后疫情時代機器人混合式教學模式探究

任海川，李騰飛，李金寶

(鄭州大學 電氣與信息工程學院，鄭州 450001)

2020 年初，一場突如其來的新冠肺炎疫情在全球爆發并開始蔓延，給人們生產生活造成了嚴重的影響，包括經濟領域、社會領域、教育領域等方方面面，完全打斷了人們的正常生活、學習和工作。面對全國各級學校無法正常開學的新挑戰，教育部要求各高校在防控疫情期間做好各項線上教學工作，利用超星、釘釘等網絡平臺，實現“停課不停教、停課不停學”。全國各高校根據教育部的指示推出適合疫情背景下的線上教學方案及模式，引導廣大教師提前熟悉線上教學模式。

目前，我國的新冠肺炎疫情已經初步得到有效控制；但考慮到新型冠狀病毒的反復性和其他突發性衛生事件發生的可能，線上線下混合式教學模式能夠應對更加廣泛、靈活的教學環境和不同的學生群體；在后疫情時代，各高校不同專業開展線上線下相結合的混合式教學成為必然的發展趨勢。

一、機器人教學研究背景及問題

(一)機器人的發展現狀及趨勢

新型冠狀病毒在全國蔓延，最有效的方法是通過隔離來盡量避免人與人直接接觸造成交叉感染。因此，無人化技術尤為重要，如無人化進行物流、外賣的配送，基于云平臺的辦公模式等非接觸模式逐漸興起。其中，機器人作為無人化技術的重要載體，在社會生活的諸多領域逐漸承擔著不可或缺的角色。在疫情爆發期間，采用高自主化的各種機器人完成多項高風險工作，如只用十天幫助工人火速建立醫院，兩天內輔助運營商完成移動寬帶和5G 基站建設；智能配送機器人、智能消毒殺菌機器人等不同類型的機器人在社區、醫院等地方的防控中發揮著重要作用。在后疫情時代，隨著5G 時代到來，5G 網絡及基礎設施在國內城市逐步完善，機器人將進一步深度融入到醫療、教育、配送、零售等更廣泛的行業中。因此，機器人相關課程在高校設立和新的學習模式研究與探索尤為重要。

隨著新工科建設的高速發展，近年來諸多高校紛紛成立機器人學院及機器人特色專業，培養高水平的機器人相關科技人才，滿足社會對機器人高水平人才的迫切需求。機器人教學綜合電氣工程及自動化、材料科學、機械工程、計算機科學與技術、數學、物理、人工智能和工業設計等多學科交叉，用于培養學生通過數學、物理、藝術等多基礎學科知識獨立解決機器人相關科學、技術與工程問題的復合能力。機器人因其學科的交叉融合性和實踐操作性，被認為是一門融合多學科的教育學科，能夠幫助教師將數學、科創、工程技術與實踐和藝術設計素養置于學生投身并理解的情境中，具有良好的教學研究與實踐價值。

(二)機器人教學模式探究

從2009 年開始，美國率先探究多學科融合的機器人教學模式，其教學模式有著多種多樣的形式，不僅有課外實踐活動和實驗設計，還有很多的機器人競賽活動。德國、日本雖然比美國起步較晚一些，但是極其重視機器人產業化的發展，他們結合自身實際情況，探索多學科融合的教育模式，普遍設立機器人課程、高水平機器人研究會以及機器人教育協會，并且每年定期組織針對不同學齡學生開展機器人教學與比賽，促進機器人教育的快速發展。在互聯網時代的背景下，很多國內學校都開設有機器人相關教學課程，并且對機器人教育有了一定的研究成果。一些高校在機器人教學概念辨析、教學設計、實驗實踐、實施方案、教學與新技術融合等方面進行研究并取得了一定的進展。但在課程設置、教學模式、資源整合與評價體系等方面仍存在很多問題與挑戰。

傳統模式的機器人教學通常是以教師課堂講授為主，即老師面對多名學生在教室授課的形式進行教學，其特點是老師與學生直接面對面的交流，老師通過觀察與課堂提問等形式，能夠實時直觀了解到學生上課的基本狀況，及時發現學生課堂上的關鍵問題并糾正，學生之間的學習氛圍與上課狀態也能夠相互影響。因此，傳統的教學模式在師生間、學生間的雙向交互、情感交流方面上有先天的優勢。

但是傳統教學模式也存在很多問題，如教師在課堂上的授課方式單一，授課時間受限，教學內容相似且涉及知識面很有限，無法滿足不同專業學生對于機器人相關課程的多元化需求，而且限制了教師的創造性思維，因而，不能很好地激發不同專業學生對機器人課程的學習興趣。在機器人的實踐教學過程中，大部分高校的機器人硬件設備有限且價錢十分昂貴，不能保證每名學生在實踐操作過程中都能同時進行操作。如果在實驗前學生不經過有效的實踐操作培訓，會造成不必要的安全風險與損失。此外，課下學習也是機器人教學的重要環節之一，現階段主要以學生自主課前預習、完成教師布置的作業及課下答疑為主，師生多元型討論與學生分組學習等教學方式匱乏，亟待改進。

近幾年隨著國內互聯網技術的快速發展，線上線下混合學習模式在一些高校的重點專業進行了初步實踐。這些探索及研究表明線上線下混合教學能夠有效改善教學模式單一、授課時間受限和教學內容相似等傳統教學中的突出問題，并將大數據時代下的各種最新前沿科學成果和知識及時傳授給學生，提升學生的興趣與專注力。特別是在新冠肺炎疫情隨時可能規模性爆發的后疫情時代，對高校在教學模式上如何大膽改革，更好地開展學科教學與實踐，降低教學過程中的師生疫情交叉傳染風險，提高教學質量與學生的沉浸式混合式教學體驗，提出了嚴峻挑戰。因此，機器人課程的線上線下混合教學的開展與實踐成為了機器人教學的必然發展趨勢。

然而，面對后疫情時代，現有線上線下混合式教學模式仍然面臨很多挑戰。首先，師生需要對新的混合式教學模式有一定的熟練程度。特別是新冠病毒肺炎疫情來勢迅猛，給教師授課與學生學習生活帶來了巨大的影響；很多教師在平時的授課中，普遍采用線下課堂講解為主的教學形式，并不能熟練地掌握線上課程軟件的使用，線上教學效率與效果并不理想；同時，學生也需要熟悉新的教學模式帶來的學習習慣與方法上的很多問題，如直播教學與課程視頻回放的交叉學習、線上作業與問題反饋等，這為混合式教學模式的全面開展提供了新的挑戰。其次，混合式教學對學習平臺及其功能要求大幅提升。雖然現有的互聯網通信技術已經基本成熟，但5G基站數目較少且成本昂貴，當大量師生同時在線上學習時，經常會影響語音與視頻的傳輸延遲，造成卡頓甚至是系統癱瘓；因此，需要師生們提前測試自己的網絡，避免由于網絡問題影響線上學習與實訓教學等。此外，教師也需要提前做好預案，上傳教學視頻及資料，可以為學生的線下預習、自主學習與復習提供條件，盡量避免由于網絡問題造成的教學問題，保障教學質量。最后，不同專業學生對于課程學習的個性化差異較大。隨著機器人技術在生產生活的普及，國內很多高校不同學科都開設有相關的機器人課程，但由于機器人課程涉及多學科交叉，不同學科機器人課程教學的目標與內容有所差異，如課程章節內容設置、仿真實驗、課程實踐設計和課下作業等，現階段以不同專業學生個性化需求為中心的線上線下混合式教學模式與實踐嚴重缺失。

因此，本文通過在鄭州大學搭建機器人泛在學習平臺，可實現機器人課程(如筆者現在鄭州大學開設的機器人運動控制、機器人學等課程)的線上線下混合教學，將理論教學、機器人仿真實驗、課程實訓與科創相融合，探索并實踐滿足不同專業學生個性化需求的機器人課程混合式教學改革，也可為其他學科的混合教學改革提供參考。

二、構建機器人泛在學習平臺

針對上述混合教學模式存在的現有問題，本文研究構建面向機器人課程的泛在學習平臺，更好地實現在后疫情時代不同專業學生的機器人課程教學改革，探索線上線下混合教學的新思路與新方法。

機器人泛在學習平臺主要有三大模塊，教學端、管理端和考試端，總體設計框圖如圖1 所示。

圖1 泛在平臺三大模塊總體設計框圖

1.教學端主要包括平臺使用講解模塊、網絡模塊、授課模塊和虛擬仿真模塊等功能。平臺使用講解模塊能幫助師生了解如何創建班級、教學、考勤和分組，以及討論、線上線下聽課與指導和完成作業與考試等功能，使師生很快熟悉新的混合教學模式。此外，該平臺是依托鄭州大學內網所構建，師生通過校園賬號來登陸使用平臺，管理規模及人數整體可控，解決了師生在教學過程中存在的網絡不流暢及數據傳輸如視頻卡頓等現象。老師在教學前可將上課所需的視頻、課件和作業等資料上傳到該模塊，并在授課模塊進行視頻授課、互動和簽到等。根據教學計劃，老師可基于虛擬仿真模塊與學?，F有的機器人平臺進行連接，進行虛擬機器人仿真教學與實訓講解。學生也可在泛在學習平臺根據自己情況，進行機器人課程計劃制訂、翻轉學習及復習等，實現隨時隨地的個性化教學。

2.管理端包括教務管理、課程設計及分組、資源管理和評價管理等功能。教務管理模塊是對老師授課學生聽課情況進行實時監督，保障課程教學質量與管理效率。基于課程設計及分組模塊，師生根據教學計劃與實際學習的情況進行線上線下分組，完成翻轉教學與個性化教學；師生也可根據分組情況，錯時進行線上線下實訓教學。資源管理模塊是將校本資源庫、專業教學資源庫等資源庫與該平臺鏈接，來擴充課外知識的廣度，滿足師生對新知識的需求。評價管理模塊是將學生對老師和課程的教學質量的反饋進行統計，并及時進行分析，調整課程安排，進一步提高教學質量。

3.考試端包括題庫模塊、考試模塊和統計分析模塊等。題庫模塊可以幫助學生進行課下知識鞏固與考前準備，也可為老師考試出題提供更多的參考。在考試模塊中，教師可進行隨機考題發布，避免學生抄襲；學生可直接在線上完成考試，老師在平臺上直接進行評卷。最后，老師將考試成績上傳到統計分析模塊，該模塊可自動完成學生成績的匯總與分析，給出每個人的學習分析報告，提高工作效率，也便于師生有針對性地規劃學習與提升能力。

三、基于泛在學習平臺的機器人混合式教學的具體方案與方法

在后疫情時代，隨著5G 等互聯網技術的高速發展，構建的機器人泛在學習平臺可實現線上線下混合式教學，打破了一個老師、一個黑板、幾只粉筆、一本書的傳統教學局面，改變了傳統教學模式受時間和地點的限制，既可線上師生教學互動，也可以線下學生分組討論、預習、復習與翻轉學習，豐富了機器人課程教學方式、內容與方法，為師生提供更加靈活、更加安全的教學環境。

1.構建機器人課程混合式教學模式。通過搭建泛在學習平臺，實現機器人課程的混合式教學模式，包括課程在線考勤、離線(在線)課程講解和復習、課程討論、課件分享、課程題庫和考試、在線仿真操作、學生分組與自評等功能，可實現在手機等移動端的課程線上教學、翻轉教學、離線學習、分組討論與自評及作業，能在后疫情時代保障教學質量的前提下，降低師生疫情傳播風險。此外，老師可根據學生線上實際的學習情況，在線下進行對線上遺留的知識難點進行講解答疑，實現學生對知識的完全掌握，體現出混合式教學的這種互補優勢，突破學生年級與專業限制，達到個性化教學的目的。

2.機器人課程教學內容及策略。首先以不同專業學生需求為出發點，制訂不同層次的課程教學內容與策略及個性化教學評價方法。依托上文中提出的已構建的機器人泛在學習平臺，通過對學生進行線上問卷調查與線下需求征集，充分掌握學生對機器人課程的個性化需求，智能推薦滿足不同專業學生需求的教學模式、內容、策略與評價方法，并進行學習討論分組，便于機器人基礎知識和虛擬仿真實驗的交流與安排；師生也可通過自主溝通優化相應的機器人課程教學模式、內容、策略與評價方法，更好地滿足學生實際的學習需求。

基于機器人泛在學習平臺，采用線上線下的混合教學，可實現學生對機器人基礎知識的翻轉學習；基于數據傳輸的4G/5G 互聯網等技術，可實現機器人混合式教學的高質量學習資源的可靠傳輸，實現后疫情時代機器人課程的學習空間融合，既包括物理空間之間的融合，也包括物理空間與虛擬空間的融合，及虛擬學習模式之間的融合等，促進學生在不同情景下的自主學習、小組協作與討論，實現無縫感知與強交互，使個體學習、小組協作學習等在虛實空間隨時隨地發生，提供給學生高沉浸式的混合教學感知，真正實現任意地點、任意時間的個性化學習，極大培養和提升學生的自主學習與動手能力。

3.課前準備。根據不同專業和基礎的學生問卷調查后，將學習程度相同的學生進行自我或師生共同討論來選擇最佳的課程分組進行學習。確定分組之后建立微信群、QQ 群+機器人混合式教學模式來完成學習。根據課前發布的預習課件，學生可以自主選擇課程預習，實現翻轉學習。學生提前進入教學端模塊功能進行隨機點名，由班長記錄系統中到課人數，并在微信群、QQ 群通知未進入直播間的學生進入直播間，以便進行課前的測試和上節課知識點的復習。

4.授課情況及策略。在鄭州大學構建機器人泛在學習平臺，實現線上與線下混合式教學模式，完善現有的傳統上課模式，進一步提升師生的課堂互動、學習氛圍和自主教學等各方面水平。在教師團隊中選擇有著多學科專業研究背景，覆蓋機器人所涉及的多個交叉學科且擁有多年豐富的機器人相關學科教學的人員，確保良好的教學效果。

老師可以根據學生對線上課程內容的理解和掌握情況，在線下授課時對復雜難懂的知識點進行線下有規劃的重點授課，提高教學效率。老師也可以在線下授課的過程中，根據學生在線上學習的教學反饋，面對面給出指導建議等，增加學生與老師的互動，提升學生的參與主動性，激發學生的學習興趣?；贠penCV、MATLAB/simulink、ROS 等仿真軟件和搭建機器人虛擬仿真實驗的線上教學模式，并與鄭州大學電氣與信息工程學院現有的開源機器人系統(如遨博協作機器人、雄克機械臂、李群自動化并聯機器人、機器人驅動控制平臺等)實現軟硬件通信，為學生機器人課程的虛擬仿真實驗與工程實訓提供理想平臺；根據上述的課程分組情況，通過機器人泛在學習平臺教學模式的在線學習、分組討論與自評和在線虛擬仿真功能，師生可更加合理規劃線下的機器人課程仿真實驗與實驗室實踐教學，在保障課程教學進度的前提下，實現師生的分批分流，降低疫情傳播風險，滿足不同學生實際需求的同時，提升老師線下實訓教學的效率。此外，針對學校不同專業學生對于機器人科創的濃厚興趣，將其納入機器人課程延展教學對象中，也可為高校機器人科創學生的選拔、培訓與自主學習提供模式。

5.課后學習及考試。傳統的授課方式在老師課堂上授課完成時，也代表著所講的內容結束，這種模式不能滿足學生之間的差異性需求，不能很好提升學生的自主學習能力，而線上線下的混合式教學可以根據上述所提到的根據不同層次的學生需求進行協作分組，滿足學生個性化的訴求；并借助已搭建的機器人泛在學習平臺，可使得學生們在自己的自由時間內任意地點、任意時間進行預習、回放復習和虛擬仿真操作等。根據學生的混合模式學習情況及學生自評，然后智能推薦根據個人需求來進行布置作業，考試題目采用隨機抽題派發模式，既能夠避免學生抄襲，又能夠提高學生的自主學習能力。

四、結束語

本文通過搭建機器人泛在學習平臺，實現混合式教學模式，研究并實踐了機器人混合式教學模式的具體方案與方法。師生能夠在后疫情時代背景下，可隨時隨地完成機器人的個性化教學、翻轉學習、仿真實驗、實踐訓練等線上線下混合式教學活動，使學生在動手實踐中更好地理解在機器人課程中學習到的理論知識，不斷激發學生學習機器人知識的積極性，在保證教學質量的前提下，降低師生之間的疫情傳播風險。此外，該混合模式的機器人泛在學習平臺也能夠為學生參加各類機器人競賽提供相關機器人課程個性化學習與多元交流的技術支持。