基于“專思創”融合的“機器人技術”課程線上線下混合教學模式初探

李二偉 邊輝 李艷文 趙延治

摘要在“機器人技術”課程教學改革的實踐中，融入思政教育和TRIZ創新方法，并進行了全英文授課的線上線下混合教學改革。通過梳理課程知識體系，確定教改總體思路，調研學情，文章針對性設計了專思創融合途徑、課程授課模式、課程項目和考核評價，有效提高了學生的專業素養、雙創能力和價值觀。效果良好，可供其他專業課程改革借鑒。

關鍵詞 專思創融合；機器人技術；全英授課；線上線下混合

中圖分類號：G424文獻標識碼：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2023.13.032

隨著創新創業教育的深入推進和國際化辦學水平的不斷提高[1]，把專業教育、創新方法應用和思政教育相融合[2-3]的全英文授課模式得到進一步的發展，線上線下混合教學模式也得到了廣泛推廣[4]。“機器人技術”是一門多學科交叉的課程，課程組在總結前期教改經驗的基礎上[5]，實行了把專業教育、思政教育和創新能力融合一起的全英文授課線上線下混合式教學改革[6-7]，進一步梳理了課程知識體系，研討了教改總體思路，分析了新的學情，通過對專思創融合、全英文授課線上線下混合、課程項目、考核評價幾方面進行針對性設計，有效提升了課程的兩性一度，積累了一定經驗。

1總體思路

本課程教學內容主要包括：①機器人數學基礎：剛體位姿描述和齊次變換；②操作臂運動學：D-H參數， IRB1410運動學正反解；③操作臂的雅克比矩陣：定義、構造方法，靜力學；④操作臂的動力學：連桿的速度和加速度、動力學建模方法；⑤軌跡生成：關節空間規劃、操作空間規劃、軌跡生成；⑥實驗：IRB1410操作實踐；⑦課程項目：針對多課程聯合綜合實訓需求，小組完成機械臂選型、三維造型及仿真和MATLAB編程。本課程的知識體系如圖1所示（p102）。

通過總結機器人技術前期課改（討論課、多門課程聯合項目、雙語授課、MOOC資源建設、思政）的經驗，課程團隊研討確定了全英授課線上線下混合教學的十六字理念：理順系統、講練結合、精講多練、應用創新，側重給學生厘清機器人系統各子系統和及其相互關系，課堂講授和實驗采用同一款機械臂，保證講、練、做相統一，著重讓學生學會弄懂一款典型機器人系統，并在課程項目實施中進一步強化所學。

2教學改革與實踐

2.1學情分析

本課程面向機械電子工程專業本科4年級近200名學生，于第7學期開課。課程總共32學時，其中，授課20學時，實驗及課程項目實踐12學時。通過MYCOS對所授課班級進行的課前學情問卷摸底發現：①近70%的學生考研，能投入到課程課下學習的時間有限；②近74%的學生對本門課程感興趣，課程具有很好的吸引力；③學生已經學習過編程和建模相關課程，這為課程項目奠定了良好的基礎；④80%多的學生通過自己的了解認為課程難度較大；⑤60%多的學生能夠接受線上線下混合授課模式；⑥超過65%的學生不太看好全英文授課。本課程中涉及大量的公式推導，需要學生進行一定量的練習并做好復習預習，學生需要過渡時間來適應課程的難度與強度，另外課程項目需要與機電其他專業相結合，一定程度上增加了項目完成的難度，對學生具有一定挑戰性。針對上述情況，需要對課程開展針對性設計，以實現知識的有效傳授。

2.2專思創融合設計與實施

結合課程知識體系和TRIZ創新方法，在以下章節進行了專思創融合設計。緒論部分基于技術進化法則，分析機器人的進化趨勢，從機器人的智能發展和應用，分析機器人智能的未來發展；由我國機器人公司的艱難起步與現在的快速發展引出擔當和貢獻以及人生觀、價值觀的思考。操作臂運動學部分基于邏輯思維，對機器人中的具體構件，抽象出主要元素，如連桿參數和連桿連接參數，給出各元素的概念，進行運動規律的研究和分析；在D-H參數法建立晶圓機械手的實例中，引出歐美對我國芯片和高技術產品的封鎖制裁，以及教育部出臺的關于加強高校有組織科研的相關政策，激發學生主動服務國家戰略的自覺性。操作臂的雅克比部分基于數學模型給出各個構件的運動傳遞規律，基于雅克比矩陣法或微分變換法或矢量積法，得到數學模型，掌握運動傳遞的內在本質和原理；由此引出燕山大學黃真老先生提出的影響系數法和其在并聯機器人領域的貢獻，引導學生學習他的人生追求和愛國情懷，理解學術創新的可能性和創新自信。通過上述設計和課堂實施，實現專業知識傳授、創新能力培養和價值塑造的有機融合。

2.3全英文線上線下混合教學設計與實施

針對大四學生考研比重大、課外時間緊張這一特點，課程組研討確定了線上線下學時分配、線上實質等效、英文授課策略的教學探索。本課程總共32學時，其中實驗及課程項目12學時，線下授課10學時，學生線上學習10學時；采用一次線下授課一次線上自學輪替的授課模式，線下側重講授基本原理并應用到IRB1410，線上自學側重應用，盡量保證講、練、做都在學時內完成。課堂講授采用基于問題的教學、啟發式教學、案例教學等方式，并借助雨課堂平臺，在每個知識點后設計考核題目，特別是針對上一次線上自學內容設計考核題目，并把作答成績納入考核成績。線上學習資源采用課程組在MOOC平臺的自建資源。第1次課采用線下課堂授課，介紹課程學習目標、考核方式、進度安排，講授緒論和剛體的位姿描述，課后線上定時發布學生線上自學內容和需達到的目標。第2次線下課堂，首先借助雨課堂考查學生線上自學的每一個知識點并進行串講，而對重點知識點進行精講；本次課新講D―H法。依次類推，如表1所示（p103），共開展5次線下授課。全英文授課對學生和老師都是一種挑戰，課程組采用了英文原版和中文譯版教材，研討確定了前期慢講、專業詞匯注釋中文、每節課前集中展示生詞中英對照等方法。

2.4課程項目設計與實施

本課程項目為基于大工程微縮式實訓的融入專思創的三級項目教學實踐，課程團隊參與系部與山東臨工的深度對接，對其代表行業未來趨勢的智慧產線和智慧工廠進行了深入了解，并結合本系教學科研的特點對智慧產線和智慧工廠進行了微縮。機器人技術是該大工程微縮式實訓的重要組成部分。經過課程團隊的研討，本課程的三級項目專門針對該實訓進行設計，在項目方案論證階段引導學生使用創新方法進行小組研討，并在項目報告中體現每人的方案和貢獻。

課程項目的實施過程如下：①課程組首先與“基于大工程微縮式實訓項目”（二級項目）負責人研討，確定當年的二級項目方案；②課程組研討確定課程三級項目選題，并給出契合二級項目的三級項目工程背景和設計參數，制作項目指導書和項目報告參考格式；③第一次課發布三級項目題目，大致講述項目脈絡，讓學生對課程和項目有整體了解，并讓學生自由組隊，要求此次組隊盡可能和后期二級項目分組保持一致；④把三級項目分成多個子系統，并與所講授章節對應，每講授完一個與三級項目子系統相關的知識點，就要求學生著手相應部分的方案論證、建模分析等；⑤課程授課階段結束，學生進行實驗并以小組為單位開展三級項目實訓，包括方案討論、方案確定、建模、分析、造型、編程等；⑥最后一次課進行三級項目匯報，采用隨機抽取小組和小組成員的方式進行匯報，并按相關考核標準進行打分。

2.5考核評價

課程成績包括5個部分，出勤、結課考試成績、課程項目成績、實驗成績、線上成績，具體要求及成績評定方法如下：①出勤表現作為扣分項，每缺勤一次扣1分，無故缺勤5次者，取消本門課程的考核資格；②結課考試成績占60%，開卷考試，試卷為英文題干，鼓勵英文作答，不滿卷面成績60%者，本課程考核不合格；③課程項目成績占20%，要求學生按照課程項目分組查閱資料，完成機器人系統設計及軌跡規劃，撰寫項目設計研究報告，制作匯報采用PPT，并進行答辯；每位學生的課程項目成績由小組成績和組內成績兩部分構成；小組成績由以下兩個方面進行評價：項目研究內容，占項目成績的60%；報告、PPT匯報撰寫及答辯成績，占項目成績的40%；小組得分為組內所有學生的平均分，每位學生的得分依據其在組內的貢獻，在小組平均分的基礎上評定；未按時提交課程項目報告或課程項目報告有抄襲現象的，課程項目成績按零分計；另外報告內容鼓勵采用英文撰寫；④實驗成績占10%，要求學生認真準備，全程參與獨立完成并按時提交實驗報告；未按時提交實驗報告或實驗報告有抄襲現象的，該次實驗成績按零分計；⑤線上成績占10%，其中，MOOC學習完成度和雨課堂隨堂考核各占50%。

3課程評價及改革成效

通過對教學效果中期和結課的問卷調查發現，超過90%的學生認為現在的教學模式很有效果，近80%的學生認可了英文授課模式，在專業詞匯和英文表達方面得到了顯著提高。在教學目標與教學計劃、教學實施的相互支撐下，學生的學習興趣和學習能力得到提高，特別是專思創融合的設計和“十六字”教學理念的貫徹等教學改革措施的實施，有效提高了學生的專業素養和雙創能力。相關經驗可推廣到其他相關專業課的教改中。

基金項目：燕山大學課程思政示范課程（名師、團隊）項目（KCSZSF016）；教育部新工科研究與實踐項目子項目（2020XGK10、2020XGK11）；科技部“創新方法高等教育人才培養研究與示范”（2020IM030100）。

參考文獻

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