“新工科”背景下以創新人才為培養導向的實驗教學改革及實踐

蔡軍 郭鵬

摘 ?要：針對“新工科”對工程實踐能力培養的需求和控制類專業實驗課程的教學實際，從培育新工科人才要求出發，分別在教學方法、教學內容、考核方法等多方面對《機器人應用技術實驗》課程進行了改革。該文把《機器人應用技術實驗》整個實驗教學過程創新性的構架成了“三個考核環節，五個難度級別”的實驗教學結構，教學過程中增加實驗教學內容與學生競賽內容相結合、實驗過程與團隊合作相結合、實驗結果與團隊答辯能力相結合等多種改革措施。通過實施實驗教學改革，實驗課程教學環節的教學質量得到了明顯改善;明顯增強了學生參加各類競賽的能力，學生的控制類專業常識也得到了明顯提高。這一教學環節提高了本專業學生的就業質量，實驗課程教學改革收到了良好的效果。

關鍵詞：教學方法;教學質量;團隊合作;就業質量

中圖分類號：G961 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2019）11-0052-04

Abstract： In order to meet the needs of the requirement of engineering practice ability training of emerging engineering education and the teaching practice of the control professional experiment course， we start from the requirements of cultivating new engineering talents， the "Robot Application Technology Experiment" course was reformed in various aspects such as teaching methods， teaching contents， and assessment methods. In this paper， the whole experimental teaching process of "Robot Application Technology Experiment" is structured into an experimental teaching structure of "three assessment stages， five difficulty levels"， In the teaching process， the experimental teaching content is combined with the student competition content， the experimental process is combined with the teamwork， and the experimental results are combined with the team's speaking ability. Through the implementation of teaching reform， quality of the experimental course teaching has been significantly improved， the ability of students to participate in various competitions is significantly enhanced， the control professional instrumentation knowledge of the students is significantly enhanced， the quality of employment is improved， which prove that the teaching reform has received better results.

Keywords： teaching methods; teaching quality; teamwork; employment quality

一、概述

隨著新一輪科技革命與產業變革，教育部在2017年2月提出了新工科建設理念，并發布了《關于開展新工科研究與實踐的通知》和《關于推進新工科研究與實踐項目的通知》，為中國的理工科教育指出了新的方向和目標。工程教育與產業發展緊密聯系，從新工科人才的培養要求和目標來看，在理工科教學中實驗教學將會起到比以前更為重要的作用，在新工科人才培養過程中將成最為重要的一個教學環節[1，2]。然而普通高校現行的工科實驗教學在方式，方法和內容上基本都達不到新工科提出的人才培養要求和目標[3]。特別是在提升學生工程科技創新、創造能力;樹立綜合化工程教育理念方面現有的實驗教學體系和方式還有很大的欠缺。為了更好地配合重慶市市級教改項目“新工科建設背景下控制類專業實驗教學模式的研究與實踐”實踐教學改革的需求，以及提高學生在工程科技上的創造、創新能力和科技思維，工程思維能力，結合重慶郵電大學人力、物力、財力等實際情況，經過兩年的教學研究探索，就現行的機器人實驗教學課程進行了改革和實踐。

二、當前實驗教學現狀和“新工程”人才培養目標的矛盾

現行普通高校的實驗教學課程普遍多數還是采用隨課實驗和驗證實驗的開課方式，這種依附理論教學課程的實驗開課方式對學生在理論知識驗證和理解上有較大優勢，但在學生工程思維、系統總體設計和創新能力培養上存在較大缺陷，與新工科人才培養提出的“創意-創新-創業”人才教育培養目標體系存有很大的矛盾[4，5，6]。

（一）固化的實驗教學方式

國內高校的實驗教學方式比較固化，一般是采用理論教學的方式來進行實驗課程的教學[7，8]。比如，以機器人應用技術實驗為例，基本的實驗教學流程是教師先進行實驗原理和實驗設備的講解，然后按照實驗指導書的要求進行實驗任務的布置。學生則是參照實驗指導書的操作步驟進行實驗操作，得出實驗結果。在這一過程中學生基本上是一種被動學習，被動做實驗的狀態，學生只要按照實驗指導書的操作步驟進行操作，就算對實驗原理或理論知識不了解、不清楚，也有可能得到正確的實驗結果[9]。這種實驗教學過程明顯對學生自主性，創造性能力的培養是沒有任何作用的，甚至會促使學生在實驗過程中產生懶惰，不求甚解，得過且過的實驗習慣，很明顯這種習慣養成會對學生以后的學習及科研生涯產生巨大的危害。因此，要構建一種新的實驗教學模式，其模式不但要有激發學生實驗興趣，促使學生主動參與實驗教學，主動自我學習，主動自我提高的作用，而且對學生的團隊協作能力，個人成果總結及展示能力，文案書寫及答辯能力等方面都會起到促進提高作用。

（二）陳舊的實驗教學內容

在2017年4月8日“天大行動的新工科建設行動路線”中提出“問技術發展改教學內容” 要求將產業和技術的最新發展、行業對人才培養的最新要求引入教學過程，更新教學內容和課程體系[10]。但是，現階段高校的實驗課程教學內容還是保留有大量的驗證性或內容簡單的隨課性實驗，實驗內容體現出龐雜，陳舊，孤立的特點。各課程實驗內容獨立為陣，互不聯系，不具備綜合性和統一性。實驗內容與產業要求和技術的最新發展聯系性不強，不但沒能回答新工科提出的“問技術發展改教學內容”的問題，反而還嚴重阻礙了新技術和專業領域新知識融入實驗教學內容。同樣行業對人才培養的最新要求也無法引入教學過程。

（三）單一的考核方法

現階段國內高校的實驗教學中學生成績的考核基本上是由三部分組成的，分別是由考勤成績、操作成績和報告成績按照百分比構成實驗課程最終成績。成績的評定基本都是由指導教師根據學生上課表現和報告內容進行評定，學生最終成績帶有較大的教師個人主觀性。對老師來說，當學生較多時成績評定工作量巨大，而且在操作過程考核中，老師也無法做到面面俱到，并不是所有學生都能得到恰當合適的評定成績。對學生來說，考核方法單一，考核思路不以促使學生興趣為中心，學生只是被動的完成實驗任務參與考核，這種考核方法容易讓學生產生得過且過的思想，而且最終成績不能體現學生在主動性，創造性和團隊協作性等方面的能力。舊的考核方式對學生口頭報告，自我表達，宣講文案制作等對外交流和展示能力也沒有起到訓練和提高的作用。

三、專業實驗課程改革的目的和意義

專業實驗課程改革的目的和意義在于：1. 深化實驗內容改革，把控制類專業實驗教學內容與專業領域的技術發展相結合，設計較前沿并切合實際應用的實驗教學內容以適應新工科建設的要求;2. 深化教學方法改革，使控制類專業實驗教學方法能進一步貼近學生志趣，滿足學生需要，促使學生參與實驗教學的每個環節，教學方法要體現一切為學生的思想，形成以學習者為中心的工程教育模式;3. 以這項實驗教學的改革為契機，加大實驗教學在新工科建設背景下的探索和實踐，促進控制類教學實驗體系，實驗教學方法和實驗教學內容等多方面改革，全面提高我院培養多樣化、創新型卓越工程科技人才的能力，更好的實現高校新工科的培養目標。

四、專業實驗教學內容與方法的設計與實施

結合“新工科”，“天大行動”的“問產業需求建專業，構建工科專業新結構”;“問技術發展改內容，更新工程人才知識體系”和“問學生志趣變方法，創新工程教育方式與手段”等幾個方面的要求，對我院的“機器人應用技術”專業實驗課程內容和課程教學方式進行了改革[10]。以期為“新工科”背景下的學生培養探索和研究出新的方法和思路。

（一）“機器人應用技術”專業實驗的改革

以往的實驗教學一般是采用老師實驗前講解實驗原理和實驗方法，然后學生進行實驗操作，這種方法無法調動學生學習積極性和實驗自主性。我院的“機器人實用技術”實驗課程在這一方面顯得特別突出，在教學模式上不但無法調動學生實驗積極性，而且隨著新技術的發展，原有包含的實驗內容和訓練項目也不能滿足企業對機器人應用人才的需求[11，12]。針對我院24學時的“機器人應用技術”專業實驗，把教學內容更新為“捕捉機器人系統設計與實現”。為了培養學生對控制領域前沿技術和知識的了解學習，實驗課程內容融入了機器人結構設計，機器人路徑搜尋規劃，機器人視覺圖像處理等較為前沿的技術內容和知識。整個實驗教學被構架成三個考核環節和五個難度級別的教學結構。三個教學環節分別是“實驗方案評估答辯環節”、“實驗操作和指導環節”、“最終成果答辯演示環節”三個組成部分。其中“實驗方案評估答辯環節”和“最終成果答辯演示環節”的評判與分值由全體學生和教師通過填寫考核表的方式參與完成。五個難度級別從低到高是：1. 器件選擇和硬件平臺搭建;2. 完成機器人自動避障功能;3. 完成機器人自動搜尋功能;4. 完成顏色判斷功能;5. 完成機器人對特定色彩移動物體追蹤及撲捉功能。

“實驗方案評估答辯環節”是安排實驗課程開設前兩周，要求上課學生3人一組自行組隊，實驗任務和相關資料下發到每個小組成員，要求每小組在兩周內進行學習和網上資料查閱，完成實驗方案的設計報告和講解PPT。實驗開課時，首先安排2學時的實驗方案評估教學環節，每組成員按照自己設計實驗方案進行10分鐘內的PPT講解和答辯，其他各組成員和老師對講解小組報告以及PPT內容進行提問和參照實驗方案評分表（見表1）內容對答辯小組進行預答辯評分。這一過程通過學生自我完成預備實驗方案提高了學生收集資料和自我學習能力，團隊方式的設置加強了學生與隊員之間的合作協作能力，實驗方案PPT的制作與答辯過程提高了學生的宣講文案制作能力和自我展示能力。

“實驗操作及指導環節”將“機器人應用技術”專業實驗結合新工科的“問技術發展改教學內容”和“行業對人才培養的最新要求引入教學過程”的理念，把實驗內容分成了五個部分，占用20學時，它們分別是：1.器件選擇和硬件平臺搭建，內容結合了機器人設計領域的機器人結構設計相關領域知識點。2.機器人自動避障功能，內容結合了機器人對位置或周邊環境判斷的相關技術和知識點。3.機器人自動搜尋功能，內容結合了機器人路徑規劃等技術和知識點。4.顏色和形狀判斷功能;內容融合了機器人視覺圖像處理的相關技術和知識點。5.完成機器人對特定色彩或形狀移動物體追蹤及撲捉功能，內容融合機器人根據捕捉對象特點而進行的捕捉機構和結構設計等技術及知識點。整體實驗操作過程被構建成了一個難度從低到高的任務塔結構（見圖1）。學生實驗完成進度會在任務塔上進行標注，實驗教學過程轉變成學生組隊攀塔過程，這種實驗教學模式加大了學生實驗積極性，增強學生團隊間的競爭意識和團隊內的合作意識。

“實驗成果演示答辯環節”是“機器人應用技術”實驗教學的最終環節，占用2學時，其主要內容是每組學生對實驗成果進行整理總結并完成PPT的講解和實物演示。全班學生和指導教師按照“實驗成果演示答辯環節”考核表（見表2）指標，對答辯小組的PPT講解和實物演示效果進行提問和評分。考核表中的第二條考核指標“概念和觀點”明確提出了要進行小組的最終實現方案和最初設計方案的對比，這一要求可以促使學生在實驗完成后，能對整個機器人系統設計過程進行反思和總結，提高了學生以后工作過程中的系統設計能力和經驗。第三條考核指標“系統設計要點”把機器人設計的具體要求進行了拆分并分別設立了考核要求，比如硬件是否有多方案比較，機器人工作環境是否考慮了多種環境情況，是否有多種搜尋算法或策略等等，這些考核目標促使學生為了滿足多樣目標而進行與其它小組不同的創新性設計和探索，避免了實驗做完所有實驗小組完成的作品具有一樣性和重復性，固化了學生創新思維。

（二）“機器人應用技術”專業實驗考核及實驗評定方法

“機器人應用技術”專業實驗秉承“落實以學生為中心的理念，增強師生互動，改革教學方法和考核方式”改革思路，實驗最終成績主要有“實驗方案設計及PPT報告成績”、“實驗過程考核成績”、“實驗成果實物演示及答辯成績”、“實驗報告成績”四部分按照加權系數組合而成。最終成績=實驗方案設計及PPT報告成績×30%+實驗過程考核成績×30%+實驗成果實物演示及答辯成績×30%+實驗報告成績×10%。成績中的60%是通過組織學生對實驗環節1和3采用自我評分和相互評分的考核方法來進行評定;成績30%取決于圖1中學生完成的攀峰記錄來進行客觀評定;成績剩余的10%是由教師通過各小組提交的最終報告情況進行評定。這種考核方式一定程度上把學生從被考核者轉變成了考核者，學生可以通過在考核其他小組成果過程中，進行學習和提高自己。這種考核方法能進一步提高學生實驗的積極性和實驗過程中的競爭性，從而把學生帶入一個主動學習，主動完善，主動優化的實驗教學氛圍。

五、實施實驗改革取得的效果

“機器人應用技術”實驗課程已經在自動化學院15級學生進行開展，取得了良好的教學效果。在整個實驗教學環節中，學生的實驗教學參與度得到了很大的提高，在培養學生自我學習，自我解決問題以及團隊合作等多方面新工科提倡的學生能力上取得了良好的教學效果。通過課程教學，學生不但在機器人應用理論和實踐上得到了良好的提高，而且還充分調動了學生參加國際，國內各類重點科技創新競賽的積極性，并取得了特等獎，一等獎，二等獎多項。例如在2018年取得了中國工程機器人大賽一等獎2項，二等獎3項，飛思卡爾智能小車競賽國家二等獎4項，三等獎2項等優秀成績。

六、結束語

“機器人應用技術”實驗課程是一門較為前沿性的課程，課程內容和要求難度較大。在課程教學過程中如何把學生吸引到課堂，讓學生能主動參與教學和積極拓展創新思維是這門課程開設過程中重點關注的地方。為此把課程教學設置成了三個考核環節和五個難度級別的教學結構，整個教學過程以學生為中心，以項目為導向，針對每個知識點并融合當前較為前沿的技術設計相關的項目任務，并整合所有任務，最終完成一個捕捉機器人的整體設計。為進一步推進控制類專業實驗改革和培養符合“新工科”所要求的人才，下一步工作重點是把“機器人應用技術”實驗教學模式推廣到全院的其他實驗教學課程中去。切實提高學生的知識運用能力、實踐創新能力、語言表達能力和團隊意識，培養更多的新工科創新人才。

參考文獻：

[1]鐘登華.新工科建設的內涵與行動[J].高等工程教育研究，2017（3）：1-6.

[2]陸國棟，李拓宇.新工科建設與發展的路徑思考[J].高等工程教育研究，2017（3）：20-26.

[3]周靜，劉全菊，張青.新工科背景下實踐教學模式的改革與構建[J].實驗技術與管理，2018，35（3）：165-168.

[4]任金波，張翔，施火結.機械學實驗獨立設課的探索與實踐[J].河北農業大學學報，2015，17（3）：86-89.

[5]陸際春，蘇廣才，張修海，等.實驗獨立設課彌補專業課時不足[J].中國現代教育裝備，2011，115（3）：146-147.

[6]戚康標，王宏斌，何炎明，等.開放式研究性實驗教學的設計與管理[J].實驗技術與管理，2010，27（7）：25-28.

[7]李雪.基于創新人才培養的實驗獨立設課研究[J].實驗科學與技術，2017，27（5）：131-134，141.

[8]周立敏，楊桂朋，高憲池.基于創新人才培養的實驗教學改革研究[J].實驗科學與技術，2016，14（3）：165-167.

[9]鮑燕.自動化專業實驗教學改革的探索與實踐[J].教育教學論壇，2013（43）：38-39.

[10]教育部.“新工科”建設行動路線（“天大行動”）[EB/OL].（2017-4-8）[2018-5-7].http：//www.moe.edu.cn/s78/A08/moe_745/201704/t20170412_302427.html.

[11]張波濤，王堅，吳秋軒.機器人技術的實驗教學改革與實踐[J].實驗技術與管理，2017，34（3）：199-201.

[12]胡紅生，王娟，孫江，等.機器換人產業背景下的地方高校應用型人才培養模式[J].實驗室研究與探索，2016，35（3）：186-191.