創新能力培養的機器人專業系列實驗課程探索與實踐

栗 琳，鄭莉芳，馬 飛，劉新洋，孫 浩

（北京科技大學機械工程學院，北京 100083）

0 引言

機器人技術集數理、設計、機械、電子、計算機和其他學科于一體，在智能制造、資源勘探、國防、醫療等各個行業中發揮著不可替代的作用。機器人技術是新工科建設最具代表性的前沿交叉學科，也是新工科建設最重要的突破口［1～2］。在全球范圍內，歐美日等國都競相將機器人列為未來戰略新興技術，在“中國制造2025”中，機器人技術已經被納入國家戰略當中。為了滿足機器人技術人才的迫切需求，機器人工程專業應勢而生，截止到2021 年，國內共有301 所高校相繼開設機器人工程專業［3］。

機器人工程專業以培養適合產業發展需求的創新人才為目標，多學科交叉融合，因而要求更強的實踐性、綜合性、新穎性，實驗教學設計方案是否合理直接影響目標達成度。傳統實驗教學模式已不能滿足綜合素質人才的培養要求［4-5］。國內學者以學科建設角度提出了教學改革思路，如李瑞峰等［6］介紹了哈爾濱工業大學機器人專業人才培養的經驗，范良志等［7］從機器人知識體系角度針對不同類型的高校提出相應的建設策略，此外，有學者對具體實驗課程進行教學改革，如戰強等［8］以“能力培養”的主導思想，從教學內容和方法等方面對機器人教學進行了改革，另有學者采用多種教學手段，以提高學生的學習興趣和課程教學質量［9-10］。以上實踐教學研究仍多以“教師為中心”，而缺少“以學生為中心”的教學思考。

“以學生為中心”（Student-Centered，SC）的教育理念改革始于20 世紀80 年代，席卷了美國所有高校，這場運動目前仍在繼續。它提出新的教學范式，提高學生的學習能力，促進學生的發展［11-12］。SC模式特點是以學生發展為中心、以學生學習為中心、以學習效果為中心，即教師根據科學原理、針對學生學習特點與困難，引導學生積極投入，讓學生成為整個學習活動的中心，以學生能力培養為導向，最終實現學生學習成效的最優化。

基于SC教學理念，以我校機器人專業為例，針對創新實踐類課程面臨的問題，提出了具體教學改革措施及效果評估，在“產教融合，校企合作”建設途徑基礎上，從課程內容設計、教學模式探索、實驗平臺建設3 方面探討創新實踐課程設計策略，以滿足新工科背景下創新人才培養的要求。

1 實驗課程建設難點

（1）創新性的綜合實驗案例不完善。傳統意義上認為實驗教學是理論教學的輔助教學部分，通常幾個學時，以驗證性實驗為主。但是機器人創新綜合實踐課程是獨立實驗課，共計48 學時，涉及多個學科。因此，該專業綜合實驗教學必須轉變理念，在夯實專業綜合實驗基本技能的基礎上，加強綜合性、設計性實驗，實施自主開放的專業實驗教學模式。由于國內機器人專業建設尚處于探索階段，綜合性、創新性的實驗案例不足，成為亟待解決的關鍵問題之一。

（2）學科交叉的知識構成導致教學難度增大。一般實驗課開設在理論課程之后，認為學生先具備理論基礎知識，才能開展實驗。但是對于交叉學科而言，在所有涉及知識點的理論課都結束再進行實驗，會導致實驗課開設過晚，時間上落后于機器人相關比賽，影響學生積極性。因此，綜合創新的實踐項目需要師生共同努力，適應“做中學”常態化。實驗指導教師既有多學科知識儲備，又要有較強動手能力；學生也需要從被動到主動學習，從單科到多科自主學習的轉變［13］。

（3）考核形式有待改進。傳統實驗課的考核是通過既定格式的實驗報告來完成，但對于綜合性較強的機器人專業學生，單一的考核形式顯然不能滿足要求。機器人專業更注重實踐能力，能否完成既定設計目標，如機器人制作情況、功能完成度、設計中體系的創新度等，將過程性評價納入考核能夠對學生學習成效進行更真實全面的反饋。

2 SC理念下多方協同的機器人專業創新綜合實踐課程設計

基于SC 理念，對我校機器人工程專業機器人創新設計與綜合實踐系列課程的內容設計、教學模式探索、實驗平臺建設3 個維度進行了全面、深層次的研究。

2.1 覆蓋本科全程的項目式系列實踐課程內容設計

圖1 所示為課程知識體系架構，機器人創新設計與綜合實踐系列課程分為上、下兩個階段，創新設計與綜合實踐（上）面向大一、大二學生，完成基礎機器人的制作，以項目形式開展，應用機械套件搭建本體結構、TTL傳感器應用、電機控制及Arduino 控制程序的編寫。項目開展期間學生知識儲備有C 語言程序設計、控制技術、機械設計基礎。項目層層遞進，由掃地機器人、循跡機器人至擂臺機器人。創新設計與綜合實踐（下）面向大三、大四學生，完成特定功能的中高級智能機器人的應用。仍以項目形式開展，項目開展內容包括移動底盤結構設計、ROS（Robet Operating System）主流操作系統、機械臂的正、逆運動學建模、SLAM（Simultaneous Localization and Mapping）導航技術及機器視覺算法。項目開展期間學生理論基礎包括機器人學、機器人結構設計基礎、嵌入式系統及機器人視覺。項目包括清潔機器人、室內巡檢機器人、自動跟隨等，也可自擬題目或結合大賽選題。

圖1 創新實踐系列課程架構

2.2 以學生為中心的多手段融合互動立體化教學模式

（1）SC理念下融合項目教學法、同伴教學法及探究式教學法等多手段教學方法。教師要以學生為中心，把學習機會盡可能留給學生，培養學生自學能力，教師要始終考慮的是如何幫助學生學習，如何為學生學習提供組織、引導、幫助和“腳手架”（包括必要的講授）［14］。創新實踐系列課程分小組完成，每組3 人。首先，教師建立資源庫，整合每個實踐項目的知識點。領取項目后，學生需自行完成資源庫預習，根據自身知識結構自學，課內學時中教師通過引導式教學來完成知識點的重點講解。此外，課上通過小組討論及師生討論促進學生對項目的理解。最后，創新設計與綜合實踐（上）以擂臺機器人項目課內擂臺賽的形式呈現，學生表現出對新知識、新技術的極大興趣，花費了很多時間在課后討論、調試。創新設計與綜合實踐（下）課內學時結束后，學生選題結合SRTP（大學生科研訓練計劃）創新平臺繼續開展項目，作為相關機器人比賽的項目孵化基礎，達到持續貫通目的。

（2）建立線上課程輔助學習平臺，發揮教學資源庫輔助教學的作用。使用“云班課”作為線上輔助學習平臺，能上傳資料、線上開課時輔助簽到、課后作業提交和評分。教師將整合的知識點及每個項目涉及的詳細資源都存儲在資料庫中，內容包括視頻、PPT、指導書、硬件使用資料和代碼例程等。學生通過該平臺有針對性地預習；通過線上查閱資料，分組討論、與老師互動，并與小組成員共同完成后，在系統上提交視頻和項目報告書，項目完成形式更加開放和自主。

（3）持續優化改進教學項目內容。對于新興交叉專業的建設，要有不斷完善改進教學項目或方式的心理預期。首先，緊跟行業動態，與企業保持溝通，持續不斷地將機器人領域最新的實驗項目和技術動態引入教學中，使學校教育緊跟產業技術需求［15-16］；其次，收集來自學生的反饋意見，從對教師的教學建議中完善教學的不足，思考如何改進方式方法。

（4）引入多方資源，建立多方協同育人機制。將多方資源引入創新實踐系列課程教學，從學校、企業、多元化社會主體、政府4 個層面拓展資源，借助學校相關優勢學科、平行學院、前沿企業汲取優秀實驗案例，借助教育部協同育人平臺，產教深入融合，參與課程大綱討論、教學實踐項目的內容、實踐基地建設、參與項目和大賽的課外指導及師資培訓。圖2 所示為我校創新實踐課程產學合作的具體框架，課程組教師和企業共同開發自制設備已在其他實驗課中應用，校企合作共同編制校內講義和規劃教材，企業捐贈ROS移動底盤平臺，將教學內容與企業對人才的訴求相結合，建立長效化的校企合作機制，形成共贏局面。

圖2 多方協同育人框架

（5）完善教學評價體系。SC 理念更注重學生的學習效果，與傳統單一的考核形式相比，應構建以學習效果為中心的教學評價體系。對學生的考核包括項目考核和過程考核兩部分，項目考核中突出學生動手實踐能力考察，如機器人功能的完成度、項目總結的實踐反思，有助于提高學生的綜合實踐能力與技術水平的提升。二是將過程考核納入到學生考核中，如項目中個人的貢獻，包括開放實驗室的出勤、方案技術的檢索查新、課上方案討論互動、隊員間的溝通協調工作。此外，將學生對課程的反饋納入教學評價，促使教師對教學不斷完善與反思。

2.3 開放性實驗項目平臺建設

機器人創新系列實踐課程離不開硬件設備支持，硬件平臺隨不同的實驗項目也有所區別。例如，基礎機器人制作涉及機械構件、傳感器、控制開發板、電動機等一些小件，按組分發給學生，并開放實驗室，學生可獲得更高的自由度來開展實驗項目。STM32 控制板、智能底盤、深度相機、激光雷達等設備根據學生比賽需求，開放共享給學生。其次，中高級的機器人項目在課內學時結束后仍可以繼續，結合SRTP 創新項目及各類大賽題目開展實驗活動。依托該課程，組織學生參加機器人專業相關比賽，以提高學生的學習熱情，培養其探索與創新的能力。此外，依托校企實踐基地開展學生進企業參觀實習，與企業工程師進行直接交流，獲得直觀的感受和專業學習建議。

3 實踐效果

我校機器人工程專業每年招收一個試驗班，共計30 人，該創新實踐系列課程已經在2018 級學生實施完成。通過對2018 級學生實踐項目效果和評價反饋對該課程建設成效進行分析。

3.1 實踐項目效果

擂臺機器人項目以課內賽的形式展現，激發學生的項目熱情，以賽促教，技術能力提升的同時學生也收獲了實戰經驗。80%的學生將中高級機器人實踐項目孵化為校內SRTP 創新項目，對科研產生了濃厚的興趣。優秀學生在該創新實踐項目的基礎上，通過層層選拔進入校智能車隊和校機器人隊，并代表學校參賽，斬獲2021 ROBOCON 全國大學生機器人大賽亞軍、2021 全國大學生智能車競賽冠軍，并代表中國征戰亞太大學生機器人大賽。學生累計獲得“智能車”、RoboMaster、ROBOCON、高校智能機器人創意大賽等國家級獎項32 項，“挑戰杯”首都賽區特等獎、“互聯網+”大賽北京賽區二、三等獎在內的省部級獎項42項。4 年來，該試驗班學生參加機器人相關的各級比賽，參與率100%，獲獎率為100%。此外，基于創新實踐項目，學生發表SCI期刊論文2 篇，EI論文1 篇，獲批專利成果3 項。由此可見，“以學生為中心”的創新實踐項目對創新人才的培養發揮了積極作用，學生自身各項能力得到發展，學習效果明顯增強。

3.2 評價反饋

在學生對課程反饋上，問卷調查包括創新實踐系列課程的整體以及過程評價的好評占比，包括線上資源庫、機器人項目內容設計、教學模式、實驗環境的評價的好評占比見圖3。學生對教學模式評價最高，其次是實驗環境和項目內容設計，線上資源庫尚需完善。認為該教學模式能按照自身情況靈活選擇開展時間，擁有令人滿意的硬件配備和開放實驗室，有了更強的學習意愿，動手能力的提高增強了其參加大賽信心。由此可見，SC教學理念下的實踐課程建設得到了學生認可。

圖3 創新實踐系列課程調查的好評占比

4 結語

機器人工程專業以培養適合產業發展的創新人才為目標，多學科交叉融合，在課程設置上相比傳統工科專業具有更強的實踐性、綜合性、創新性。機器人創新實踐系列課程正是順應培養目標而設立的實踐教學課程。該系列課程引入“以學生為中心”的教學理念，針對目前新專業實踐教學中存在的問題，在尊重學生學習的規律和特點基礎上，引入企業最新優秀案例，革新課程內容設計，以項目形式覆蓋本科全程來組織課程教學。結合線上資源庫，融合探究式、同伴式等多手段教學方法，產教深度融合，構建合理的教學評價體系，實行以學生為主體，多方協同育人的教學模式。教學中將項目任務留給學生，而教師只扮演設計者、組織者、引導者，為學生學習提供組織、引導、幫助和“腳手架”。實踐證明，“以學生為中心”的交叉學科課程設計充分調動了學生學習的積極性，提升了其創新能力與綜合實踐能力，符合對新工科背景下高校創新人才培養的要求。