以任務驅動為導向的機器人學課程教學探索

李克訥* 王溫鑫 馬玉如 賀之祥 曾卓維

（廣西科技大學電氣電子與計算機科學學院 廣西·柳州 545006）

0 前言

隨著“中國制造2025”規劃的發布，機器人產業被列為重點發展對象，并且機器人技術已成為衡量國家科技創新和高端制造水平的重要指標[1]。為推進以新技術、新業態、新模式和新產業為代表的建設與發展，機器人工程專業的籌建將成為國家中長期發展的人才培養與儲備的重中之重。機器人學是機器人工程專業的核心課程，它是一門多學科高度交叉的前沿學科。為了適應當前社會發展所需的應用型、技術型以及復合型人才的培養目標，對機器人學課程教學進行改革創新是一項重要的任務。本文對現有的教學理念進行更新，擬采用“以任務為主線、教師為主導、學生為主體”的“任務驅動”教學模式[2]進行優化教學，著力解決機器人工程專業教學中的突出問題。

1 課程教學中的挑戰

機器人學內容豐富，包含了機器人的發展概況和基礎理論知識，但其作為機器人工程專業的必修課程在教學過程中也面臨著諸多挑戰，具體主要表現在以下幾點：

第一，授課內容較為理論。教學內容主要包括機器人的發展簡介、機器人機構、機器人位姿的數學描述與關節坐標變換、機器人運動學、機器人動力學以及機器人的路徑規劃等[1][3]。對于大三學生來說，課程知識容量大，廣度大，因此在有限的課時內對上述教學內容進行學習會有較大的難度，也容易對產生畏懼心理。

第二，教學模式單一。傳統教學主要是以“知識點”構筑知識體系的“教師講學生聽”被動教學模式。這種授課模式教學效率高，但要求學生有很高自律性，能積極主動做好課前預習，課堂需認真聽講，課后能獨立完成作業和復習。然而，對于自律性和理論知識基礎較弱的地方二本院校，極少學生能做到課前預習，導致整體教學效果不佳。

第三，缺乏實戰經驗。機器人學的理論知識主要以關節坐標變換和動力學等內容為基礎，極具數學抽象性和邏輯性，較難理解，從而對學生的實踐和創新能力帶來影響。

綜上所述，機器人學的傳統教學模式很難滿足新時代環境下的人才需求。因此，結合應用型本科的辦學定位，積極探索適用于機器人學課程的教學模式對于培養創新人才和提高學生就業競爭力具有重要的意義。

2 課程教學探索

任務驅動法（TBL）是一種將學生活動定為教學中心的教學法，它主要是通過教師的任務設計和安排，指導學生進行自主的探究學習[4]。國外對任務教學法是非常關注的，隨著不斷的深入探索和研究，任務驅動教學法的應用在逐步擴大，從學科教育，到醫學教育，再擴展到信息技術的課堂教育、語言教育、職業教育技能等[5]，這些應用領域反映了該方法針對表達性和操作性知識具有提高教學的效果。我國關于任務驅動教學法的研究相對于國外起步較晚，但對該法也引起了足夠的重視和關注。目前國內各個高校的各個專業教學也都在不斷探索和研究任務教學法的應用和實踐。因此，本文嘗試在機器人學課程中引入任務驅動教學以激發學生的學習興趣，提高課程教學效果。根據以上研究，得出如下具體的課程教學改革思路。

2.1 教學模式

以學生為主體，建構以任務驅動教學的教、學、做為一體的教學方法。在教學模式上，采用課上教學和課下教學。

（1）對于課上教學，摒棄傳統的灌輸式教學，采用混合多元化的課堂教學模式，實行啟發性、互動性、參與性于一體的教學方法，利用“理論＋習題＋討論”的組織形式，推進實施任務驅動教學。首先教師應針對學校以及學生整體的實際情況，兼顧機器人知識的深度以及廣度在理論知識教學方面進行適當的取舍。其次采用隨堂測驗的方式，將理論知識隱含在任務中，從而引導學生迅速切入任務行動，及時掌握知識要點。最后可參考翻轉課堂的教學模式[6]，學生以團隊的形式，在課堂上展開討論，師生間進行釋疑、解惑、探究等互動活動。在課程結束時，教師可檢查學生的成果，并進行相應的打分。

（2）對于課下教學，由于機器人學是一門實踐性很強的課程，因此可構建全方位多層次的實踐與創新教學新模式。鼓勵學生充分利用自己所學知識參加與機器人相關的實踐活動或積極與畢業設計導師進行聯系，參與導師相關課題項目，另外學院也積極組織參加相應的機器人競賽，使其能夠學以致用。

構建課上課下的開放式教學，不僅能夠提高學生的思維能力，激發學生求知欲，培養學生的溝通交流能力和團隊協作精神，還能通過實踐活動加深對理論知識的理解和吸收。

2.2 作業形式

采用“課前任務型＋隨堂練習＋小組討論＋課后作業”的多元化作業形式。課堂任務型主要是通過教師事先根據課程知識點布置的融合趣味性、實用性和可操作性的任務以驅動學生提前了解基本概念和分析方法；適量的隨堂練習可及時讓學生理解和鞏固所學知識點；小組討論任務可讓同學們相互之間討論課堂知識的重點和難點，并形成更深刻的理解；課后作業則布置典型習題，以便教師能及時對學生所學知識點進行查缺補漏，還可適當的設置仿真型作業和設計型作業，以此加強學生的開放思維訓練，增強學生對抽象的理論知識的理解。隨堂練習和課后作業可通過線上的形式發布給學生，相比傳統的答題方式和批改方式更加的快捷方便。

2.3 答疑方法

答疑解惑是教學活動中不可缺少的一個重要環節。科技的進步給師生交流帶來很大的便利，老師通過QQ、微信等即時通訊軟件可隨時隨地給學生進行解答。另外，教師在課堂也鼓勵學生多提問題，通過這種隨堂交流可使學生對于問題的描述以及老師對于問題的解答會更加的清晰，減少誤會的產生。針對典型問題，教師可以不直接告知學生明確的答案，可采用引導的方式，循序漸進的讓學生有充分的思考空間，通過自我的理解，知識點會掌握得更加牢固可靠。

2.4 考核方式

課程考核是衡量學生課程學習效果、教師教學質量的重要標準。可在平時的考勤、作業表現和期末考試成績的傳統考核方式上考慮增加課堂的測驗情況、課堂討論問題的表現情況以及參加機器人比賽情況的評價。通過這種多種情況相結合方式進行考核，一方面給予學生一定的學習壓力，促進學生提高學習效率，另一方面可以為機器人大賽提供人才支持，提高學生的實踐動手能力，達到理論與實踐相結合的目的。

3 總結

對機器人學的教學進行探索是一項任重而道遠的任務，也是提升教學質量，提高當代學生創新創意能力的重要抓手。本文對傳統的機器人學課程的教學模式進行分析和研究，將“任務驅動”教學運用在教學模式、作業形式、答疑方法以及考核方式的優化和調整上，以此增強師生間的交流，營造良好的課堂氛圍，同時為學生提供多元化的學習空間，引導學生加深理論知識學習，積極參與實踐活動，進而提升學生的學習能力、動手能力。在今后的教學工作中，需要不斷的從中汲取經驗，改進教學方法，提高教學質量。