PBL教學方法在機器人教學中的應用研究*

戰 強，曹秀潔

（北京航空航天大學 機械工程及自動化學院，北京 100191）

當前世界范圍內新一輪科技革命和產業變革加速進行，突破核心關鍵技術，構筑先發優勢，迫切需要培養大批新興工程科技人才。2017 年2 月以來，教育部相繼發布了《關于開展新工科研究與實踐的通知》、《關于推進新工科研究與實踐項目的通知》，先后形成“復旦共識”、“天大行動”和“北京指南”，構成了新工科建設的“三部曲”。[1]“新工科”建設需統籌考慮“新的工科專業、工科的新要求”。復旦共識中提出“我國要加快建設和發展新工科，一方面主動設置和發展一批新興工科專業，另一方面推動現有工科專業的改革創新”。[2]根據教育部2019 年3 月公布的新增本科專業名單，增加部分高校開設機器人工程專業，國內將有101 所高校開設該專業。機器人技術涵蓋多個學科，涉及控制科學工程、計算機科學技術、機械工程、生物醫學工程、材料科學工程等學科，[3]是新工科建設最具代表性的前沿交叉學科。[4]“新工科”提出要培養“科學基礎厚、工程能力強、綜合素質高的人才”。在現行的課程體系下，機器人領域的人才培養面臨傳統工科教育的問題，如課程知識陳舊，專業結構老化；課程模式單一，授課形式僵化。[5]如何改變現行教學方式、探討合適的教學方法，對機器人領域“新工科”人才培養有重要意義。

在研究生教學階段，課程教學內容設計應考慮工科培養的特點，重點培養學生的工程能力，強化學科交叉意識，對創新能力和實踐能力應予以足夠重視，而非僅停留在對學分的簡單堆積上。在研究生培養課程中，機器人領域的課程涉及范圍廣，理論知識要求高，實踐性強，諸如《機器人學》、《現代機電控制》課程均具有這些顯著特點。結合研究生課程設置特點，選擇一種或多種教學方法，提高學生的創新實踐能力，符合“新工科”人才培養的要求。

傳統“填鴨式”教學方法更加關注理論知識講授，考核方式單一，教師作為授課主體，學生與教師互動機會少。在機器人教學領域，美國卡內基梅隆大學提出STEM（Science、Technology、Engineering、Math）教學方法，課程設置包含范圍非常廣闊，并在其學校網站上提供了大量的開源課程，學生可自行下載或者觀看感興趣的網絡課程。分析多門課程內容可以發現，課程中包含大量的實踐項目環節，學生需要在課堂知識的基礎上，結合項目要求完成相應的設計。項目設計作為課程內容設計的重要環節已引起國內教學人員的重視。在國內文獻研究中，PBL（Project-Based Learning）教學方法在STEM 課程中的應用受到關注。[6]PBL 教學方法在醫學院、商學院、教育學院以及工程教育學科得到了廣泛應用，[7-9]研究表明，PBL 教學方法在培養學生的評判性思維、矛盾解決能力、交流溝通能力、創新動手能力方面明顯優于傳統教學方法。[8]將PBL 教學方法應用在機器人領域人才培養，可提高學生的工程實踐能力，培養學生的創新意識。

一、PBL 教學特點分析

PBL 教學方法通常具有5 個教學特點——問題驅動、情境咨詢、模型搭建、相互合作、技術工具輔助。[10]在PBL 教學方法中，問題驅動思想貫穿整個項目設計。合理的驅動問題，給學生提供探究問題的目標、科學實踐的內容，讓學生在問題框定的范圍進行研究。通常情況設置的驅動問題有多種答案，給予學生探索發揮空間，問題設置的初衷為拋磚引玉，而非追求單一的答案形式。當學生尋求問題的解決方法時，可以加深對概念等理論知識的理解，靈活運用所學知識。情境咨詢即根據課程內容設計學生易于理解或操作的教學場景，學生可以在場景中完成項目實踐活動。相互合作通常貫穿于整個項目運行中，整個教室的成員包括教師和學生成為學習的整體，學生可以與同學或者教師一起研究問題、討論數據、展示研究成果。技術工具幫助將教室轉化為特定的知識學習場景，既可以用作科學實踐工具，也可以動態地展示學習成果，給學生和教師提供了從課堂走向課外的機會。模型創建讓學生自己創建知識框架，在模型創建過程中，學生可以根據驅動問題的限定和提示，創建物理或者計算機模型、報告、圖紙、游戲等不同形式的模型。模型可以高效地展示學生對設定的驅動問題的回答情況和對知識的理解程度，鼓勵學生學習與目標問題相關的知識，給學生創作提供靈活性和創新空間。

PBL 教學方法注重引導學生將所學知識應用于實踐中，項目設計需結合課程內容自始至終，分階段、分內容進行，注重啟發式教學。PBL 教學方法強調學生作為學習主體的作用，鼓勵學生在教師的指導下主動完成相關的課程項目。從PBL 教學特點可以看出，PBL 模式促進教學理念由講授變為探究，師生成為“知識建構的共同體”；教學主體由教師變為學生，強調學生的自主性和能動性；[10]教學方式由課堂走向課下，鼓勵學生通過相互合作完成項目實踐，激發學生的學習和創新興趣。

二、基于PBL 的課程教學環節設計

顧佩華院士指出新工科教育人才培養需使學生同時具備創造性思維、批判性思維、系統性思維、創新和設計等思維方式。[9]PBL 教學方法在培養學生的創新創造、動手實踐、團隊協作等方面具有獨特優勢。在機器人技術課程教學體系的設計中，結合PBL 的一項或幾項教學特點設計不同的教學環節，給予學生自由發揮空間，對于培養創新人才、提高學生實踐動手能力有顯著效果。問題驅動是PBL 教學方法的基石，可借助問題設定具體的項目內容或者實踐場景。項目實踐是該教學方法的最大特色，教學方法的體系設計需結合具體的課程特點，設立合適的實踐項目，給學生提供實踐的條件和創新的空間。團隊協作能力是完成復雜工作的必要技能，因此在設計具體的教學環節時，兼顧不同學生的專業背景和特長，選用小組形式進行教學實踐和匯報展示。在匯報展示環節，關注學生的PPT 制作水平和語言表達情況，給學生提供一個匯報展示的平臺。

課程教學環節的設計需要考慮課程的實踐要求和課程交叉特點，鼓勵學生創新，更加注重學生作為學習主體的作用，教師更多的是作為教學過程的合作者和引導者。項目設計需要根據課程內容、教學進度設置。在“新工科”培養要求下，項目設置可從以下幾方面考慮：課堂內容設計需關注產業應用，參照現在行業內的主流應用案例；[1]實驗教學環節設計需考慮理論知識應用和動手能力鍛煉；[12]加強課堂互動，檢查學生的學習效果，提高學生的學習興趣。因此在具體的課程環節設計上，應注重行業典型案例和前沿知識介紹，避免案例陳舊、脫離當下機器人發展趨勢；需結合當前高校條件開設相應的實驗課程，同時可探討校企聯合培養，讓學生深入企業參觀學習，鍛煉動手實踐能力；在開發項目設計上，可參考國外高校項目設計內容，結合高校具體的培養方向設計適合自己高校的項目。在機器人領域，除傳統的工業機器人，還有特種機器人、軟體機器人、生活機器人等迎來新的發展機遇，可引導學生研究相關的技術，拓寬學生的視野。此外在教育部發布的有關“人工智能+”通知文件中，機器人領域作為人工智能應用的重要領域之一，引導學生關注人工智能在機器人領域的應用，智能伺服控制、計算機視覺、自然語言理解等人工智能學科與機器人的交叉設計，鼓勵學生學習相關技能，提供項目開發設計平臺。

正如“新工科”建設達成復旦共識中所說“新工科建設需要加強研究和實踐，圍繞人才培養的新模式、教育教學的新質量等內容開展研究和實踐”。將PBL 教學方法嘗試應用在《機器人學》課程教學中，引導學生在有限的課時中學好理論基礎知識，加強學生動手實踐能力，培養學生的創新意識。對于學生而言，需完成資料檢索、理論分析、項目設計、匯報展示等工作。

三、PBL 教學方法應用

《機器人學》是機器人領域人才培養的一門重要的專業基礎課。在《機器人學》課程PBL 教學方法環節設置上，重點有三階段的工作。第一階段是問題驅動下的課堂展示，問題驅動貫穿整個PBL 教學體系的設計，設置教學問題可以讓學生在問題指定的框架下尋找答案，專注于特定的教學環節。因本課程面向研究生開設，在研究生階段的培養目標是科研型人才，更加注重對科研領域的發展趨勢和新技術的把握。然而傳統教學模式中主要對機器人的結構設計、運動學、動力學、控制方法等內容進行講述，新理論和新方法包含較少，目前的《機器人學》教學在機器人技術的前沿領域關注較少，課堂知識仍然沿用傳統的教材框架。因此結合PBL 的問題驅動以及學生為主體的學習特點，設置學生關于“機器人結構及原理分析”的課堂展示，鼓勵學生自行分組調查在仿生制造、工業生產、人工智能、生活服務等領域涌現的新型機器人及其應用的新技術，歸納感興趣領域的技術發展趨勢以及當前技術的原理；同時鑒于后續課程需要，學生需將以前學習的《機械原理》課程的相關知識應用到機器人結構分析上，為后續課程打好基礎。

在第二階段的教學過程中，利用學校提供的實驗室條件，進行操作實驗與理論知識分析。借助于學校現有的實驗設備搭建實驗場景，讓學生在實驗過程中應用所學知識進行分析，可以促進理論知識與實踐應用相結合。學校為本課程提供工業六軸串聯機器人兩套，機器人末端含有相應的夾持器，展示了工業機器人的搬運、組裝功能；同時提供含有ABB 并聯機器人自動上料、分揀的小型生產線演示設備一套，該設備包含物料運輸區、帶攝像頭的機器人自動分揀系統和物料轉移存儲區。在教學中，根據學校提供的設備及場地情況，安排學生進行實驗。實驗內容設計結合PBL 的教學思路，要求學生首先學習操作串聯機器人及并聯機器人，在操作完成后，需結合課程的基礎知識，繪制出串聯機器人和并聯機器人的結構簡圖。該部分課程重點訓練學生將理論與實際結合的能力，同時對工業機器人常見的兩種結構形式——串聯和并聯有具體的認識，了解工業機器人常見的工作模式。

在課程的第三階段，依靠PBL 教學方法模型搭建的啟發，通過課程提供的條件完成與課程相關的項目并進行匯報展示，在項目設計中給學生足夠的自由發揮空間，體現學生的創新想法。課程提供了智能小車機器人教學組件，學生分組完成項目設計。智能小車組件具有紅外、超聲等傳感器，設計者可實現小車跟蹤、避障等功能，學生可自行設計應用場景，使用Arduino 編程組件進行編程設計，完成特定功能并進行現場展示。在教學中發現，部分學生設計的場景具有新意，可流暢完成相關的功能，展現了很強的創新能力。

四、問卷調查分析

選擇北京航空航天大學2017 級研究生選修《機器人學》課程的50 名學生為研究對象，實施一個學期的教學方法改革實踐，鑒于選課班級只有一個，不再設置對照組。在課程結束后，對全體課程學生發放調查問卷進行教學效果評估。[11]

依據文獻資料，PBL 教學方法在學習能力鍛煉、知識獲取與理解、問題發現與創新三方面相較傳統的教學方法有明顯優勢。因此，調查問卷設計時突出PBL 在上述三方面對學生的提升情況，利用統計學知識分析PBL教學法在本課程中的應用效果。本次調查問卷發放50份，回收50 份，回收率100%，問卷有效率100%。問卷設有學習能力鍛煉、知識獲取與理解、問題發現與創新三個一級指標。本研究利用SPSS 25.0 軟件對問卷進行了信度檢驗，經測定，問卷Cronbach 的α 值=0.752，信度值大于0.7，說明本次調查問卷結果信度較高，可反映調查者的態度傾向。為驗證PBL 教學方法在三個指標方面的效果，對問卷進行因子分析。首先對問卷進行KMO 值檢驗，KMO=0.747，大于0.6 的參數臨界值，同時進行Bartlett 球形檢驗，顯著性結果為0.000，表明可進行因素分析。本文根據相關矩陣參數值排除問卷調查問題2、問題15 以及問題16，對剩余問題進行主成分分析。選用Kaiser 的特征值大于1 的方法判斷保留主成分數量。為使結果清晰，量表分析時選用了最大方差法對轉軸進行旋轉。經量表顯示，主成分為3 時，累計解釋百分比為59.959%，近似為60%，對于社科統計類分析，可認為該主成分選取充分解釋了問卷變量與結果的關系。

根據對調查問卷成分矩陣的分析，結合具體的題目設計，可分別判斷成分一為知識獲取與理解，成分二為問題發現與創新，成分三為學習能力鍛煉。由統計量表結果可知，PBL 教學方法在本課程應用過程中，對學生的知識獲取與理解、問題發現與創新、學習能力鍛煉方面均有較好的結果。

此外，調查問卷設計了對課程考核形式的調查，選項A 為傳統閉卷筆試形式，最終成績由“卷面分數+平時分”構成；選項B 為項目報告、答辯形式，最終成績由“報告質量+成果展示+個人答辯表現”構成；選項C 為其他。75.9%的學生選擇了B。通過對考核方式的調查，可以得出，超過70%的學生認可PBL 教學方法在課程中的考核方式。

在課程考核結束后，筆者對學生進行訪談，訪談主要涉及學生對PBL 教學方法的優點和缺點的認識。優點方面：學生認可該教學模式可以讓學生有更靈活的發揮空間，在解決實際問題時運用課堂所學知識，提高了學習的主動性和趣味性。缺點方面：部分學生指出在項目設計與完成時跟不上小組其他成員進度，參與程度不高，學習的壓力較大。

五、結語

機器人領域的課程教學具有明顯的學科交叉特性和實踐要求，選用PBL 教學方法可以很好地滿足課程特點和人才培養要求，教師可以根據課程內容靈活地設置教學環節。結合“新工科”培養要求，根據PBL 教學方法的特點，本研究給出基于PBL 教學方法的教學環節設置建議。本文以《機器人學》課程為應用案例進行了實踐探索，設計了該課程具體的教學環節，課程結束后向全體選課學生發放調查問卷并進行訪談。從調查問卷結果可以看出，PBL 教學方法以及其考核方式得到了70%以上學生的認可，PBL 教學方法在知識獲取與理解、問題發現與創新以及學習能力鍛煉等方面對學生有明顯的促進作用。基于學生訪談反饋，在后續教學中，在設置PBL教學環節時會考慮不同學生的基礎情況以及專業背景，讓每個學生都可以發揮各自的專業特長，更好地參與到項目中，更好地進行課程學習。

PBL 教學方法在機器人教學領域的探究為培養創新工科人才提供了具體的方法，在實踐應用過程中應結合具體課程內容靈活設計，不斷進行實踐探索。