大數據背景下機器人學課程教學改革解析*

◆王貝貝 劉艷

0 引言

隨著現代科學技術的飛速發展，機器人已經被廣泛應用于人們的日常工作和生活中，特別是在工業生產中，機器人可以應用在很多復雜、危險的工況中，當前我國已成為全球第一大機器人應用市場。在這樣的背景下，我國對于機器人專業的人才需求越來越大，相關高校機械工程專業應進一步深化機器人學課程教學改革，以培養出符合社會發展需求的高素質專業人才。

1 大數據和機器人學概述

1.1 大數據

大數據是基于信息技術發展而興起的IT術語，泛指當前時代背景下海量的數據信息，其發展與云計算技術密不可分。根據行業共識，大數據具有5V特點，即Volume、Velocity、Variety、Value 和Veracity。在信息時代背景下，大數據逐漸成為全球關注的重要戰略資源。基于大數據的重要性，2015年9月，國務院印發《促進大數據發展行動綱要》（以下簡稱《綱要》），對我國的大數據發展工作進行系統部署。根據《綱要》要求，各大高校應積極借助大數據技術創新教學改革思路，開啟大眾創業、萬眾創新的創新驅動新格局，從而培育高素質的專業人才。

1.2 機器人學

機器人學又被稱為機器人技術和機器人工程學，是一門研究機器人設計、制造與應用的學科。相對來說，西方發達國家對機器人學研究的時間較早，而我國則是在20世紀80年代中期才開始研究。最初，機器人學在高校尚未成立專門的院系，大都是機械工程院校研究生學習的課程，學習的內容涉及機械學、計算機技術、自動控制以及人工智能等方面。隨著科學技術的快速發展，傳統的機器人學課程設置已無法滿足新時代對于機器人專業人才培養的要求，隨著大數據技術的興起，高校機器人學課程教學亟待改革。

2017 年10 月12 日，佛山機器人學院在廣東佛山成立，同時啟動中德合作工業4.0示范生產線，該學院也成為德國漢諾威機器人學院唯一的品牌海外授權使用機構。與此同時，湖南大學機器人學院、北京聯合大學機器人學院、東莞理工學院機器人學院、廣東工業大學粵港機器人學院、東北大學機器人科學與工程學院、福州職業技術學院智能機器人學院和哈爾濱工業大學科技機器人學院相繼成立。2018年，北京大學新增的機器人專業首次招生。目前，我國共有37所高校設立智能科學學科（即AI方向的學科），7所高校成立機器人學院，60余所高校在建機器人專業。

2 大數據背景下高校機器人學課程教學現狀

在實際教學中，機器人學涉及眾多學科，在大數據時代背景下，機器人學課程要求將大數據、人工智能等概念及關鍵技術、前沿知識等融入課程教學中，以機械原理、機械設計、線性代數、理論力學、控制工程等為先修課程，以開闊學生的視野，提升他們的科學研究與實踐應用能力為培養目標。基于此，機器人學專業的學生必須具有深厚的數學知識儲備，同時要掌握相關領域的理論知識。我國高校開設機器人專業的時間較晚，學生大都是統招的，在高中階段并未接觸過相關知識。因此，很多學生在學習時普遍感到該專業涉及的理論比較高深，知識面較寬，學習起來存在較多困難，嚴重影響了他們學習的積極性。目前，該課程教學主要存在以下幾個方面的問題。

2.1 教學內容繁雜，缺乏聯系性

在當前開設機器人工程學專業的高校中，機器人學課程教學大都以PUMA560六自由度機器人作為教學對象，在教學內容方面很少涉及本學科最新發展前沿的研究成果，主要講述與本專業相關的基礎知識，包括數學知識、機械結構知識、運動學和動力學知識以及傳感和控制等方面的知識，各個章節之間講述的內容往往缺少聯系。這就導致本專業的學生在學習相關知識時，普遍認為課程內容較為晦澀難懂，在理解和記憶方面存在一定的困難。

2.2 教學方式滯后，側重理論性教學

當前，我國設置機器人工程學專業的高校在教授機器人學這門課程時，普遍沿用傳統的填鴨式教學模式，由授課教師進行教材理論的講解，而學生只能被動接受教師的灌輸，師生之間幾乎沒有任何的交流和討論。特別是在“動力學”“運動規劃”及“軌跡控制”這些章節內容的教學中，教師摻雜過多的公式推導，卻沒有向學生進行細致闡述，導致學生理解、掌握起來存在較大的困難，甚至還有部分學生喪失學習的興趣。此外，由于工業機器人的造價較高，很多高校機器人工程學專業受建設資金的影響，實驗設備數量較少，無法開展大規模的實踐教學，導致機器人課程實踐教學環節很難展開。因此，部分高校的機器人工程學專業實驗課時設置較少，只有幾個學時供學生進行驗證性實驗，這樣就影響到學生綜合能力與素質的培養。

2.3 考核模式單一，側重結果性考核

根據新課改要求，當前針對學生進行考核應采用形成性評價模式，對學生進行多元化的評價考核。但目前我國部分高校機器人工程學專業在機器人學課程教學考核中大都采用單一的考核模式，即由學生的期末考試成績決定他們的最終評價。這種考核方式降低了學生學習的興趣，也不利于他們綜合素質和能力的提升。

3 大數據背景下機器人學課程教學改革探討

基于上文的分析，當前我國部分高校機器人工程學專業在機器人學課程教學方面已經無法滿足大數據時代的發展需求。要想培養出符合時代發展需求的人才，必須進行課程教學改革，逐漸整合并優化課程教學內容，創新課程教學方法，改革課程考核模式，從而為學生綜合素質與能力的提升提供支持。

3.1 整合課程教學內容

針對當前機器人學課程教學內容方面存在的問題，相關高校機器人工程學專業應根據時代發展要求，突出學生動手實踐操作能力的培養。因此，在實際操作中應系統整合該課程教學內容，選用合適的教材，并適當增添一部分本專業的前沿知識與最新科研成果，同時適當增添一定課時的實驗課程教學。此外，還要做到將實驗任務與課程教學內容相結合。只有這樣，才能有效培養并發展學生的綜合能力與素質，培養出符合大數據時代發展需求的機器人學人才。

3.2 創新課程教學方法

在課程教學方式改革中，相關高校機器人工程學專業在機器人學課程教學中應積極采用線上教學與線下實踐教學相結合的策略，采用翻轉課堂教學模式，以此激發廣大學生學習的興趣，并降低他們學習的難度。為此，專業教師應建立機器人學課程學習網站，將教學大綱、教學課件、實驗內容、隨堂習題以及參考答案等與教學相關的材料上傳該學習網站，供學生自主學習和復習鞏固。

除了采用翻轉課堂教學模式以外，教師還可以采用問題引導啟發式教學模式，通過問題引導，提升學生學習的效率，培養他們的綜合能力與素質。正如前文所說，機器人學是一門集理論性、實踐性和綜合性于一體的課程，因此，教師在課堂教學過程中應巧妙設計問題，以問題引導學生的思維，鼓勵他們以學習小組為單位，合作學習并動手實踐操作。通過采用啟發式教學模式，幫助學生更直觀地理解并掌握課程教學的理論知識，同時提升他們動手操作實踐的能力，最終構建高效教學課堂。

此外，相關專業還應促進產學研一體化發展，促進教學與科研工作的結合。在實際操作中，相關高校的機器人工程學專業教師可以鼓勵、引導學生積極參與本專業的科研項目，或者是參加各種機器人設計、制作比賽等，從而有效提高學生的創新創造能力。

3.3 改革課程考核方式

當前部分高校相關專業機器人學課程考核模式單一，應摒棄傳統的唯期末考試成績論的單一化考核方式，積極改革課程考核方式，構建多元化的考核評價模式。在實際操作中可將學生的期末考試成績與他們平時的作業完成情況、課程設計結果、學術匯報表現以及企業項目實習評價等多種方式結合在一起。其中，期末考試成績與平時作業成績加起來占綜合評價成績的40%；課程設計、學術匯報以及企業項目實習等評價指標占總成績的50%；此外，還要引導學生進行自我評價和相互評價，這兩方面的評價成績占總成績的10%。通過這樣的方式，構建多元化的評價考核方式，促進學生全面發展，從而培養高素質的專業人才，促進我國機器人行業健康發展。

4 結束語

綜上所述，當前高校機器人工程學專業的機器人學課程教學已經無法滿足時代發展需求，相關高校必須基于大數據時代的發展要求，整合該課程教學內容，創新課程教學方法，構建多元化考核評價模式，從而激發學生學習興趣，提升課程教學質量，為社會培養高素質專業人才，促進我國智能機器人行業發展。