“四位一體”機器人實踐教學模式探索

謝應孝 李云 劉玉良

摘 ?要：機器人實踐課程一個突出特點是多學科的融合，伴隨機器人專業的快速發展，原有的機器人實踐課程教學己無法滿足新要求，該文提出了“四位一體”機器人實踐教學模式。通過建立“學生社團+基礎實驗+實訓+競賽”一體化實踐教學體系，為機器人實踐教學改革提供了切實可行的改革思路與實施方案，達到培養學生的綜合實踐及創新能力。

關鍵詞：機器人 ?實踐 ?教學 ?四位一體

中圖分類號：TP242-4 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A文章編號：1672-3791（2021）03（a）-0057-04

Exploration of "Four in One" Robot Practice Teaching Mode

XIE Yingxiao ?LI Yun ?LIU Yuliang

（Zhejiang Ocean University， Zhoushan， Zhejiang Province， 316022 ?China）

Abstract：Multi-disciplinary integration is considered a prominent feature of robot practical course. The original robot practice teaching could not meet the new requirements with the rapid development of robots."Four in one" robot practical teaching mode was proposed in this paper. The practical reform ideas and implementation scheme for robot practice teaching reform was provided for practical teaching reform by integrating student associations， basic experiments， practical training and competitions to cultivate students' comprehensive practice and innovation ability.

Key Words：Robot; Practice; Teaching; Four in one

機器人教學實踐課程被現代教育學家認為是培養學生創造力和想象力的有效活動[1]。機器人實踐課程一個突出特點是多學科的融合，包括控制工程、機械工程、電氣工程、電子工程、計算機科學與技術等學科。通過機器人實踐課的教學，能夠很好地激發學生的綜合實踐及創新能力。伴隨機器人專業的快速發展，原有的機器人實踐課程教學以無法滿足新要求，因此在原有機器人實踐教學內容基礎上，進行實踐教學改革與探索十分必要[2]。為此，加強高校機器人實踐教學改革，有利于機器人專業發展、機器人關鍵技術的自主認知和對當前最新科技發展趨勢的掌握，更好地服務于國家與地方的產業轉型升級，服務于中國制造2025的國家戰略[3]。

1 ?機器人實踐教學現狀及面對問題

1.1 實踐教學研究現狀

大連理工大學通過建立深度廣度結合、軟件硬件結合、科技創業結合的“三結合”科學化教學體系，構造“實訓型”集約化教學平臺和“產、學、研”一體化教學鏈條，形成較完整的高校機器人創新實踐教學體系的改革[1]。

寧波大學開展“以項目為導向”的實踐教學法改革與實踐，基于ROS實踐平臺開展以項目為導向的機器人實踐教學，學生在完成項目過程中掌握專業知識并鍛煉解決復雜工程問題的能力[4]。

西安交通大學提出多種實驗形式結合、機器人機構及控制等多方面相結合系統性地開發機器人實驗。在教學方法與工程實際相結合，引導學生關注技術前沿，培養學生創新意識[5]。

嶺南師范學院構建多維漸進式機器人課程實踐教學體系，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[6]。

重慶科技學院以機器人競賽為主線開展大學生創新性學習和實踐動手能力的培養，提高學生主動學習的興趣、創新能力培養與科學研究的熱情[7]。

1.2 實踐教學中突出問題。

1.2.1 各實踐環節“各自為戰”，缺少統一規劃與融合

不同的實踐環節由不同的指導教師制訂教學計劃，各環節間大家缺少溝通，致使不同實踐教學環節出現前后環節實踐內容不銜接或實踐內容重復的現象。

1.2.2 學生普遍“走馬觀花”，激發不起興趣

學生進行實踐時，由于機器人設計眾多專業領域的融合，所以對機器人相關知識點的缺失，再加上短時間自己動手的實踐教學過程中，學生很難找到興趣點和切入點，多是為了分數應付實驗項目，無功而返[8]。

1.2.3 授課形式單一

對于機器人實踐課程的授課形式目前是先由老師對實踐內容的介紹，學生開始實際操作，學生將實驗成果讓指導教師檢查，最后上交實驗報告。整個教學過程仍然學生重復實踐內容形式單調死板，缺少探索與主動解決問題能力。這種單一的授課形式不能適應機器人學現代教育教學的需要，遠遠落后于機器人技術的快速發展[9]。

我國高校的機器人實踐教學仍處于起步階段，仍然存在學科歸屬不清晰、教學體系不成熟等方面的問題[10]，且大部分學校剛剛開設機器人相關專業，與之匹配的實踐教學體系更是少之又少。為此，該研究將從實踐教學工作總結經驗，提出“四位一體”機器人實踐教學模式，為機器人實踐教學提供借鑒[11]。

2 ?改革思路

由于機器人實踐教學可以將多領域多專業的融合，非常符合機器人專業的學科特點，因此對機器人實踐教學的改革更有利于機器人教學的發展。該文將對機器人實踐教學過程中存在的問題提出解決方法，并建立“四位一體”機器人實踐教學模式，從而達到培養機器人專業學生的實踐及創新能力，更好地服務國家創新發展的重要目標。

2.1 “四位一體”實踐教學模式內涵

“四位一體”實踐教學模式是將社團、基礎實驗、實訓、競賽這4個實踐環節融為一體，打破原有的各實踐環節“各自為戰”現狀，將各環節統一規劃。實踐教學不僅是服務于理論教學，而是將所有實踐環節打通，形成一體化的實踐教學平臺及完整的實踐教學體系。

2.2 實踐教學體系建設

建設綜合性、項目導向性、學科交叉性、自動更新性的新型實踐課程群，將基礎實驗、實訓、競賽、社團作為實踐環節統一規劃。

2.3 一體化實踐教學平臺

整合各實踐環節的教學資源，建立各環節資源共享管理制度，加強實驗室的開放功能，學生可以自主、充分地利用各實踐環節的實驗資源，提高學生的自主學習與創新能力。

3 ?實施措施

3.1 建立一體化實踐教學體系

3.1.1 建立“社團+基礎實驗+實訓+競賽”一體化實踐教學體系

統一規劃各實踐環節的教學。以競賽和創新項目為導向梳理出所需要的知識點，根據知識點的依賴關系分別設置不同實踐環節的教學內容。在競賽及創新項目的實踐中對新知識點的探索，并根據新知識點所涉及實踐環節的教學內容進行更新，更新的實踐教學內容對新知識點進行訓練與完善，使各實踐環節形成閉環，構成不斷自我更新與完善的一體化機器人實踐教學體系[12]。

3.1.2 建設開放共享的實驗平臺

對各個實踐環節的實驗資源統一管理，提高實驗資源的使用效率，加強設備及耗材的共享，避免重復購買與浪費。通過各實踐場地及設備的開放加強各環節的合作與共享，實現平臺一體化[13]。

3.2 學生社團與機器人專業的融合

3.2.1 物質保障

確保學生社團活動開展的活動場地及社團活動經費。獨立的場地可以為學生提供寬松自主的活動空間。社團經費用于購買機器人技術所需的基本儀器及耗材。

3.2.2 功能提升

通過專業知識的引入、指導教師的輔導將學生社團改造為學生自主實踐平臺及創新創業的孵化器。社團通過定期組織科技活動吸引低年級的同學加入社團，新同學加入后，由老的社團成員及指導老師對新社員進行指導，以此增強學生的實踐技能、科研能力及競賽技巧。經過一段時間的學習，根據新老成員的情況建立團隊為各類學生競賽、學生項目及老師的科研項目注入新鮮的血液。同時，利用競賽、科研項目等實踐環節資源反哺社團的發展[14]。

3.2.3 學生團隊建設

組建新老成員分布能力互補的學生團隊。由于機器人涉及多領域多學科融合的技術特點，學生團隊宜采用多年級、多專業、以老帶新的模式進行組建。學生團隊的建設可以充分發揮學生的自我管理與自我學習的優勢。指導教師以學生團隊為單位進行指導，可以大大提高指導學生的效率。

3.3 廣覆蓋基礎實驗教學

3.3.1 以項目為導向的基礎實驗項目設置

梳理出實訓、競賽及創新項目相關知識點，再根據各個知識點設置基礎實驗項目，并根據其他實踐環節的技術發展及時更新基礎實踐項目，同時充分利用線上資源擴充基礎實驗項目。使基礎實踐環節廣泛地覆蓋各類實踐環節所涉及的知識點和技術，為其他實踐環節提供堅實的基礎[15]。

3.3.2 以基礎實驗室開放促進實踐環節融合

除完成實踐計劃外，基礎實驗室應加大開放力度，使其他實踐環節遇到問題隨時可以在基礎實驗室中尋找解決方案。通過實驗室的開放解決了不同實踐環節時間及空間上的壁壘，促進各實踐環節的融合與統一。

3.4 以工程項目為導向的實訓教學

3.4.1 實訓項目的實施

實訓項目應結合工程實際重點強調綜合性。學生以團隊為單位，自我分工共同完成實訓項目。實訓過程指導教師首先介紹實訓項目的應用背;景以及所涉及的關鍵技術，在實訓項目進行中教師分階段跟蹤各組的項目進展情況，并對項目遇到的困難進行指導，最后根據分組情況對學生進行團隊評價[16]。

3.4.2 實訓項目的評價考核

實訓項目的評價考核應在實施過程中的每個階段任務完成后及時評價，最后再根據整個項目的完成情況給予評價。實訓報告可參考技術報告為模板，對整個項目的背景、技術發展狀況、關鍵技術、主要研究內容等進行介紹。通過完成實訓報告增強學生的技術文稿的撰寫能力，同時為其他實踐環節積累技術資料。

3.5 結合學生競賽，全面提升學生綜合能力

積極引入機器人競賽、電子設計大賽、機械設計大賽等學生競賽，以賽促學。將各類競賽核心技術進行整理，并融入到社團、基礎實驗、實訓的實踐教學中。推廣“以老帶新、學生團隊”模式吸引大批學生參與競賽。通過競賽使學生在基礎實驗室、實訓中心、社團活動場所以及科研實驗室流動，真正做到資源共享。定期通過競賽或社團舉辦校內競賽，將比賽情況作為他實踐環節考核的參考。將這4個實踐環節融為一體[17]。

4 ?結語

該文論述了機器人實踐教學工作的研究現狀及突出問題，提出了社團+基礎實驗+實訓+競賽“四位一體”機器人實踐教學模式，為機器人實踐教學改革提供了切實可行的改革思路與實施方案。通過幾年的試行，學生社團被評為校級優秀社團;經過“四位一體”實踐教學模式培養的學生積極參與機器人等各類學生競賽及科技創新活動，取得較好的成績;新增多個實驗、實訓項目，學生在實驗、實訓中更加積極主動完成實踐內容，提高了學生的實踐及創新能力。

參考文獻

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