適應新工科與工程能力培養要求的機器人技術實踐教學模式探索

王楊 陳以農 姚光順

摘要：隨著人工智能技術的興起，機器人技術這門課在很多本科高校開授，但在教學過程中存在理論內容抽象，實驗設備不足，學生興趣不高等問題。滁州學院作為一所地方應用型本科院校，在適應新工科與工程能力培養背景下，結合專業人才培養方案，以“培養學生實踐能力”為出發點，從機器人技術實踐課程的教學內容、教學方式、實驗項目以及以賽促學等方面進行改革，經過兩年的探索，有效地提高了學生學習該課程的興趣，增強了學生實踐動手能力，激發了學生創新意識。

關鍵詞：人工智能;機器人技術;新工科;創新意識

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）03-0161-03

1 概述

2013年德國率先推出“工業4.0”計劃之后，美、日、韓等國也陸續發布了自己國家的制造戰略計劃[1]。隨后，2015年我國提出了“中國制造2025”計劃，實現中國制造業強國的戰略由“三步走”來完成[2]。為了更好地支持國家完成這一發展計劃，我國高校要能夠培養出有創造力、有良好工程意識和創新能力的畢業生[3]。因此，教育部在2017年提出“新工科”建設相關計劃，這對全國參與新工科建設的應用型本科院校在人才培養上提出了新的要求：①要求各院校積極參與新工科建設，培養適應國家產業發展需要的人才;②對傳統工科專業進行升級改造，對目前的人才培養方案培養進行革新，培養出適應新形勢下國家需要的人才[4-5]。滁州學院于2018年起積極開展以新工科為主題的教學研討會，邀請國內專家做報告并與學校老師交流互通，幫助老師更好地理解這一建設計劃。其中，計算機科學與技術專業緊跟這一建設計劃，對所屬課程的教學方式方法進行改革創新，以適應新工科與工程能力培養要求。本文是對機器人技術實踐課程進行教學模式改革探索。

2 應用型本科院校機器人技術實踐課程現狀與困境

2.1 現狀與背景分析

隨著科技的快速發展和經濟全球化的進行，在校大學生對新知識的渴求以及社會對新型人才需求的提高，用人單位對大學生提出的要求越來越高[6]。要求大學生既要具有較扎實的理論基礎，又要兼具一定的實踐能力;也就是五大能力、三大基礎[7]。機器人技術實踐課程的開設正是有利于培養學生達到上述目標，機器人技術實踐課程教學對培養學生具有良好的工程意識、創新以及創造力具有重要意義，目前國內外很多知名高校都將機器人教育和工科實踐緊密結合，以機器人硬件平臺作為載體，開展工程實踐教學，提高相關專業學生的工程設計能力和創新能力[8一9]。

2.2 課程現狀與困境

目前滁州學院的機器人技術實踐課程開設在第五學期，每屆選修該課程的學生數在120名左右。教學大綱要求通過該課程的學習，真正掌握機器人組件的搭建與運動及感知原理，從而培養學生在機器人開發過程中之任務分析、問題解決與創新實踐等能力。該課程理論內容抽象，項目驗證性較多，綜合度不夠，講授這門課程的師資力量薄弱，教師的工程實踐能力不強，教師在這種實踐性很強的課程教授中與基礎大課的教學方式混同。因此原有的教學過程并沒有完全達到教學大綱的要求。因此，為了更好地適應新工科背景下，對學生工程能力培養的要求，該課程教學模式改革迫在眉睫。

3 滁州學院在機器人技術實踐課程的探索

3.1 更新授課方式（建立完善“第一課堂”）

因為該課程設置在大三，學生具有一定的編程基礎，因此將傳統的理論知識講解加上實驗課程驗證的授課模式更新為以機器人應用項目設計和編程為主導，讓學生了解工程應用項目的設計過程。使學生了解專業相關知識并在機器人應用項目中實踐。使學生對該課程感興趣，有信心，并學會以計算思維的方法解決程序設計和應用的問題。具體為：

（1）推廣VIPLE（Visual IOT /RoboticsProgramming LanguageEnvironment）實踐平臺的使用[10]。該平臺由陳以農教授團隊研發，功能強大，支持多款機器人硬件平臺的開發（如圖1所示）。可以將信息學院機器人實驗室中的多款設備整合到該平臺中，避免目前各設備之間不通用的問題，提高設備的使用效率。同時該平臺是可視化編程，使工作流的概念和結構變得更易于人類的構建和理解。

（2）設計好機器人技術實踐課程的階段性實驗項目和綜合性實驗項目，教師需要分析這些項目的需求、總體設計思路、并講授所需要的知識點。先分階段性完成一個個實驗任務，最終讓學生完成綜合性實驗任務，以此讓學生體會并掌握工程設計過程，如圖2所示。

（3）建設開放式實驗模式，在任課老師幫助下，實驗項目可以培養學生的獨立思考能力和工程思維、工程經驗，提高人才創新能力培養效果，同時，要重點考慮到工程實踐基礎內容，不要因為注重創新而忽視培養基礎能力。因此在第一課堂中包含了初、中級基礎實踐訓練內容，可以面向大一新生作為導論課來授課，只是更加強調學生的分析和創新，而不僅僅是實踐操作。并且本階段培養出的優秀學生可以直接作為參加地方性、全國性機器人競賽的基礎力量。

3.2 引入課外活動（建立完善“第二課堂”）

第二課堂主要讓學生參加各類機器人技術競賽，通過比賽促進教學質量、促進學習質量。積極地為學生提供機器人競賽所使用的各類設備和師資條件。比賽會很好地鍛煉學生的動手能力、組織能力、協調能力、臨場應變和突發問題處理能力等重要的工程素養。機器人技術實踐課是一種綜合性課程，所涉及的理論知識主要有C語言、電路分析、模擬電子、數字電路、信號與分析、單片機原理與應用、電子系統設計技術、自動控制原理、傳感與檢測技術、電源技術、機器人控制等理工科基礎課程及專業課程，通過課外比賽活動將第一課堂所學的內容用到實戰中去，讓學生不僅學了，還要會用。

3.3 參加社會實踐（建立完善“第三課堂”）

第三課堂主要是進行校企合作以及和陳以農教授機器人實驗室合作。由于組織學生參加中國機器人大賽和安徽省機器人大賽需要，學院與北京博創尚和科技有限公司、合肥凌翔信息科技有限公司這兩家機器人技術研發實力較強的公司建立了長期合作關系，并在此基礎上跟這些公司聯合申報了有關機器人技術實踐方面的創客項目。由公司提出需求，將部分機器人設計任務（所有硬件的設計、程序的編寫）交給我們學生來完成。在設計過程中遇到所有的問題，公司都會派出專門的技術人員幫助老師和學生來解決。最后設計出來的機器人，經過公司驗收過后，被公司收購。公司將收購的機器人銷售獲取盈利，然后支付給學生相應的報酬;并支持老師和學生申報了軟著和專利等。另外跟美國亞利桑那州立大學陳以農教授的機器人實驗室合作完成一些綜合性的實驗項目，如下表1所示。第三課堂主要讓學完相關理論知識和掌握工程設計過程的學生去實戰，并通過這種方式極大地提高了學生解決實際問題的能力。

3.4 改革考核方式

該課程原考核方式是期末閉卷考試，將理論知識點整合成一張試卷，學生考試完成。這種考試方式使得部分平時不學習的學生，在期末來臨時，死記硬背，為了考試通過而被迫學習。這種考核形式對這門實踐性很強的課程來說，會忽略學生平時成績和創新能力，不能適應應用型人才培養要求。應該把學生平時表現和期末成績結合起來綜合評價，總評成績由平時成績、實驗成績和期末成績組成。占比構成為平時成績20%，實驗成績30%，期末成績50%;期末考試由純粹理論測試轉成綜合實驗項目設計，平時成績評定包括作業、考勤、隨堂測試等;實驗成績評定包括實驗課考勤、實驗項目完成情況打分等。這樣的考核方式更體現出重在平時，淡化期末考試，更能考查出學生的真實水平，也一定程度上削弱了學生作弊的動機。同時為了更好達到以賽促學，以賽促教的目標，提高學生參賽的積極性以及培養學生的創新能力，學生在中國機器人大賽和安徽省機器人大賽中獲得二等獎及以上，學生可以免試獲取該課程學分，三等獎及以下，平時成績直接為90分?？己朔绞降木唧w辦法如下表2所示。

4 主要特色

（1）改進實踐課的課程體系結構。實現主體為教師到主體為學生的教學意識改進，實現實踐常態化的改變，實現理論工程化的改變，整個教學過程以工程設計思想貫穿其中。

（2）以三個課堂教學為主線。教學模式面向工程項目、面向真實應用，注重實踐能力、團隊能力的培養，將培養優秀設計師、工程師的思想貫穿整個課程體系和教學過程。在課程設置上體現了電子、信息、計算機、系統軟硬件設計、單片機、嵌入式系統等方面的知識運用，使學生能夠融會貫通本科所學知識，同時具有較強的實踐能力與工程應用能力。

（3）加強校企合作。帶領學生到有關機器人技術研發企業內參觀學習和合作共同開發項目，來實現培養學生獲取工程一線的實際工作能力，為學生高質量就業打下良好的基礎。

5 結束語

機器人技術實踐教學經過兩年探索，以三個課堂融合機制整合VIPLE平臺方式使該課程教學質量不斷提高，有效地提高了學生學習該課程的興趣。教學過程中通過三個課堂融合模式面向綜合項目、面向真實應用，注重實踐能力、團隊能力的培養，將培養優秀設計師、工程師的思想貫穿整個課程體系和教學過程，使學生能夠融會貫通本科所學知識，具備了較強的實踐能力與工程應用能力。學生通過學習參加相關賽事的積極性也更高了，獲獎成績逐年提高，如下表3所示。學生畢業后具有較強的就業競爭力，得到了學生和就業單位的認可。綜上，學院已經初步形成了較具特色的機器人技術實踐教學模式。

參考文獻：

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[3]王劍，馬宏緒.關于本科教育機器人教學的思考[J].電氣電子教學學報，201 1，33（2）：19-21.

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[10]陳以農.基于IOT和機器人的可視化編程實踐方法[M].北京：機械工業出版社，2017.