新工科背景下智能機器人課程多元混合式教學(xué)改革與實踐

徐 詠，覃曼萍，唐毓納，彭建盛

（河池學(xué)院 人工智能與制造學(xué)院，廣西 宜州 546300）

0 引言

智能機器人設(shè)計與制作課程是一門面向人工智能、電子信息工程和電氣工程及其自動化等新工科專業(yè)的必修基礎(chǔ)課，圍繞機器人理論、機器人設(shè)計與調(diào)試、常用傳感器應(yīng)用和算法編程，通過機器人及其應(yīng)用裝置搭建、軟件編程、控制和機器人巡航等多任務(wù)進行教學(xué)和實驗，是后續(xù)人工智能和嵌入式技術(shù)應(yīng)用與開發(fā)等專業(yè)課程的理論基礎(chǔ)和工程基礎(chǔ)。因此，課程教學(xué)團隊十分重視智能機器人課程建設(shè)，早在2015 年就啟動該課程的線上教學(xué)探索。經(jīng)過多年的教學(xué)實踐，該課程先后被評為校級專項建設(shè)課程、廣西高校精品視頻公開課和在線開放課程。

經(jīng)過多年課程建設(shè)實踐，智能機器人課程教學(xué)團隊、教學(xué)內(nèi)容和資源已經(jīng)相對穩(wěn)定和完整，但仍存在下列問題：①教學(xué)方式單一。該課程仍采用理論課與實踐課分開的傳統(tǒng)教學(xué)，教學(xué)方式單一和孤立，學(xué)生被動學(xué)習(xí)，教學(xué)只注重知識傳授和操作實踐，缺乏對過程、技能和方法的培養(yǎng)；②教學(xué)內(nèi)容縱深不足。由于課程建設(shè)較早，課程內(nèi)容陳舊和知識點多，且受學(xué)時限制，教學(xué)與實踐的覆蓋面較淺、深度不夠，缺乏結(jié)合實際工程項目，部分學(xué)生停留在“照著做”模式，能完成機器人組裝和編程，但無法解決遇到的問題和多功能設(shè)計；③教學(xué)考核評價單一。受傳統(tǒng)教學(xué)模式、教務(wù)流程和設(shè)備信息技術(shù)水平等因素影響，教學(xué)考核仍是通過教務(wù)系統(tǒng)錄入學(xué)生的平時成績和期末成績，教學(xué)評價是結(jié)課后在教務(wù)系統(tǒng)上進行的同行評價、學(xué)生評價和教師自評，不利于學(xué)生個性化學(xué)習(xí)需求和教學(xué)過程持續(xù)改進。

為主動服務(wù)“中國教育現(xiàn)代化2035”、“一帶一路”和廣西創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展等重大戰(zhàn)略實施，河池學(xué)院主動對接廣西產(chǎn)業(yè)發(fā)展，在專業(yè)人才培養(yǎng)過程中融入新一代信息技術(shù)和智能制造技術(shù)，新設(shè)人工智能專業(yè)，升級改造電子信息工程和電氣工程及其自動化等傳統(tǒng)工科專業(yè)，培養(yǎng)符合地方產(chǎn)業(yè)發(fā)展要求的復(fù)合型新工科人才。特別是學(xué)校的“電子信息”學(xué)科入選新一輪廣西一流學(xué)科建設(shè)項目和獲批廣西普通本科高校示范性現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)學(xué)院，這對河池學(xué)院人工智能與制造學(xué)院新工科專業(yè)育人提出了更高要求。智能機器人課程是新工科專業(yè)必修基礎(chǔ)課，加速推進該課程教學(xué)改革與實踐迫在眉睫。

為貫徹落實《教育部 工業(yè)和信息化部 中國工程院關(guān)于加快建設(shè)發(fā)展新工科實施卓越工程師教育培養(yǎng)計劃2.0的意見》和《現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)學(xué)院建設(shè)指南（試行）》等文件精神［1-2］，全面推進智能機器人課程教學(xué)建設(shè)和改革，培養(yǎng)能夠支撐地方經(jīng)濟發(fā)展的新工科應(yīng)用型人才，課程教學(xué)團隊通過廣泛調(diào)研，結(jié)合智能機器人課程特點和存在的問題，決定進行混合式教學(xué)改革探索。在全面推進教育現(xiàn)代化和實現(xiàn)高等教育內(nèi)涵式發(fā)展的今天，既發(fā)揮教師主導(dǎo)作用，又體現(xiàn)學(xué)生主體地位的線上線下混合式教學(xué)已成為教學(xué)改革的熱點。因此，全面推進智能機器人課程混合式教學(xué)改革，有利于提高課程教學(xué)質(zhì)量，有助于培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和德智體美勞全面發(fā)展的復(fù)合型人才。

1 相關(guān)研究

目前，在相關(guān)機器人課程建設(shè)過程中，大部分研究者在傳統(tǒng)課堂教學(xué)的基礎(chǔ)上，通過引入優(yōu)質(zhì)在線課程或自建線上資源，進行混合式教學(xué)。例如，王旭仁等［3］在課程內(nèi)容、教學(xué)平臺和模式上開展混合式教學(xué)；張學(xué)剛［4］改進課程重難點內(nèi)容，引入虛擬機器人模型開展理論教學(xué)；白亞雯［5］對課程教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式進行改革實踐，通過開設(shè)課程實驗和加強企業(yè)實踐實習(xí)踐行教學(xué)改革；何燕妮［6］進行課程內(nèi)容重構(gòu)、教學(xué)資源庫建設(shè)和課前、課中、課后三位一體翻轉(zhuǎn)課堂模式的混合教學(xué)設(shè)計；劉丹青［7］提出一種線上線下混合式教學(xué)設(shè)計方法和思路。此外，文獻［8］采用藍墨云班課平臺，進行課前、課中、課后線上線下混合式教學(xué)，提出多元化的學(xué)習(xí)評價。文獻［9］利用超星學(xué)習(xí)通平臺，從教學(xué)前期、課堂研討和教學(xué)后期實踐混合式教學(xué)。文獻［10］采用“知識膠囊”實踐教學(xué)法，推進線上線下混合教學(xué)和教學(xué)內(nèi)容調(diào)整。文獻［11］利用虛擬仿真技術(shù)搭建仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)，開展線上線下混合實訓(xùn)教學(xué)研究。

綜上，在機器人相關(guān)課程混合式改革中引入新型線上教學(xué)平臺和在線教學(xué)方法，有一定的特色且取得良好成效，但僅僅停留在解決“教學(xué)方式單一”層面，未進行線上、線下和實踐教學(xué)的有機融合，較少涉及教學(xué)考核評價改革。隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，在線開放課程教學(xué)日漸成熟，線上線下混合式教學(xué)在高校中已成為一種常見的教學(xué)模式。如何從多方面、多角度和深層次進行智能機器人課程的多元混合式教學(xué)改革，是新工科建設(shè)亟待解決的問題。

2 課程建設(shè)目標(biāo)與內(nèi)容

智能機器人課程在新工科電子信息類專業(yè)人才培養(yǎng)中起著重要作用，課程建設(shè)目標(biāo)包括：通過多方式多手段教學(xué)與實驗，使學(xué)生形成工程意識、熟悉機器人使用和開發(fā)技巧、掌握程序編程及常用傳感器應(yīng)用；在機器人及其應(yīng)用教學(xué)過程中，融入問題探究、層次探索和多任務(wù)，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和創(chuàng)新實踐；營造實踐、歸納、推理、再實踐的過程環(huán)境，鍛煉學(xué)生思維能力、設(shè)計能力和調(diào)試能力。為適應(yīng)地方應(yīng)用型本科院校人才培養(yǎng)需要，響應(yīng)國家對新型機器人工程師的需求，解決傳統(tǒng)智能智能機器人課程教學(xué)方式單一、教學(xué)內(nèi)容縱深不足和教學(xué)考核評價單一等問題，課程教學(xué)團隊從教學(xué)方式、教學(xué)內(nèi)容和考核評價3 個方面著手，深入多元混合式教學(xué)改革。

2.1 推進線上線下實訓(xùn)混合式教學(xué)

隨著現(xiàn)代教育技術(shù)的進步，智能機器人相關(guān)的大規(guī)模在線開放課程（Massive Open Online Courses，MOOC）早已普及。近兩年，全國高校課程教學(xué)受到疫情影響，一種以學(xué)生為中心、教師為主導(dǎo)的線上MOOC+線下課堂的混合式教學(xué)模式趨于常態(tài)化。針對智能機器人課程教學(xué)方式單一情況，教學(xué)團隊將理論課與實驗課相結(jié)合，采用線上、課堂和實訓(xùn)三者并重的MOOC+課堂+實訓(xùn)的教學(xué)模式。課前，學(xué)生自主參與教師精選的MOOC 學(xué)習(xí)并完成練習(xí)考核；課中，根據(jù)課前學(xué)習(xí)效果補充和講授重難點知識，通過課程實驗培養(yǎng)實操方法和技能；課后，通過綜合性多功能教學(xué)平臺發(fā)布學(xué)習(xí)和實訓(xùn)任務(wù)，引導(dǎo)線上和課堂知識應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生獨立分析、解決問題的能力。

2.2 構(gòu)建層次化教學(xué)內(nèi)容與過程

針對學(xué)生“照著做”和教學(xué)內(nèi)容縱深不足的情況，優(yōu)化智能機器人課程結(jié)構(gòu)，精簡課程內(nèi)容，突出層次化，采用任務(wù)導(dǎo)向的混合式教學(xué)模式。在課程教學(xué)過程中穿插各類不同層次的項目任務(wù)，任務(wù)設(shè)計主要由企業(yè)和團隊教師合作完成，學(xué)生在模擬項目環(huán)境中主持完成任務(wù)，提升設(shè)計實踐能力。項目任務(wù)以成果產(chǎn)出為導(dǎo)向，根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)過程成果和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)動態(tài)調(diào)整課程任務(wù)難度和內(nèi)容。此外，學(xué)生可以利用課外碎片化時間完成任務(wù)和實現(xiàn)目標(biāo)，培養(yǎng)終身學(xué)習(xí)習(xí)慣，有效擴展課內(nèi)教學(xué)時間，提升學(xué)習(xí)效率。

2.3 建立多維度混合考核評價方式

為了解決智能機器人課程教學(xué)考核評價單一等問題，在沿用平時成績占40%和期末成績占60%的傳統(tǒng)教務(wù)考核評價的基礎(chǔ)上，融入課前線上學(xué)習(xí)、線下課堂、實驗實訓(xùn)等多個教學(xué)環(huán)節(jié)的過程考核，結(jié)合成果導(dǎo)向評價，建立一種多維度混合考核評價方式。其中，期末考試改用開卷形式，降低理論知識考核難度；教學(xué)環(huán)節(jié)過程考核側(cè)重學(xué)生的學(xué)習(xí)互動、練習(xí)作業(yè)參與和項目實踐投入；對于成果導(dǎo)向評價，鼓勵能力較強的學(xué)生積極參與機器人相關(guān)領(lǐng)域的專業(yè)技能證書考取、比賽和大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目，以賽評學(xué)，以證評學(xué)，科學(xué)考核。

3 課程建設(shè)進展

3.1 混合教學(xué)資源建設(shè)

Fig.1 Comprehensive practical training project of the course圖1 課程綜合實訓(xùn)項目

為了使學(xué)生更好地理解和掌握機器人領(lǐng)域的理論知識，教學(xué)團隊精選中國大學(xué)MOOC 中的優(yōu)質(zhì)資源，并推薦給學(xué)生供課前線上學(xué)習(xí)，具體包括北京大學(xué)的《魅力機器人》、國防科技大學(xué)的《智能機器人系統(tǒng)》、西安交通大學(xué)的《系統(tǒng)設(shè)計創(chuàng)新與機器人實踐》、北京電子科技職業(yè)學(xué)院的《工業(yè)機器人實操與應(yīng)用技巧》等精品課程內(nèi)容。基于MOOC+課堂+實訓(xùn)的課程教學(xué)模式，依托以學(xué)生為中心的過程化教學(xué)與學(xué)業(yè)評價平臺“教學(xué)立方”，建設(shè)智能機器人課程混合教學(xué)資源，內(nèi)容包括：課前學(xué)習(xí)計劃、課前練習(xí)、課件、考勤簽到、練習(xí)題庫、作業(yè)、實訓(xùn)項目、學(xué)生成績和當(dāng)次課堂授課的教學(xué)評分及評價等。通過教學(xué)立方平臺的混合教學(xué)資源建設(shè)，使學(xué)生明確課前線上學(xué)習(xí)目標(biāo)、課中練習(xí)及實驗內(nèi)容和課后實訓(xùn)任務(wù)，使教師實時把握課程教學(xué)實施效果，便于持續(xù)改進。

3.2 教學(xué)內(nèi)容與過程改革

結(jié)合線上優(yōu)質(zhì)資源和教學(xué)立方平臺自建的混合資源，開展MOOC+課堂+實訓(xùn)的課程混合式教學(xué)過程，具體包括：教學(xué)立方發(fā)布的MOOC 學(xué)習(xí)任務(wù)、練習(xí)和課件，學(xué)生進行課前學(xué)習(xí)；學(xué)生反饋課前學(xué)習(xí)情況，教師課中分析、講解并總結(jié)課前學(xué)習(xí)要點；課中，教師講解課程重難點知識和經(jīng)典實驗演示；教師發(fā)布課中和課后的實訓(xùn)項目，學(xué)生進行機器人實訓(xùn)項目實施；實訓(xùn)結(jié)束后，教師進行項目實踐點評和擴展知識梳理。為了培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維、工程創(chuàng)新和綜合能力，課程教學(xué)過程以智能機器人設(shè)計為主線，貫通線上教學(xué)、課堂教學(xué)和實訓(xùn)教學(xué)，每章課程教學(xué)均設(shè)置綜合實訓(xùn)項目。

學(xué)生需要綜合運用所學(xué)的機器人、傳感器、控制和編程等知識，通過機器人外圍模塊設(shè)計和組裝，實現(xiàn)一系列由工程師和教師團隊合作設(shè)計的課程綜合實訓(xùn)任務(wù)。其中，部分綜合實訓(xùn)項目如圖1 所示，從由簡單的傳感器和運動控制實現(xiàn)機器人巡線，到巡線基礎(chǔ)上增加搬運裝置和復(fù)雜程序控制的機器人智能搬運，再到多傳感器、滅火裝置、算法應(yīng)用和協(xié)調(diào)控制的機器人滅火。實訓(xùn)項目任務(wù)以學(xué)生為中心、由淺入深、層次化和循序漸進，鞏固所學(xué)的智能機器人基礎(chǔ)理論和知識，激發(fā)學(xué)生的實踐興趣和動手能力。對于難度較大的實訓(xùn)項目和部分學(xué)生實踐過程較長的情況，采用開放實驗室形式，學(xué)生可以利用課外時間繼續(xù)參與實踐，進而提高實訓(xùn)效果和教學(xué)質(zhì)量。

3.3 多維度混合考核實施

課前線上、線下課堂和實驗實訓(xùn)是智能機器人課程教學(xué)過程的重要環(huán)節(jié)，也是課程教學(xué)持續(xù)改進考核評價的數(shù)據(jù)來源。為解決學(xué)生“臨考突擊、日常放松”的常見學(xué)習(xí)狀態(tài)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，促進學(xué)生全面發(fā)展，教學(xué)團隊提出一種多維度、多階段、全過程、環(huán)環(huán)相扣的混合考核評價方式，包括學(xué)生學(xué)習(xí)考核和教師教學(xué)效果評價兩大方面。

學(xué)生學(xué)習(xí)考核采用形成性考核、成果導(dǎo)向和課程考試相結(jié)合的混合考核方式。其中，平時成績以形成性考核為基礎(chǔ)，學(xué)生通過完成教學(xué)立方平臺發(fā)布的練習(xí)、課件、考勤和作業(yè)等任務(wù)獲得形成性考核成績，分值按課前學(xué)習(xí)成績占30%、課堂學(xué)習(xí)成績占30%和課程實驗實訓(xùn)成績占40%分配。成果導(dǎo)向評價是平時成績的補充，學(xué)生通過課程學(xué)習(xí)，運用課程知識參加機器人相關(guān)領(lǐng)域的專業(yè)技能培訓(xùn)、全國普通高校大學(xué)生競賽排行榜的比賽和大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目等活動，甚至獲取榮譽證書，認可其過程并換算為平時成績，相關(guān)活動的平時成績加分如表1所示。課程考試采用開卷形式進行，考試范圍主要以課本、課堂所傳授的知識為主，小部分包括推薦的中國大學(xué)MOOC 課程內(nèi)容。教師教學(xué)效果評價通過當(dāng)次課堂授課結(jié)束時在教學(xué)立方平臺上收集學(xué)生對本次課的教學(xué)評分及評語。

Table 1 Additional scores for various activities表1 各類活動加分情況

4 建設(shè)成果

智能機器人課程借助教學(xué)立方平臺，統(tǒng)計課程混合式教學(xué)數(shù)據(jù)，內(nèi)容包括課程學(xué)生數(shù)、授課數(shù)、課件閱讀率、資源下載率、考勤簽到、作業(yè)和教學(xué)評價等。最近一學(xué)期的智能機器人課程數(shù)據(jù)報告如圖2 所示，累計授課次數(shù)7 次，教師發(fā)起互動25 次，學(xué)生響應(yīng)601 次，考勤簽到率96.4%，作業(yè)完成率98.9%，課程綜合評分4.68（滿分5 分）。由于團隊暫未在教學(xué)立方平臺上建立課程知識內(nèi)容關(guān)聯(lián)，沒有知識掌握統(tǒng)計數(shù)據(jù)，進而影響課程綜合活躍度。

Fig.2 Course data report for the most recent semester圖2 最近一學(xué)期課程數(shù)據(jù)報告

7 次課堂授課的教學(xué)評價統(tǒng)計結(jié)果如圖3 所示，其中“重點突出”的評價最多。可見，智能機器人課程混合式教學(xué)改革后，學(xué)生課程參與積極性高，課程教學(xué)重點明確，實訓(xùn)任務(wù)層次化突出，有利于人才培養(yǎng)。

智能機器人課程從2020 年開始進行線上線下多元混合式教學(xué)實踐，近三年行政班學(xué)生的期末考試成績和綜合成績統(tǒng)計如表2 所示。從課程成績及格率觀察，2021 級行政班的期末考試成績及格率和綜合成績及格率都是100%，2020 級行政班的期末考試成績及格率是93.02%、綜合成績及格率是95.35%，遠高于2019 級行政班。從課程成績平均分觀察，2021 級行政班的期末考試成績平均分是80.16%、綜合成績平均分是83.36%，均高于2020 級和2019級行政班；2020 級行政班和2019 級行政班的綜合成績平均分很接近。從課程成績標(biāo)準(zhǔn)差觀察，2021 級行政班的期末考試成績標(biāo)準(zhǔn)差和綜合成績標(biāo)準(zhǔn)差均低于2020 級和2019 級行政班，說明2021 級行政班學(xué)生成績趨于平均分，學(xué)生課程知識掌握差距較小。

Fig.3 Statistics of course teaching evaluation for the most recent semester圖3 最近一學(xué)期課程教學(xué)評價統(tǒng)計

Table 2 Statistics of course grades of students in the past three years表2 近3年行政班學(xué)生課程成績統(tǒng)計

由表中各項統(tǒng)計數(shù)據(jù)可以看出，2019 級行政班的學(xué)生成績優(yōu)秀率中等，但及格率較低，成績標(biāo)準(zhǔn)差較大。原因是2020 年初受疫情影響，課堂授課取消，2019 級行政班學(xué)生進行居家線上MOOC 學(xué)習(xí)，返校后進行實驗實訓(xùn)和開卷期末考試，受學(xué)生自主學(xué)習(xí)態(tài)度和學(xué)習(xí)習(xí)慣差異影響，2019 級行政班出現(xiàn)了較為嚴重的兩極分化現(xiàn)象。同時，2021 行政班的學(xué)生成績各項統(tǒng)計數(shù)據(jù)均優(yōu)于2020 級和2019 級，原因是課程實施多維度混合考核評價，2021 年全國抗疫防疫效果良好、疫情減弱，2021 級行政班的學(xué)生積極參加各類比賽和活動，豐富過程考核和成果評價，取得了較好的課程成績。可見，隨著MOOC+課堂+實訓(xùn)的線上線下多元混合式教學(xué)模式持續(xù)建設(shè)和完善，智能機器人課程教學(xué)效果也越來越好。

5 結(jié)語

經(jīng)過兩年多的智能機器人課程建設(shè)和實踐表明，結(jié)合線上優(yōu)質(zhì)資源和教學(xué)立方開放平臺自建混合資源，開展MOOC+課堂+實訓(xùn)的線上線下多元混合式教學(xué)模式的課程教學(xué)達到預(yù)期成效。以智能機器人設(shè)計與制作為教學(xué)載體，基于線上線下實訓(xùn)混合式教學(xué)方式，構(gòu)建實訓(xùn)項目任務(wù)導(dǎo)向的層次化教學(xué)內(nèi)容與過程，實施形成性考核、成果導(dǎo)向評價、課程開卷考試相結(jié)合的多階段學(xué)習(xí)考核和環(huán)環(huán)相扣的教師教學(xué)效果評價，很好地解決了智能機器人課程教學(xué)中存在的問題，能夠提升學(xué)生學(xué)習(xí)主動性，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新實踐興趣。

隨著新工科建設(shè)的不斷深化，智能機器人課程在推進線上線下多元混合式教學(xué)的過程中還需加強課程知識內(nèi)容建設(shè)，進一步挖掘融合地方產(chǎn)業(yè)特色的實踐案例。同時，隨著疫情管控放開，各類專業(yè)競賽和技能活動逐步恢復(fù)熱度，后續(xù)研究將進一步豐富和完善課程多維度混合考核與教學(xué)評價。