祥旭.人機交互基礎教程[M].北京：清華大學出版社，2010.

[2]丁漢.機器人與智能制造技術的發展思考[J].機器人技術與應用，2016，（4）:7-10.