“新工科”背景下高校機器人實驗改革的探索

張 琦 甘永瑩 李 曉 任風華 楊 青

（1.桂林電子科技大學電子工程與自動化學院，廣西 桂林 541004；2.桂林電子科技大學教學實踐部，廣西 桂林 541004）

0 引言

科技的飛速發展不斷推進時代的變換，現如今信息化、智能化和工業化不斷融合，以智能制造為主導的時代正在興起。為了應對新一輪的科技和產業變革，我國教育部積極推進“新工科”建設，即針對新興產業構建新的工科專業結構，以互聯網和工業智能為核心，如大數據、云計算、智能制造、機器人等，同時還對傳統專業進行升級改造。智能時代是大勢所趨，智能制造業是實施制造強國戰略的重要行動。目前以機器人產業為代表的智能制造業成為各國關注的熱點，因此，培養優秀的全面的機器人工程專業人才十分必要[1]。高等學校作為國家建設人才庫，在高等教育上也應緊跟時代發展步伐，針對“新工科”提出相應的改革，重點培養具有可持續競爭力的實踐和創新型人才。

機器人在工業和家居生活等領域的快速發展，引起智能制造業的熱潮。我國各高校也相繼開設了機器人相關課程和構建了相應的課程體系來培養機器人專業人才。機器人屬于多學科交叉專業，包含了自動化、機械學、計算機科學、光電信息處理以及電子工程等學科。該類課程的理論課往往繁雜枯燥，晦澀難懂，要求學生有扎實的數學基礎和專業儲備，學生難以運用理論知識解決實際工程問題，僅停留在傳統工科的教學方法上，難以培養實踐能力和創新能力兼備的復合型人才[2]。因此，“新工科”背景下的機器人專業應提高機器人實驗課的地位，針對學生的學習能力開設漸進式的實驗項目，將學生的實踐能力和創新能力擺在第一位。本文將針對“新工科”背景下機器人實驗課程的改革進行探索。

1 教學現狀

目前，常見的工科教學，往往偏重基礎理論知識的講解，而實驗課僅僅作為輔助課程，其內容簡單、課時少，使得大部分學生對實驗課程不夠重視。而且大多數實驗課與理論教學相關性小，這就造成了實踐與理論脫節，學生對實驗目標不明確，對實驗目的不清楚，盲目地跟從教師依葫蘆畫瓢，機械地完成實驗，缺少師生交流，學生屬于被動接受知識，沒有自主思考，從而影響了整體的教學質量。機器人實驗教學也不例外，而且由于機器人技術飛速發展，傳統的機器人實驗內容滯后，更新換代慢，難以滿足現代機器人企業對人才培養的需求。教學設備若想要跟上技術的發展，勢必會造成資源浪費和教學成本激增。

機器人實驗課通常有離線教學和實體教學，由于離線教學不具體，學生沒有參與感，且對實驗結果沒有具體概念，實驗效果無法保證。因此仍然需要在實體機器人上進行示教，而目前實驗機器人的成本仍然高昂，學校用于實驗機器人的經費有限，機器人與學生的比例不匹配，導致學生只能以小組的形式完成實驗。且由于機器人種類繁多，學習量大，實體機器教學時間過長等問題，實驗內容不宜復雜，學生只能在有限的資源中完成簡單的驗證性實驗。這對于提高學生的實踐能力沒有真正幫助，更不利于篩選和培養能力更強的學生[3，4]。

在實際的實體教學中，初學者往往誤操作率較高，對于復雜的編程路徑，難以取得令人滿意的效果，且容易造成機械故障，這不僅不利于教學效果，更增加了維護實驗設備的成本。因此許多機器人實驗教學仍然是單一的多媒體教學，教師向學生單向輸出，學生被動接受，缺少師生的有效交流，這使得學生的思維容易固化，無法培養學生獨立思考、自主創新的能力。單向輸出的模式使得教師在課堂中無法及時收到學生的反饋，進而不能對課程內容進行調整[5]。

傳統的機器人實驗考核方式單一，作為輔助課程的實驗課通常以當堂實驗結果為主，課后撰寫實驗報告為輔。而由于時間的限制，學生很難利用完整的課堂時間獨立完成實驗，并獲得較好的實驗結果。再加上教學資源的限制，傳統的機器人實驗教學往往以小組為依托，這就存在個別學生在小組中只共享不貢獻，即便不承擔任務也會取得不錯的成績。這就造成了學生成績兩極化，沒有個性區分，不能真實反映學生的學習能力。對于當堂完成不了實驗的學生而言，既花費了時間心思又得不到好的成果，無疑是巨大的否定，打擊了學生學習的積極性。

針對以上問題，應從實驗教學的方法、教學模式以及考核方式上進行改革，常規的教學方法已不能滿足當下的社會需求，也不符合教育部提出的“新工科”理念。越來越多的教師意識到“以學生為中心”的教學理念，應充分利用網絡技術、整合教學資源，挖掘學生各方面的能力，在教學過程中強調過程，使學生在獲得知識的同時還能學以致用，運用所學知識解決實際問題。

2 機器人實驗改革的探索

充分利用線上平臺設立前導課，減輕課堂負擔。機器人是各學科交叉的綜合學科，涉及的理論和技術往往比較抽象難懂。教師可在課前充分利用線上教學平臺設立前導課，將實驗課內容涉及到的相關技術介紹或設備操作視頻上傳到平臺，供學生進行課前預習。通過簡單易懂的視頻，讓學生在課前直觀的了解上課流程，做到心中有數，帶著問題進行實驗，可以大大提高教學效率和教學質量。線上教育平臺已逐漸成熟，種類繁多，例如，清華大學開發的雨課堂，即為混合式教學工具。教師端可實現課程資源分享，設立前導課，學生端可通過教師發布的練習或者觀看視頻完成練習。雨課堂還可以借助智能手機平臺加深師生互動，加強師生交流。教師可通過數據分析實時掌握學生的預習情況、學習進度，以及大多數學生的學習難點。將課堂上的時間更多的留給學生討論和實踐，增強學生自主思考的能力。

增加實驗課時，設立漸進式實驗內容。增加實驗課時，提高學生對實驗課程的重視，在實踐中講解理論，使得學生對知識點有更充分的理解，提高學習效率。機器人相關的課程通常在高年級中開設，參與實驗的學生被認為已具備一定的基礎知識和專業儲備，這正是培養學生理論聯系實際，提高實踐創新能力的好時機。實驗內容從驗證性實驗到綜合性實驗漸進式開設，實驗內容環環相扣，有利于培養學生在簡單工程問題中去思考復雜工程問題。在簡單的驗證性實驗階段，要求學生全員參與所有實驗內容，到中后期的綜合性實驗，引入下文的項目式學習。由于機器人專業涉及計算機編程、機械電子作圖、電子設計等知識，學生可在項目式學習中根據自己的興趣愛好或擅長的領域組隊完成項目。漸進式實驗內容由簡到難，有助于建立學生的自信心，激發學生的探索欲，有利于培養能力更強的學生。

實驗教學采用項目式學習。項目式學習在我國高校有較高的認可度，但目前的項目式學習仍傾向于教學內容，對學生的技能習得和探究習慣的培養還有待提高，因此項目式學習在教學設計和實踐質量方面仍需進一步提高。結合漸進式實驗教學，在實驗中后期，可適當增加實驗難度，綜合各知識點，將項目式學習引入。項目式學習應將實驗項目模塊化，減少理論傳授，增加機器人技術方面的訓練，教學內容實時更新，將新理念、新技術引入課堂。項目式實驗教學要求學生以小組的形式在教師的指導下查閱資料、收集信息、設計創新性方案、小組成員各自完成模塊內容并組合成一個綜合項目，最后實現目標功能以及展示匯報。項目式實驗充分體現了“以學生為中心”和以能力為導向的教學理念[6]。項目式學習旨在重點培養學生的自主創新能力，以及團結協作的能力。對相關競賽感興趣的學生在項目式學習中得到提前訓練，發揮各自擅長的部分，用課堂知識解決實際工程問題，提高學生學習的成就感。

應用虛擬仿真技術示教，提高教學質量。由于實驗設備成本高，實體示教難度大、時間長等問題，導致學生人均教學資源不足，教學效果差，降低學生的學習積極性。網絡技術不斷更新發展的今天，虛擬仿真技術在各個領域均有應用，將虛擬仿真技術與實驗教學相結合，電腦模型代替機械設備，用虛擬工業機器人代替實體機器人示教，可解決以上問題[7，8]。RobotStudio是ABB公司開發的工業機器人仿真實驗平臺，其強大的仿真功能可進行實時仿真以及對配套設備的控制，對于初學者來說，簡單上手，趣味十足。虛擬仿真技術將學生的編程與結果通過可視的界面顯示，以直觀的感受做實驗的過程，能更好的激發學生的學習動力、增強學習體驗，提高學生的學習興趣。采用虛擬仿真技術還可以減少教學過程中因操作失誤而出現事故，降低危險性，打破時間、空間的限制，提高教學效率和教學質量。對教師而言，虛擬仿真技術還可以將實體機器中不可見的部分或隱藏式的結構展示給學生，讓學生更好的了解機器人結構以及工作原理，教師還可以通過RobotStudio平臺的評估結果及時了解學生在實驗過程中的操作。虛擬仿真技術在機器人實驗中的應用使得教學手段豐富多樣，也降低了教師的管理難度。

多角度全方位考核，調節環節占比注重過程考核。不同類型的實驗類型設置不同的考核內容，針對驗證性實驗，則注重學生在課堂的實驗表現，作為實驗成績。利用互聯網平臺將課前預習、課后答疑和練習都納入平時成績中，教師通過互聯網平臺發布考核內容，以及收集考核結果，做到課前—課中—課后的考核全覆蓋。而項目式的綜合實驗則根據小組成員領取任務的完成度來考核，項目式綜合實驗不但看重最終結果，更注重過程以及團隊的協作能力。為避免團隊成員不貢獻只共享，每位組員按項目的模塊進行任務領取，各組員的完成度計入個人的實驗成績，團隊作品的完成度按百分比計入個人實驗成績。項目式實驗的平時成績主要由學生互評和教師評價組成，團隊成員在實施任務過程中的溝通協作能力以及解決問題的能力等都將作為評價標準。這種方式增加了學生危機感，避免“不勞而獲”的思想，也使得學生的個性化得到發展。

3 結語

為了應對智能信息時代的到來，“新工科”要求注重學生實踐能力和創新能力的培養。機器人技術作為一門跨學科的綜合性課程，其實驗課具有探索性和創新性的特點，機器人實驗課的改革探索是培養機器人專業學生的創新實踐能力的重要一環。設立前導課，減輕課堂教學負擔；增加課時，提高學生對實驗課的重視，循序漸進式的實驗內容可以降低學生的學習門檻，建立信心；利用線上教學平臺開設前導課，將課堂的時間交由學生自主探索；項目式學習提高了學生理論與實踐相結合的能力，也增加了學生參加學科競賽的經驗和競爭力；應用虛擬仿真技術降低了實體示教的成本并提高了教學質量；全方位的考核制度，為機器人實驗課程改革開拓了思路和方向。