“卓越工程師教育培養計劃2.0”背景下“機器人競賽與實訓”課程建設探索*

衛鵬斌，崔鵬偉，劉榮升，李 靜，楊富超

（河南工學院智能工程學院，河南 新鄉 453003）

《教育部 工業和信息化部 中國工程院關于加快建設發展新工科實施卓越工程師教育培養計劃2.0的意見》（以下簡稱《意見》）指出[1]，要以新工科建設為重要抓手，持續深化工程教育改革，加快培養適應和引領新一輪科技革命和產業變革的卓越工程科技人才。這就要求工科院校在人才培養模式、課程資源建設、教學手段與教學方法上要有所改革[2-8]。正是在此背景下，結合當前企業的實際需求，對機器人工程專業的人才培養方案進行了修訂，創造性地增加了三門學科創新課程，分別是“機器人競賽與實訓”“智能機器人技術創新”“機器人綜合創新與應用”。這三門創新課程相互聯系，難度依次遞增，依據以“學生中心、產出導向、持續改進”的先進理念，采用了以工作任務為驅動的工程項目式教學模式，著力提升學生解決復雜問題的能力。課題組主要就“機器人競賽與實訓”這門創新基礎課的課程建設進行探討，分別從項目載體、教學模式、考核方式以及實施效果四個方面展開。

1 項目載體

“機器人競賽與實訓”是一門實踐性很強的課程，需要大量的時間進行實際操作、編程、調試等，同時，課程又具有較強的工程實踐背景，要盡可能地和當今產業需求、學科競賽等緊密結合。因此，選擇一個合適的項目載體尤為重要。

《意見》指出，深入實施新工科研究與實踐項目，更加注重產業需求導向，更加注重跨界交叉融合，探索建立工程教育的新理念、新標準、新模式、新方法、新技術、新文化。因此，在開發“機器人競賽與實訓”的工程項目載體時，團隊充分調研了一線企業，包括勤工機器人、新松機器人等公司，確保項目載體能夠與產業需求導向相結合。機器人又是一門交叉的綜合學科，涉及人工智能、數字圖像處理技術、通信技術、嵌入式系統應用、傳感器應用、驅動技術以及機械傳動等多個領域，項目載體也要能夠涉及較多知識點領域，同時，又要適合整個教學過程。綜上所述，團隊最終確定設計搭建具有某種功能的智能小車作為項目載體。這里的某種功能是柔性的，既可以是避障，也可以是尋跡或跟隨等。這里的柔性指的是每次課程的最終任務可能都不盡相同，甚至以后每個小組的最終課程任務也都不盡相同，這樣可以盡量避免學生之間相互抄襲。

根據最終的目標，課題組將其分為劃分為8個模塊，每個模塊4個課時，共計32個課時，分別是競賽機器人平臺搭建與調試、競賽機器人結構與三維數字化建模、競賽機器人直流電機及驅動、競賽機器人的無線通信、競賽機器人的舵機控制、競賽機器人的傳感器、競賽機器人差速轉向控制以及競賽機器人的綜合應用。同時，對于這8個模塊，采用了模塊化的授課方式，團隊教師分別教授自己擅長的領域，更加有針對性。前7個模塊相當于實現某一基礎功能，重在打基礎；最后1個模塊則是選取當前機器人大賽主流的某項任務進行的綜合應用，重在考查學生的綜合運用能力。這次授課的任務目標選擇了中國機器人大賽中的一個子賽項——尋跡越野游，尋跡越野游的主要規則是在一定的黑色軌跡線上完成指定障礙越野，在完成任務的同時，用時最少者勝。課程的主要任務目標是讓競賽機器人具備基礎的尋跡功能。

該項目載體不僅可以使學生較全面地認識智能機器人的電機、電機驅動電路、車架結構、主控制器、傳感器等部件，還可以鍛煉學生使用某種語言編程、調試的能力；同時，該項目載體又和教育部主導的一些學科競賽如全國大學生機器人大賽、中國機器人大賽等的項目高度重合，使學生具備參加上述比賽的能力，一舉兩得。

2 教學模式

《意見》指出，全面落實“學生中心、產出導向、持續改進”的先進理念，面向全體學生，關注學習成效，建設質量文化，持續提升工程人才培養水平。因此，“機器人競賽與實訓”課程采用了“以學生為中心”的教學理念和以工作任務為驅動的工程項目式教學模式。

相比于傳統授課方式的教師滿堂灌，“以學生為中心”的教學理念給予學生充分的自由，讓學生充分地占據課堂的主導地位。以工作任務為驅動的工程項目式教學，主要是以目標為導向，將知識點融入到一項具體的工作任務中，學生在完成工作任務的同時學習相應的知識點。

具體做法如下：上課前一周左右通過學習通網絡授課平臺發布相應的學習任務，這部分屬于線上學習的部分，學生需要通過任務學習卡，將里面的問題通過查閱資料等方式提前完成。回到課堂后，這部分屬于線下學習部分，以解答學生之前出現的問題為主，輔以一定的知識點講授；之后給定新的課堂任務，學生采用PBL小組合作方式完成課堂任務；最后需要驗收，驗收包括教師評定、同組之間評定以及小組之間評定三種驗收評價方式。整個過程中，學生充分地參與到課堂中，教師則主要負責組織課程以及解答學生的疑問。同時，采用了線上、線下相結合的授課方式，使得學生的學習興趣空前高漲。

3 考核方式

考核方式由傳統的期末試卷考試轉換為過程化考核與評價方法。《意見》指出，要優化人才培養全過程、各環節。因此，考核與評價應注重過程化考核，在教學的整個過程中都應該有考核和評價，而不是以最終結果作為考核的唯一標準，充分尊重學生的創新性或發散性思維方式。

考核總成績由線上學習成績、課堂實操分組任務以及答辯競賽成績組成。其中：線上學習成績為100分（權重20%），由前7個模塊的課程任務點以及課前學習任務卡完成情況構成；課堂實操分組任務成績為100分（權重50%），由前7個模塊具體課堂實操完成情況構成；前兩部分考核總占比達70%，充分體現了過程化考核；答辯競賽成績為100分（權重30%），由最后1個模塊的競賽成績構成。

4 實施效果

“機器人競賽與實訓”課程改革后，先后有服務機器人、工業機器人1、工業機器人2、機械電子1、機械電子2共計5個本科班級上課，學生的平均成績及標準差成績分別如表1、表2所示。其中：表中過程化考核（70%）由線上學習成績（20%）以及課堂實操成績（50%）構成，綜合成績=過程化考核×0.7+答辯競賽×0.3。

表1 平均成績

表2 標準差成績

課程改革以后，學生的學習興趣普遍有所提高，成績也有所提高，無不及格現象。從表1可以看出，5個班級過程化考核成績平均在75分以上，答辯成績平均在88分以上，最終綜合成績在80分以上，學習效果明顯提升。從表2可以看出，5個班級過程化考核標準差成績最小5.99分，最大10.12分，說明平時過程化考核還是可以拉開成績的；5個班級答辯競賽標準差成績最小1.21分，最大4.10分，說明學生答辯競賽的成績差別不大；5個班級綜合標準差成績最小4.62分，最大7.03分，說明學生的最終成績還是有所差距的。

5 結束語

課題組對“機器人競賽與實訓”進行了課程建設及改革，采用了“以學生為中心”的教學理念和以工作任務為驅動的工程項目式教學模式；突出對學生動手能力、專業技能和創新思維的培養，體現能力本位的特點；采用過程化考核與評價方式，對學生學習全過程進行考核和評價。

5個班級的試驗結果表明：最終5個班綜合平均成績均在80分以上，學習效果明顯提升；學生學習興趣普遍提高；設計能力、動手實踐能力、分析解決問題能力有所提高。