機器人實踐課程任務驅動教學探索

摘 要：從“新工科”建設要求出發，針對以往機器人實踐教學中存在的教學內容碎片化、教學方式原始化、考核評價形式單一化等問題，引入任務驅動教學模式進行教學改革探索。以“初級機器人技術與實踐”課程為例，通過設計結合行業特色的層次化實踐任務科目，開展以學生為中心的任務實施方式，建立多元立體的任務評價機制，構建師生融通的持續改進模式，不斷提升課程教學成效。實踐表明，任務驅動教學模式能夠激發學生的學習熱情，促進學生綜合實踐能力和創新能力的提升。

關鍵詞：任務驅動；教學改革；AGV機器人；實踐教學；評價體系；“新工科”

中圖分類號：TP242；G420 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2025）01-0-03

0 引 言

隨著新一輪科技革命和產業變革的不斷深化，對具備綜合素質和創新能力的工程技術人才培養提出了更高要求。深化高等工程教育改革，全力推進新工科建設，是提升工程技術人才培養質量的必由之路[1]。

機器人技術融合了機械、電氣、控制、傳感、計算機、人工智能等多種技術，既是典型的新工科學科，又是傳統學科工程教育改革的重要支撐[2]。當前，機器人技術在國民經濟及社會生活的各個領域中應用得越來越廣泛，是各國戰略布局發展的主要方向之一。越來越多的高校開設了機器人相關專業或課程，在不同領域、不同層級的機器人技術人才培養方面積累了許多寶貴經驗。中國石油大學（華東）石油工業訓練中心立足實踐教學，結合行業特色，以輪式機器人、足式機器人、機器魚和NAO機器人為平臺，面向全校學生開設了4門機器人實踐類公選課，滿足相關專業學生開展機器人基礎訓練、綜合實踐、創新研究、學科競賽等需求，同時為行業特色專業學生提供了了解機器人技術、擴展創新視野、發掘創新潛力的寶貴機會。

本文以“初級機器人技術與實踐”課程為例，分析行業特色大學在機器人實踐課程教學中存在的問題，并引入任務驅動教學模式，對機器人實踐教學進行改革與探索。

1 實踐教學問題分析

“初級機器人技術與實踐”是我校開設的一門機器人實踐類公選課，主要面向機器人相關專業低年級學生及行業特色專業的學生，在提高學生學習興趣、教授機器人基本知識、訓練學生動手實踐能力和創新意識方面發揮了積極作用。然而，通過問卷調查和學生座談，發現課程教學仍存在一些問題：

（1）教學內容碎片化。該課程以實踐為主，涉及機械、電氣、控制、軟件等眾多方面的知識點，學生難以建立起系統的知識體系，且實踐項目多為驗證性實驗，學生學習熱情不高。

（2）教學方式原始化。實踐教學過程仍以教師為中心，較復雜的實踐項目往往在教師的全程指揮下完成，學生主動探索的積極性不強。

（3）考核評價形式單一化。僅憑簡單的驗證性實驗結果難以反映學生真實的學習效果，考核形式對學生的激勵作用不明顯。

（4）部分公選課班級的學生組成以行業特色專業學生為主，機器人技術基礎相對薄弱，缺乏針對性的教學內容、教學方式和考核評價機制，導致學生學習難度較大，學習興趣降低。

針對以上問題，課程教學團隊根據“新工科”建設理念及要求，引入任務驅動教學模式，通過實踐任務優化設計、教學方式和考核機制變革、持續改進模式構建等一系列舉措，對提升課程教學質量進行了深入探索與實踐。

2 任務驅動教學總體思路

任務驅動教學是一種以建構主義學習理論和實用主義教育理論為基礎的教學方法，以“任務”作為教學目標的具象化載體，以學生為主體，以教師為主導，將傳統的知識傳授型教學轉變為問題解決型教學[3-5]，是“新工科”理念下實踐教學的一種有效模式。

任務驅動教學包括4個環節：任務設計、任務實施、任務評價和持續改進[6]。任務驅動教學的具體流程如圖1所示。

（1）任務設計：該環節應在課程開始前進行，教師根據教學目標，結合教學內容和實踐平臺，對整門課程涉及的實踐任務進行總體規劃，分層次設計能夠輔助教學目標達成、涵蓋較多知識點、具有實用性和趣味性的實踐任務科目，并對任務實施過程進行模擬和評估，以確保實施的可行性；

（2）任務實施：該環節是實踐教學的核心環節，應以學生為主體，對實踐任務進行自主分析、討論，提出解決方案并付諸實施，訓練學生分析、處理復雜工程問題的能力[7]。

（3）任務評價：該環節是對學生實踐任務完成效果進行考評，應以促進學生學習為目的，建立全過程、多元化的評價機制，避免“一刀切”式考核。

（4）持續改進：該環節在課程結束后進行，教師與學生共同探討，深入分析任務設計、實施存在的問題，不斷優化課程教學內容和模式。

3 任務驅動教學設計

從課程特點及存在問題出發，以新工科建設理念為指導，引入任務驅動的教學模式，結合行業特色，對本校“初級機器人技術與實踐”課程進行改革探索。

3.1 層級遞進的任務設計

為解決該課程知識點“碎片化”的問題，重新梳理課程知識點，使其成為連貫的知識體系，打通學生知識關聯的“堵點”。通過重構與深化原有實驗項目、開發與拓展新實驗項目等方式，按照“認知-綜合-創新”的能力層次設計了10個實踐任務科目，見表1。實踐任務覆蓋了該課程大綱中90%以上的知識點，使學生在完成項目的同時，能夠將原本“碎片化”的理論知識融會貫通。

認知層實踐重在強化學生對機器人基本原理的理解，培養其基本的開發技能；綜合層實踐引入各類傳感器，結合與生產生活相關的實際情景，逐步提升學生的機器人設計、開發與調試能力；創新層實踐結合了行業特色，布置了石油站場智能探測自動導航小車（Automated Guided Vehicle， AGV）設計任務，要求學生通過前序課程學習，綜合運用所學知識，設計出具備自動巡航、避障報警、溫度（或有毒有害氣體體積分數、火情）探測及處理等功能的AGV機器人[8-9]。通過構建具有行業特色的實踐情景，有效激發了學生的學習熱情。

為滿足實踐任務情景構建需求，選用Boe-Bot機器人套件作為實踐教學平臺，平臺主要包括控制、驅動、機械、傳感等模塊，如圖2所示。

教學平臺的微控制器選用STM32F103C8T6單片機，其內核為32位ARM Cortex-M3處理器，時鐘頻率達72 MHz，具有高性能、低功耗、高集成度、高靈活性等特點[10]。該單片機具有豐富的外設接口，支持多種編程方式，便于學生開發和調試，可支持多種傳感器，滿足個性化功能需求。此外，該單片機具有完善的用戶生態，適合學生自學和課外拓展學習。

3.2 以學生為中心的任務實施

該項目貫徹以學生為中心的“新工科”教育理念，任務實施過程如圖3所示。任務實施通常以團隊為單位，任務實施時，每個團隊推選一位負責人，負責任務協調與分工；團隊成員在分析、討論任務要求后，制定總體方案，并按分工開展硬件搭建、電路設計、程序開發等具體工作。團隊負責人需把控本團隊任務實施進度，協調、解決實施過程中遇到的問題。教師發揮主導作用，把控任務實施總體進度并給予必要指導。

3.3 多元立體的任務評價

任務評價體系一方面應真實反映學生對知識、技能的掌握情況，另一方面應能夠激勵學生在重要知識、技能的學習上投入更大精力。該課程的任務評價環節分為3個方面：一是對任務完成結果與任務要求的契合度進行評價，主要采取學生演示和教師評價的方式進行；二是對團隊合作情況進行評價，由團隊負責人依據團隊成員的實際表現進行評價，而團隊負責人的成績則取團隊成員打分的平均值；三是對實訓報告進行評價，實訓報告的內容涵蓋實訓方案設計、實訓過程總結、知識點總結和反思提升部分，教師據此來評估學生對實訓任務所涉及知識、技能的理解與掌握情況[11]。

3.4 師生融通的持續改進

在課程教學任務完成后，教師組織學生座談，了解學生對課程教學的直觀感受，發放調查問卷，征詢學生對實踐任務及課程教學的改進建議。教學團隊深入分析學生建議，對實踐任務的內容、實施方式、評價方式進行持續優化，不斷積累教學實踐經驗，提升課堂教學效果。經過多輪任務驅動教學實踐，學生成績優秀率有了較大提升，反映出該教學模式對提高學生的創新實踐能力具有促進作用。

4 結 語

基于“新工科”建設要求，針對行業特色大學的學生特點及機器人實踐教學內容、教學方式、考核方式等方面存在的問題，引入任務驅動教學模式，對“初級機器人技術與實踐”課程進行系統化的改革探索，形成了層級遞進的實踐任務科目設計、以學生為中心的任務實施方式、多元立體的任務評價機制和師生融通的持續改進模式等經驗做法。教學實踐表明：任務驅動教學模式能夠激發學生的學習興趣，提升學生的綜合實踐和創新能力。

注：本文通訊作者為趙玉明。

參考文獻

[1]殷婷婷，楊忠，徐楠，等.新工科背景下物聯網工程專業嵌入式系統課程教學探索[J].物聯網技術，2022，12（12）：139-141.

[2]雷靜桃，劉亮，張海洪.“機器人學”課程教學改革與實踐[J].實驗室研究與探索，2013，32（5）：179-182.

[3]王甜，李霄，李曉芳，等.新工科背景下物聯網工程課程建設探索與實踐——以“物聯網工程規劃與設計”課程為例[J].物聯網技術，2023，13（9）：151-155.

[4]胡純意，李建輝，胡純蓉，等.基于OBE理念的翻轉課堂教學模式的構建——以“微機原理與接口技術”課程為例[J].物聯網技術，2023，13（8）：159-162.

[5]張顯才，崔晶晶，張雪.“金課”背景下“電路分析基礎”課程建設研究[J].物聯網技術，2023，13（8）：147-150.

[6]朱亞玲，徐瑾，王娟，等.任務驅動教學法對于培養工科大學生計算思維的應用研究[J].創新創業理論研究與實踐，2023，6（19）：174-176.

[7]藍紅莉，王曉榮，周曉輝.融合PDCA理論的任務驅動實踐教學模式研究與實施[J].實驗室研究與探索，2021，40（7）：200-204.

[8]高玉健，胡立夫，王海明，等.化工廠智能巡檢機器人系統設計[J].工業儀表與自動化裝置，2020（3）：55-59.

[9]周健，徐志國.基于STM32的智能循跡機器人的設計[J].集成電路應用，2020，37（2）：45-47.

[10]張佳琪，于海霞，劉永輝，等. STM32單片機控制的智能垃圾分類終端[J].物聯網技術，2023，13（1）：82-84.

[11]吳凌天，吳金男，朱益波，等. 工程教育專業認證背景下生物工程項目實踐創新課程建設的邏輯與實踐[J]. 生物工程學報， 2021，37（12）：4455-4464.