課賽融合“機器人技術與應用”教學改革探討

張淑珍 李春玲 彭斌 南文虎

摘?要：針對我校“機器人技術與應用”課程教學活動中學生學習興趣較低、課程實踐環節難以發揮理論與實踐相結合的作用、相關機器人比賽學生參與面不高等問題，課程團隊以課賽融合的模式從課程考核方式、考核內容、實踐環節等方面進行改革，調動學生的學習興趣，激發學生創意性，培養學生提出問題，進而解決實際問題的能力。經過課賽融合實踐，學生學習機器人相關專業課興趣逐漸濃厚，參加相關機器人比賽隊伍數和質量提高，綜合能力得以加強。

關鍵詞：課賽融合；項目式教學；創意能力

Teaching?Reform?on

"Robot?Technology?and?Application"?Combining?Courses?and?Contests

Zhang?Shuzhen?Li?Chunling?Peng?Bin?Nan?Wenhu

Lanzhou?University?of?Technology，?School?of?Mechanical?and?Electrical?Engineering?GansuLanzhou?730050

Abstract：For?the?students?having?lower?interest?in?learning?the?Robotics?Technology?and?Application?course?in?our?university，practices?in?the?course?hard?to?play?the?role?of?combining?theory?and?practice，studentslittle?participation?in?related?robot?competitions，course?team?applied?the?mode?of?combining?courses?and?contests?to?improve?teaching?quality?in?curriculum?evaluation?mode，examination?contents?and?practices?in?the?course?etc.to?simulate?the?students?learn?interest?and?creativity，cultivate?their?ability?to?raise?and?solve?questions.Through?practice，the?students?are?increasingly?interested?in?learning?related?to?robotics?courses，meanwhile，the?number?and?contests?grade?of?students?participating?in?relevant?robot?competitions?are?improved，students'?comprehensive?ability?can?be?improved.

Keywords：Combining?courses?and?contests；Project-based?teaching；Creativity?ability

1?概述

高校學科競賽是高校實踐教學環節的主要形式之一，是點燃學生頭腦“火把”的“火種”，是激活學生學習的有效手段［1］，學科競賽以其創新性、實踐性、競爭性、專業性、綜合性等特點，在培養學生創意思維、實踐能力、團隊合作精神方面具有積極的作用。學科競賽不僅是高校創新人才培養的重要手段，也是用人單位選拔人才的重要依據。然而，由于學科競賽占用教學資源，受經費、設備、場地、學生積極性、師資等諸多因素的制約，大多數情況下處于只涉及少數優秀學生的“掐尖式”精英培養［2］。如何激發廣大學生專業興趣和學習動力，是高等教育長期關注并探索的問題，課賽結合則是探索方法之一［3］。課賽結合將競賽融入教學中，將相對枯燥理論的知識點連接成一個整體，既可以促進課程教學內容、教學形式、考核評定等教學模式的改革，又可激發學生的學習興趣，挖掘學習的潛力，因此采用課賽結合的教學模式是探索專業課程教學改革模式的必然趨勢［47］。近年來，以機器人為主題的學科競賽蓬勃發展，而高校“機器人技術與應用”課程既是機械設計制造及其自動化專業、智能制造以及機器人工程等專業的主要專業課之一，也是培養學生具有多學科綜合的創新能力的一門課程。因此將機器人重點學科競賽與“機器人技術與應用”課程教學改革相結合，探索該專業課程的改革模式和人才培養模式，以期提高學生的綜合能力是我校課程團隊急需開展的主要任務。

2?機器人技術及應用教學和學科競賽現狀

機器人技術代表了機電一體化的最高研究成果。在各行各業，形形色色的機器人已走進了人們日常生產生活，機器人領域人才要求日益迫切，學好機器人技術課程也是相關專業學生的迫切需要。然而由于機器人技術涉及多門學科，綜合性強，理論性強，學生要學好這門課程往往并不順利。本文針對我校“機器人技術與應用”課程教學現狀和機器人學科競賽現狀情況，探索課程改革方法。

2.1?課程考核方式

我校機器人技術及應用課程教學過程中，學生對機器人緒論的教學內容比較感興趣，對機器人結構章節內容還保留一些興趣，但到了機器人運動學、動力學等內容，因涉及的數學內容比較多，理論較多，知識內容比較抽象，學生很難保持原來的學習狀態。有的同學認為機器人技術就是學習怎么操作和控制機器人，運動學中關于物體的數學描述以及坐標變換的內容與機器人關聯不大，上課注意力無法集中。到了機器人連桿參數以及機器人坐標系建立的內容，需要較好的空間想象力，部分同學跟不上老師的講課內容。加之本課程為綜合測評，學生認為綜合測評就是做作業或開卷考試，老師都給通過。到后面的章節，教師很難在課堂中再把學生的注意力吸引到教學內容上。因此如何提高課程的吸引力，保持學生的學習興趣，改革課程考核方式，提高機器人技術及應用課程的教學效果，是值得探討的問題。

2.2?課程實踐環節

目前很多課程的課內實驗與課程同時進行。受學校實驗設備臺套數所限制，單次實驗學生人數受到限制，實驗指導老師需重復多次才能完成全班實驗教學。為了在該課程教學周內完成實驗內容，有些實驗內容在相應課堂教學還未開展之前就進行實驗。學生在沒有理論學習的前提下，很難理解實驗的目的意義以及實驗結果表示的含義。因此如何在現有實驗條件下，發揮實驗的作用是需要思考的問題。

2.3?競賽參與面

隨著高校對學科競賽的重視，越來越多熱愛學科競賽的學生參與進來。參加競賽的學生大多基于興趣、評獎評優、研究生推免或保研等不同目的而主動參加各種競賽，但由于競賽的競爭性較強，對于學習不突出的學生，參與競賽的積極性不高，對比賽望而卻步。參加競賽的同學雖然實踐動手能力強，對以機器人為主題的學科競賽，有些同學沒有學習機器人技術這門課程，缺乏機器人技術方面的理論知識，如何提高競賽的參與度，提高競賽成績，并且從競賽中學到相關知識并促進課程的學習，以及采用什么樣的方式組織競賽需要進一步思考。

3?課賽融合模式的“機器人技術與應用”課程改革

我校機器人課程教師團隊中大部分老師指導學生參加學科競賽，以機器人方面的國賽項目為競賽內容，組織校內機器人創意設計與實踐學科競賽。針對上述現狀和問題，團隊結合課程教學經驗和指導比賽經驗，以課賽融合為模式，從課程考核方式、實踐方式和考核內容等方面對課程進行改革。課賽結合模式如圖1所示。

3.1?課程考核方式的改革

我校“機器人技術與應用”課程目前考核方式為綜合測評，盡管學生覺得這門課很重要，機器人技術也是當代科學技術發展最活躍的領域之一，但考慮該門課程的考核方式為綜合測評，學生覺得無須花大力氣和更多的時間來學習，使得在部分課程教學內容如機器人運動學、動力學等理論性較強的部分，學生注意力下降，學習興趣也下降，學習效果只是一知半解。針對此問題，課程團隊結合春季學期學校組織的中國高校智能機器人創意大賽校內選拔賽，考慮到中國高校智能機器人創意大賽目前競賽的三個主題可分別針對不同年級的學生開展。其中主題一創意設計又分為有實物和無實物兩大類，創意性較高的同學可參加無實物組，喜歡動手的同學可參加實物組，對競技性感興趣的同學可參加主題二魔方機器人或主題三對抗機器人。因此課程團隊將課程考核內容設置為校內選拔賽項賽主題，同學們按組自愿選擇參賽主題，課程考核成績中的部分成績與學科競賽成績掛鉤，同學們既參加了學科競賽，又完成了課程考核的部分內容。

3.2?課程實踐方式的改革

現有實驗條件下，設備臺套數有限，部分實驗采用演示方式，很難起到通過實驗驗證理論的作用。課程團隊教師通過學習機器人虛擬仿真軟件CoppeliaSim（原VREP），在運動學內容中將串聯、并聯機器人正、逆解計算、路徑和運動規劃通過虛擬軟件展示。學生通過了解機器人虛擬軟件功能作用，并通過進一步學習，利用虛擬軟件搭建競賽作品并進行仿真，激發了學生的學習興趣，更好地掌握機器人課程相關知識。

3.3?課賽結合項目式作業

學科競賽在培養學生綜合能力方面具有積極作用。為擴大學生的參與面，將學科競賽主題作為項目式作業的題目，以課后作業形式布置，在相關章節教學內容的課后，將學科競賽主題內容分解為部分相關章節的課后作業，項目式作業需按小組完成，與學科競賽的團隊分工合作性質一致，學生在完成項目式作業的同時，也逐步推進了學科競賽項目的開展。

4?實施方案分析

課程團隊在近年開展“機器人技術及應用”課程教學工作中，將機器人相關學科競賽融入教學活動。我校機器人科創基地從2011年開始組織機器人創意設計與實踐比賽活動，到2022年已組織七屆比賽活動。每屆比賽于春季學期進行，“機器人技術與應用”課程在春季學期進行，賽事活動與教學學期重疊，機器人課程教學團隊老師積極探索課賽融合教學模式，改革課程教學方式和考核評價方式。

針對“機器人技術與應用”課程考核方式為綜合測評，學生不重視綜合測評課程，為提高學生學習積極性，布置大作業內容為智能機器人創意競賽主題，以主題一家用服務機器人為大作業題目，3人為團隊。各章教學內容與比賽作品以及項目式作業內容對應結合關系如下表所示。

通過將教學內容與機器人競賽作品內容相融合，學生團隊設計和制作了很多優秀作品。2021年我校組織的智能機器人創意競賽選拔賽參賽團隊為31支，“機器人技術與應用”課程班級未開展課賽結合教學改革，參賽學生占10%；2022年我校參賽團隊達91支，課程班級中參加學生達50%。在第五屆中國高校智能機器人創意大賽中獲得一等獎3項、二等獎4項、三等獎6項的成績，其中一等獎作品：《基于機器視覺的家用垃圾桶》；二等獎作品：《基于ROS的家用服務機器人》，如圖2所示；三等獎作品：《“風寶”——一種家庭應用式高效節能通風換氣裝置》，均為2022年開展課賽結合的“機器人技術與應用”教學改革活動中課程班級學生作品。

結語

通過課賽融合模式下的“機器人技術與應用”課程教學改革的實踐，我們發現學生對機器人技術課程的學習自主性大為提高，學生愿意投入更多的時間、精力到課程中，也愿意投入更多的時間完成課賽結合的項目式作業，課程教學效果相較改革前有了較大提升，師生關系也更加融洽、緊密。課程教學班參與智能機器人創意大賽的同學大大增加，獲獎團隊數也增加。考慮到機器人技術課程涉及專業知識較多，在今后的課賽結合教學改革中，根據教學章節內容和學生的興趣，將不同課程教學內容與多個機器人相關賽項進行結合，在更大程度上實現了“課賽融合”“以賽促學”“以賽促教”的教學模式改革。

參考文獻：

［1］陸國棟，陳臨強，何欽銘，等.高校學科競賽評估：思路、方法和探索［J］.中國高教研究，2018（2）：6368+74.

［2］侯建華，陳少平，陳錕，等.大學生學科競賽模式的改革與實踐［J］.實驗技術與管理，2017，34（11）：1922+25.

［3］郝根彥.學科競賽對工科學生創造力的培養效能與改進策略——以某“雙一流”重點建設學科高校為例［J］.科技管理研究，2021，41（23）：150156.

［4］羅勇，魏紹飛，王蓓蓓，等.課賽結合模式下培養學生綜合能力的策略［J］.創新創業理論研究與實踐，2021，4（15）：134136.

［5］王平，邵羽，葉志紅，等.“射頻通信與天線”課程群課賽結合培養模式探索與實踐［J］.大理大學學報，2021，6（12）：1722.

［6］張震.賽課結合的GIS實踐教學模式研究［J］.實驗技術與管理，2019，36（10）：2831.

［7］張建磊.“課賽”融合的人工智能學科人才培養模式教學探索［J］.科技創新導報，2021，18（20）：124126.

基金項目：甘財高函［2022］11號，甘肅省教育廳創新創業教學改革研究項目：基于“課賽結合的機械類創新人才培養模式的研究與實踐”；2021年蘭州理工大學校級一流本科課程

作者簡介：張淑珍（1969—?），女，漢族，山西呂梁人，博士，副教授，研究方向：智能工業機器人、移動機器人導航及建圖。