基于OBE理念的線上線下混合教學模式探索與實踐

［摘 要］ “機器人操作系統”是培養機器人工程人才專業方向的必修課程之一。為了培養符合時代需求的機器人相關人才，須對現有教學模式進行改革與創新。基于OBE理念，探索線上線下混合教學模式在“機器人操作系統”課程中的應用實踐。通過線下理論授課、實踐操作與線上學習平臺相結合，創建多維全程臨場交互場景，設計以學生為中心的多元立體培養體系，注重學生在學習過程中對理論知識的理解深度與實踐操作能力的提升。厘清在“機器人操作系統”課程教學過程中的痛點、堵點和難點，對原有的教學過程進行調整，明確教師和學生在課前、課中、課后的任務，重建學生期末考核方式，以提升教學效果。

［關鍵詞］ OBE；教學改革；機器人操作系統；線上線下；混合式教學

［基金項目］ 2023年度贛南科技學院教學改革研究課題“基于OBE理念的線上線下混合式教學模式的‘機器人操作系統’課程建設與實踐”（XJG-2023-10）

［作者簡介］ 張文俊（1993—），男，江西贛州人，碩士，贛南科技學院智能制造與材料工程學院講師（通信作者），主要從事機器人工程、機電一體化研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2024）47-0157-04 ［收稿日期］ 2023-12-29

引言

人工智能（AI）與機器人技術的融合正在重塑現代工業與社會發展。AI賦予機器人自主決策和感知能力，使其從傳統的機械操作進化為具備復雜認知的智能系統［1］。機器人操作系統（ROS）作為智能機器人關鍵平臺，為機器人開發提供了標準化的框架和工具鏈，簡化了復雜系統的設計與集成，使開發者能夠高效構建復雜的智能系統，推動了機器人技術的快速發展與應用。機器人操作系統在當今社會中發揮的作用越來越大，如何培養掌握相關技術的機器人專業人才成為一個重要問題［2］。

機器人產業被譽為制造業皇冠頂端的明珠，智能機器人不僅廣泛應用于制造業，在醫療領域、服務業、物流和倉儲、農業、智能家居等場景也有廣泛應用。為了培養更多符合社會發展所需的機器人專業人才，“機器人操作系統”課程教師需要探索新的教育理念，改變傳統工科教育范式。成果導向教育（OBE）是一種以學生為中心的教育模式，強調通過明確的學習成果引導教學設計和實施，確保每名學生在完成學業后都具備相關的專業能力和綜合素質［3］。本文通過分析“機器人操作系統”課程在傳統教學過程中存在的問題，基于OBE教育理念，結合線上線下混合教學模式，從教學內容、教學方法、思政育人、考核方式四個方面探索課程教學改革，以適應社會發展對新時代人才的需求。

一、傳統教育理念中存在的問題

機器人技術發展日新月異，傳統工科教育理念和教學模式在面對這一高速發展的技術時，逐漸暴露出諸多問題。

（一）教學中的痛點

“機器人操作系統”課程內容更新緩慢，難以跟上行業發展的步伐。ROS作為開源系統，每年都會發布新版本，集成新的算法和工具，但由于高校課程設計的固化和備課周期限制，教學內容滯后于行業需求，學生難以掌握最新技術。此外，課程理論化較強，缺乏實際項目經驗，導致學生在畢業后無法迅速適應企業對實際開發和項目管理的要求。企業期待復合型人才，即具備跨學科知識和實際操作經驗，但傳統課程設置無法滿足這一需求。

（二）教學中的堵點

實踐資源不足是ROS課程中的一大堵點，嚴重影響了理論與實踐的結合。由于硬件設備短缺，許多高校無法為每名學生提供足夠的實驗資源，尤其是機器人硬件平臺和傳感器。這種情況導致學生缺乏動手實踐機會，難以通過實際操作掌握ROS的功能和應用場景，課程教學停留在理論層面，未能讓學生體驗到真實的項目開發過程，導致理論與實際應用脫節，學生在工程實踐中難以應對復雜問題。

（三）教學中的難點

缺乏學習內驅力是ROS課程教學中的難點之一。由于課程內容復雜且抽象，學生對先修課程的掌握程度參差不齊，學生被動接受知識，缺乏對課程內容的主動探索與深入思考。混合教學模式要求學生具備較強的獨立思考能力和動手能力，但內驅力不足導致部分學生僅為完成任務而學習，未能深入理解ROS系統的實際應用。學生在實踐中缺乏主動性，僅按教師指令操作，難以自主探索復雜項目，導致在課程結束時未能達成預期的能力目標。

（四）課程考核方式單一

傳統的考核方式通常由課堂表現（30%）和期末考試（70%）構成，缺少體現學生自主學習的過程性評價和實踐能力的評價。課堂表現通常只衡量學生的參與度和理論知識的掌握，而期末考試則側重于知識點的記憶和理解，忽視了對實踐能力、創新思維和項目開發能力的考核。ROS課程本質上是一個高度實踐性的課程，要求學生具備動手能力和解決復雜問題的能力，單純依賴理論考試無法準確反映學生在項目實踐中的能力發展，不利于課程目標的達成，也不利于培養新時代機器人工程師。

二、基于OBE理念的“機器人操作系統”教學模式探索

針對傳統教育理念用于“機器人操作系統”課程存在的問題，基于OBE理念，對“機器人操作系統”課程進行教學改革，旨在通過科學的課程體系設計、理論與實踐的融合、多維交互場景的創建及多元化考核方式的引入，實現教學目標的達成，并融入思政教育，培養學生的綜合素質與責任感。

（一）面向課程目標，重構課程體系

以成果產出為導向，確保學生在完成學業后具備行業所需的核心能力。通過行業調查、專家咨詢、企業參與以及對往屆畢業生的跟蹤調查，結合機器人產業的快速發展，確定了“機器人操作系統”課程的產出旨在培養具備機器人相關理論知識、實際操作能力和創新意識的復合型人才。通過掌握ROS的核心技術和原理，學生應具備安裝、配置和調試基于ROS的機器人的能力，并能夠在真實應用場景中運用ROS進行自主開發。

結合機器人技術發展和行業需求，合理規劃授課內容與實驗安排。近年來機器人+AI的深度融合加速了智能機器人的發展，尤其是在人形機器人領域，更是朝氣蓬勃，對掌握相關技術的人才需求旺盛。ROS是智能機器人領域涉及的關鍵技術，“機器人操作系統”課程對于當下社會發展的重要性不言而喻。行業對智能機器人領域的人才需求較高，不僅需要應聘者掌握相關理論知識，還需要有較強的動手能力。因此，本課程的教學內容應根據機器人技術的發展和社會的需求及時調整，教學方式以學生實踐為主，教師講解為輔，課堂講授理論知識和實踐案例，隨后學生動手實現所講授的案例，其間教師巡視課堂，了解學生在實踐過程中遇到的問題，對于出現較為頻繁的問題進行集中講解。鼓勵和支持進度較快、知識掌握程度較好的學生開展難度更大的項目學習，推進本課程一人一方案、一人一項目的進度。

（二）理論教學與實踐教學相融合

“機器人操作系統”是一門實踐性強的課程，理論與實踐的有機結合是課程的重要教學策略。學生是課堂的主體，是學習的主人，教學活動由教師講授為主轉向以學生實踐為主。學生在課堂中的實踐包括程序編寫和調試、硬件調試，前期以電腦上編寫程序和調試為主，讓學生掌握ROS構架與系統、掌握ROS的編程基礎；中后期以開發板和ROS小車的調試為主，加強學生對理論知識的理解深度，培養學生解決復雜工程問題的能力。

實踐教學過程中，既有獨立完成的項目，也有團隊協作的項目。ROS編程基礎的相關實踐和ROS開發板的基礎應用由學生獨立完成，ROS小車和機械臂的驅動與調試由團隊協作完成，考慮到基礎較好、進度更快的學生的需求，還有傳感器及更多的ROS小車和機械臂供這些學生使用，讓學生在課堂中能學好機器人操作系統，用好機器人操作系統。因材施教可以很大程度上解決硬件設備不足的問題。

（三）創建多維全程臨場交互場景

隨著互聯網技術的發展和普及，教學組織形式、教學互動場所都發生了巨大變化，線上線下教學的深度融合至關重要。在教學設計中，創建多維全程臨場交互場景增強了學生和教師之間的互動，提高了學生的學習效果和參與度。

創建多維全程臨場交互場景是教師和學生、學生和學生實時互動與反饋的良好機制。線下課堂教學過程中的重點難點和學生頻繁出現的問題，將以文字或視頻的形式放到線上平臺。本課程線上平臺使用超星學習通，引導學生將遇到的問題發在討論區，鼓勵知道如何解決該問題的學生回答其他學生的疑問，進行頭腦風暴；教師也可將學生遇到的問題發布在討論區，并將相關解決方案同時發布，在提升教學效率的同時，加強學生對知識的掌握程度。

線上學習打破了學生學習時間和空間的限制，線下學習加強了師生的交流互動，線上教學與線下教學的有機融合，可將二者的優勢最大化。“機器人操作系統”課程以實操為主，學生容易在學習過程中遇到各種問題，創建多維全程臨場交互場景既可提高學生的學習積極性與學習效率，也能提升教師的教學質量。

（四）融入思政元素

專業課的講授過程中，將思政元素以潤物無聲的方式自然融入其中，增強思政教育的親和力和感染力。課程中介紹我國機器人發展和相關技術的先進性，堅定學生的文化自信，激發學生的民族自豪感和愛國主義情懷。結合當前國家的技術政策，如《“十四五”機器人產業發展規劃》《“機器人+”應用行動實施方案》《工業機器人行業規范條件（2024版）》等文件，讓學生認識到自身所學技術的戰略意義，增強對國家科技發展的認同感和責任感，同時引導學生以科技創新為己任，激勵學生不斷進步。

通過剖析機器人在醫療保健、制造業、農業、物流、交通等領域的廣泛應用，啟發學生思考機器人技術的倫理問題和隱私問題［4］，引導學生從技術開發的角度思考如何平衡技術創新與社會責任之間的關系。

（五）建立多元立體考核方式

基于OBE理念的考核方式注重全面評估學生在知識掌握、實踐操作和創新能力等多個維度的表現。本課程的考核由平時分30%、實驗分40%、期末分30%三部分組成，形成了多元立體的考核方式，能夠更加全面、科學地評估學生的學習成果。

平時分占比30%，由線下和線上課堂表現組成，其中線下課堂表現由學生課堂回答問題、參與討論的積極性和出勤情況組成，線上課堂表現由學生線上討論情況、線上知識點學習情況和課后作業組成，旨在動態跟蹤學生的學習參與度，確保學生在理論知識的學習過程中保持積極性。實驗部分占比40%，側重實踐能力的考核，涵蓋實驗過程中的操作表現以及實驗報告的撰寫質量，通過評估學生在實驗中的問題解決能力、數據分析與總結能力，反映其實踐能力的提升。期末考試（30%）采用上機完成一個小項目的形式，要求學生在規定時間內開發和調試一個基于ROS的小型系統，綜合考查其理論應用與項目開發能力。

結語

“機器人操作系統”課程作為培養機器人技術復合型人才的關鍵環節，面臨傳統工科教學模式下的理論與實踐脫節、考核方式單一等問題。基于OBE理念的教學改革，通過探索線上線下混合教學模式，有效提升了學生的自主學習能力與實踐操作能力。通過重構課程體系，合理設計教學內容，理論與實踐緊密結合，課程實現了知識的多維度傳授與應用。同時，創建了多維全程臨場交互場景，增強了師生互動，提升了學生的學習體驗。建立多元立體考核方式，使得學生的理論知識、實踐能力、創新思維和團隊合作得到了全面考量，確保教學成果產出的應用性和行業適應性。

參考文獻

［1］張昌昕，張興龍，徐昕，等.安全強化學習及其在機器人系統中的應用綜述［J］.控制理論與應用，2023，40（12）：2090-2103.

［2］曲威名，劉天林，林惟凱，等.機器人學習方法綜述［J］.北京大學學報（自然科學版），2023，59（6）：1069-1086.

［3］ASIM H M， VAZ A， AHMED A， et al. A review on outcome based education and factors that impact student learning outcomes in tertiary education system［J］.Canadian Center of Science and Education，2021（2）：1-11.

［4］杜駿飛.瓦力悖論：AI危機與仿人機器人［J］.新疆師范大學學報（哲學社會科學版），2023，44（6）：104-112.

Exploration and Practice of Online-Offline Blended Teaching Mode Based on OBE Concept： Taking Robot Operating System Course as an Example

ZHANG Wen-jun， LIU Hui， FENG Kai， WANG Zhi-gang

（School of Intelligent Manufacturing and Materials Engineering， Gannan University of Science and Technology， Ganzhou， Jiangxi 341000， China）

Abstract： Robot Operating System is one of the compulsory courses for cultivating talents in the field of robotics engineering. In order to cultivate new type of robotics-related talents according to the requirements of The Time and society， it is necessary to reform and innovate the existing teaching mode of engineering. Based on the concept of outcome-based education （OBE）， this study explores the application of online-offline hybrid teaching mode in the course of Robot Operating System. Through the combination of offline theoretical lectures， practical operations and online learning platform， a multi-dimensional full-field on-site interactive scene is created， and a student-centered multi-dimensional training system is designed， focusing on the students’ understanding of theoretical knowledge and improvement of practical operation ability in the learning process. We clarify the pain points， blockages and difficulties in the teaching process of the course Robot Operating System， adjust the original teaching process， clarify the tasks of teachers and students before， during and after class， and rebuild the final assessment method for students to improve the teaching effect.

Key words： OBE; teaching reform; Robot Operating System; online-offline; blended teaching