項目驅動教學模式在《機器人學應用實踐》課程中的探索與實踐

吳青聰 陳 柏 吳洪濤

南京航空航天大學機電學院，江蘇 南京 210016

隨著信息化、工業化不斷融合，以機器人科技為代表的智能產業蓬勃興起，成為現代科技創新的一個重要標志。機器人的研發、制造、應用是衡量一個國家科技創新和高端制造業水平的重要標志，機器人有望成為新一次工業革命的切入點和重要增長點。然而，與發達國家相比，我國機器人研究起步稍晚，機器人教育相對薄弱，相關人才缺口依舊很大，極大制約了我國機器人產業的發展速度。為此，培養適應現代機器人技術發展需要的創新型、復合型新工科人才極為緊迫。

一、項目驅動式課程教學的必要性

《機器人學應用實踐》是南京航空航天大學機器人工程學專業的專業必修核心課程。學生通過該課程應掌握機器人機械結構、運動學、動力學、軌跡規劃、驅動系統、控制系統等方面的專業知識及應用方法。在該課程的教學設計中，教師需加強實踐教學改革，注重學生的創新實踐能力的培養，為學生學習后續的其他專業課程打下牢固基礎。然而，在現階段，該課程存在以下問題：1．課程教學設計無法滿足專業教學需求。《機器人學應用實踐》是一門綜合性和實踐性較強的課程，高校傳統單一的教學模式在引入實踐教學環節后，將面臨課時數不夠的問題，導致教師無法完成所有的教學內容教學，教學質量和教學效果不佳。2．實踐教學沒有完全融入到教學設計中。高校傳統的教學模式大多是老師對學生填鴨式的灌輸理論知識，實踐教學環節形式主義較嚴重，未完全融入到教學設計中，很多學生體驗不到理論知識與實踐操作緊密結合的關聯性，導致學生對專業知識的理解還停留在表面，缺少實際操作經驗和綜合應用能力［1］。3．學生學習積極性不高。自動化工科類專業課程概念抽象，內容多且復雜，學習難度較大；課堂理論主導，教學缺乏實際操作能力和動手能力的培養，導致課堂教學氛圍枯燥、乏味，學生對學習產生厭倦心理，無法達到預期的教學效果［2］。

為此，在《機器人學應用實踐》的教學設計中，教師需要對教學方法、模式進行改革和創新，探索項目式實踐教學的新模式，促進學生的個性化發展。

二、項目驅動式課程教學模式的實施方法

現當下，在我國的高校教學模式中，項目驅動式教學法一般是指教師帶領學生圍繞一個真實的項目進行實踐、設計和研究，以此加強學生的自主學習能力、團隊合作意識、創新思維和解決問題的能力［3］。本課程以學生為中心，以科研項目、科創項目和科創競賽為牽引組建知識體系，以跨學科校企合作教學團隊為師資力量，充分利用“翻轉課堂”“線上線下混合”教學方法以及微課、慕課線上教學資源，圍繞項目傳授基礎知識，探索理論教學+實踐教學的新模式。該教學模式將晦澀的專業知識與項目設計開發融合在一起，激發學生的學習積極性和創新思維，培養實際操作能力和綜合應用能力，并促進教師的科研研究，實現教學相長［4］。該教學模式技術路線如圖1 所示。

圖1 以項目為驅動的教學模式實施技術路線

（一）構建多維度完善的課程體系

《機器人學應用實踐》課程圍繞機器人技術的基本原理、前沿技術及其典型應用，將教學內容劃分為6 個子專題，構建了層次分明、完善立體的多維度的課程體系，包括：機器人機構學、機器人運動學與動力學、機器人感知與驅動、機器人控制、機器人仿真分析、機器人系統集成與應用。通過該課程的學習，學生可以具備較為全面的機器人技術理論知識和實踐能力，并能開展機器人課題研究、項目開發、科創競賽等創新實踐活動，為今后參加實際工作打下堅實的基礎。

（二）搭建平臺加強教學建設

課程配備了完整的機器人學線上教學平臺資源，教學團隊主編了工信部“十四五”規劃教材《機器人技術基礎與應用》，建設了南航智能機器人設計與實踐大學生主題創新區，搭建了智能裝備與機器人創新實踐平臺，為項目式課程的順利實施奠定了基礎。在師資團隊建設上，注重優化師資隊伍結構，加強專兼職相結合的實踐型創新創業師資隊伍建設，為學生開展多元化的雙創教育提供師資保證。指導教師長期致力于機器人領域的教學與研究工作，教學水平和科研能力突出，大學生科創指導經驗豐富，保障了項目式課程的高質量開展。此外，邀請多位機器人龍頭企業中具有豐富工程、企業經驗的企業導師，組成跨學科校企合作教學團隊，為項目式課程的課題設置與實踐指導提供一線經驗。

（三）線上線下混合的教學方法

在教學設計上，《機器人學應用實踐》課程以學生為中心，以項目為驅動，采用“翻轉課堂”與“線上線下混合”的教學模式，將課程知識、競賽內容和實踐經驗以項目化的方式融入專業課程教學［5］。

線上教學部分，學生充分利用微課、慕課等優質線上教學資源，結合相關先修課程基礎與教學團隊編寫的紙質教材，采用“學生為主、教師為輔、線上線下混合”的方式掌握課程基礎知識點，并基于項目要求撰寫線上學習心得與項目預期實施方案。課前的自主學習有效解決了學校教學設計課時數有限的問題，充分體現了學生為主體的作用。

線下教學部分主要分為三個階段。第一階段是項目式課程的任務布置階段，授課教師將學生分為若干個組成合理的學習小組，結合學科的前沿研究動態、教師科研項目需求、企業產品開發需求、大創項目申報計劃以及各類大學生機器人競賽要求，設置多個科創項目課題和競賽課題，由每個學習小組認領一個機器人項目作為課程實踐教學的主體，開展項目學習與研究工作，小組成員負責不同的研究重點，如結構設計、仿真分析、傳感檢測、驅動控制、硬件開發、系統集成等等。

第二階段是項目式課程的執行指導階段，教師根據項目進度，安排若干次線下課程答辯環節，每個學習小組結合線上學習的基礎理論知識與線下開展的項目研究成果，按照不同的專題項目，向教師和其他學習小組匯報項目研究方案與進展。教師采用啟發式、探究式、案例式、演示法、對比法等教學方法，結合課程知識點，對其進行點評與指導，并通過組內和組間研討，促進師生互動，激發學習興趣。

第三階段是項目式課程考核驗收階段，教師組織各個小組的項目結題答辯，并根據項目方案、項目成果、答辯效果以及學習總結材料，進行項目式課程的最終成績評定。進一步遴選有潛質的優質項目開展后續更深入的研究。

（四）考核方式

在項目驅動式教學模式下，教師注重學生從發現問題、分析問題到解決問題全過程能力的培養。本課程采用了全過程、多元的評價方式和指標。課程考核內容主要包括：線上學習心得總結材料（基于分配的具體項目任務）、各個階段的項目答辯成績、項目完成質量、項目研究成果（實物樣機、三維模型、仿真和實驗數據、參加的各級競賽成績、獲批的大創課題等級等）、項目結題報告等。各個小組團隊對項目成果進行展示，同學進行評價，任課教師和企業教師根據項目式教學大綱，結合學生在項目各階段的表現對學生的能力進行綜合考核，達到過程考核的標準和目標考核的標準［6］。項目式驅動式課程考核內容與分值比例如表1 所示。

表1 項目驅動式課程考核內容與分值比例

三、實施效果

經過不斷探索與實踐，項目驅動式實踐教學模式充分激發了學生學習的興趣和積極性，提高學生的實際操作能力和綜合應用能力。學生結合項目驅動式課程內容，依托學校成立的“機器人俱樂部”“機器人研創班”以及學校開展的各項機器人相關大學生科技創新及競賽活動等資源，形成了以科研項目、科創項目、科創競賽為驅動的學習氛圍。近年來，學生在“挑戰杯全國大學生課外學術科技作品大賽”“全國機械創新設計大賽”“全國大學生機器人大賽”“中國機器人及人工智能大賽”等重大賽事斬獲國家級競賽獎項30 余項，省級競賽獎項50 余項。項目驅動式實踐教學模式有效提升了課程的教學質量，達到了預期的課程教學目標，促成了專業人才培養目標的實現。

四、結語

以科研項目、科創項目、科創競賽等實踐項目為驅動的教學模式有效激發了學生的學習興趣與動力，提高了自我學習能力與協作能力，并取得了良好的教學效果。文章以《機器人學應用實踐》項目式實踐教學為案例，探索了項目式驅動實踐教學新模式在人才培養的意義。與傳統的教學模式相比，項目式實踐教學新模式解決了課時數不足、教學模式和考核方式單一等問題，同時注重培養學生專業理論知識與實踐項目有機結合，引導學生主動發現問題，并且通過查閱資料、動手實踐、綜合分析等過程，最終解決問題并得出結論，教學設計形成閉環。在項目實踐的過程中，該模式在實現學生線上自主學習和知識拓展深化、教師線下指導和解決問題的基礎上，突出了以學生為中心的個性化培養的教學優勢，對提升機器人工程專業的人才培養質量具有重要的意義。