创新能力培养视角下的“混合式”教学模式改革与实践

邱丽梅，吴 龙

（1.三明学院 机电工程学院，福建 三明 365004；2.机械现代设计制造技术福建省高校工程研究中心，福建 三明 365004）

创新能力培养视角下的“混合式”教学模式改革与实践

邱丽梅1，2，吴 龙1，2

（1.三明学院 机电工程学院，福建 三明 365004；2.机械现代设计制造技术福建省高校工程研究中心，福建 三明 365004）

响应地方高校“培养具有创新精神和实践能力的高级应用型人才”的号召，着眼于培养学生“创新实践能力”，以《机器人技术》课程教学改革为例，颠覆了传统的教学模式，提出了集“一线串珠”、“MOOC”、“项目式”等教学模式为一体的“混合式”教学新模式。 实践表明，该模式抓住了教学主线，实现了理论结合实际，能适应应用型本科院校的教学，开创了具有自身特色的、实用的、灵活的大学课堂教学新模式，激发了学生的学习能力、实践能力和创新能力。

一线串珠；MOOC；项目式；“混合式”教学模式

1 引 言

习近平主席曾说过：“机器人是 ‘制造业皇冠顶端的明珠’，其研发、制造、应用是衡量一个国家科技创新和高端制造业水平的重要标志。”机器人技术是近年来得到广泛关注的研究领域，是集成了生物、机械、电子、计算机和人工智能等众多领域的尖端科技[1]。 中 国 、日本 、韩国和 欧 盟等都 将 机器人 技 术列 入 国家科技发展规划。 麻省理工学院、俄勒冈州立大学、清华大学、哈尔滨工业大学、浙江大学等国内外许多高等院校都已开展了机器人教学工作。 《机器人技术》课程在各高校中变得越来越普遍，如何结合机器人技术的发展搞好机器人的教学工作是许多机器人教育 工作者 关 心的问 题[2]。

在“工业 4.0”的国际大背景下，及在“中国制造 2025”的强国战略和“大众创业，万众创新”的号召下，三明学院作为地方本科院校响应“培养具有创新精神和实践能力的高级应用型人才”的号召，着眼于培养学生“创新实践能力”。 因此，《机器人技术》课程的教学目标应由传统的传授机器人系统基础知识，发展为使学生在较短的时间内掌握生产现场最需要的工业机器人的实际应用技术，并培养学生综合运用机电一体化、智能控制等多种技术，以及将学到的基础理论和专业知识进行创新设计能力培养的多重目标。为此，本文针对《机器人技术》课程，以培养学生创新能力为目标，提出了把“一线串珠式”、“MOOC”和“项目式”教学融为一体的“混合式”教学模式，如图 1 所示，该模式抓住了教学主线，兼顾了课堂内外，实现了理论结合实际，适应了应用型本科院校的教学，开创了具有自身特色的、实用的、灵活的大学课堂教学新模式，为培养具有创新精神和实践能力的高级应用型人才奠定了基础。

图1 课程教学新模式

2 培养创新能力的“混合式”教学新模式

《机器人技术》课程是集机械、检测传感、信息、控制和伺服驱动等技术一体的典型的高端的机电一体化综合学科，其主要内容包括了机器人概述、机械本体结构、运动学、动力学、轨迹规划、控制系统和编程等 7 个章节的内容，教学过程融会贯通了《机械设计》、《单片机技术》、《传感与检测技术》、《控制原理》和《C 程序设计》等多门机械、电子、信息和软件工程等相关专业的课程知识。该课程教学内容丰富，但理论学时较少，因此，对教材进行重组，针对不同章节的内容特点，采用不同的教学模式，集“一线串珠”、“MOOC”、“项目式”教学模式于一体，如图 1 所示，“概述”部分采用了“一线串珠式”教学；“机器人运动学”和“机器人动力学”部分采用“MOOC”教学；“机器人机械本体结构”、“机器人轨迹规划”、“机器人控制系统”和“机器人编程”4 部分相结合实施“项目式”教学。 从而形成了灵活的、具有自身特色与针对创新能力培养的新型“混合式”教学模式。

2.1 “一线串珠式”教学，抓住“教”与“学”主线

针对不太集中、相对分散的内容，提出“一线串珠式”教学。 首先抓住“线”才能把零散的“珠”“串”起来。 这根“线”可以是教材的编写思路，也可以是该课程的主要组成元素，也可以是一个实际的应用问题。针对《机器人技术》这门课程，选择贴近生活的“家务型机器人”、“搬运机器人”和山东大鲁餐厅的“机器人服务员”等视频，在激起学生学习积极性和兴趣的同时，从视频中引出“家务型机器人是如何完成端盘子动作的？”等相关的问题。如图 2 所示，为了让机器人端起盘子，由动力系统输出能量（电能、液压能、气压能等）给执行元件系统（电机、液压缸、气压缸等），由执行元件输出驱动力， 驱动机器人机械本体 （机身、臂部、手腕和手爪等）动作，运动位姿（运动学）是否到位，由传感检测系统检测，把相应的位姿变化参数反馈给机器人控制系统，并由其输出相应的控制信息（如轨迹规划信息等），反馈给执行元件，最终由其输出合适的驱动力，让机器人手爪（末端）端起盘子（动力学）。 通过对该问题的分析解答，把机器人“机械本体”、“运动学”、“动力学”、“轨迹规划”、“控制系统”和“编程”等零散的“珠”都串在“完成端盘子动作”这条线上，从而实现了“一线串珠”，抓住了学习《机器人技术》课程的主线，也让学生掌握了“够用”的系统知识。

图2 “一线串珠”式教学

图3 “MOOC”式教学

2.2 采用“MOOC”教学，培养创新能力

“机器人运动学”是《机器人技术》课程的重点和难点章节，因为涉及了从各关节坐标系的建立，到坐标系之间的齐次坐标变换，同学们普遍较难在课堂上掌握；“机器人动力学”方程的推导，也是较枯燥、较难的知识点。 这两部分教学可采用“MOOC”的授课 方 式[3]，如 图 3 所 示 ，课 前就 上 课 主 题 任 务 （如 机 器人运动学和动力学等）、练习题和问题等布置给同学们，同时提供相应的 MOOC 视频，让同学们分组进行MOOC 学习， 及查阅相关文献， 与教师进行讨论预讲；课堂上，教师针对教学内容进行重点回顾，同学们进行小组汇报，同时各小组之间进行挑战提问，最后由教师进行课堂总结。对于此类既难又重要的研究型章节，采用 MOOC 教学模式，既能让学生主动学习，在激发学生的学习积极性的同时，又能培养其研究创新能力。

2.3 坐实“项目式”教学，提升学生创新能力

许 多 教 师 都 曾 用 过 “ 项 目 式 ” 教 学[4-5]， 但 项 目 的来源是该教学模式得以顺利开展的根本所在。本文在实施过程中，从往届优秀的毕业设计、国家级及省级大学生创新训练项目、及本校特有的开放实验室创新项目中遴选合适的项目。这些机器人技术相关的项目都覆盖了机械、电子、信息和软件等综合学科的知识，因此如何在有限的课堂时间内顺利地开展项目是“项目式”教学的瓶颈。本文提出先将项目分成机械结构设计、控制电路设计、运行轨迹规划、动作程序设计和驱动设计等若干个子项目，让学生分组进行，再把各组完成的子项目进行融合，组成完整的机器人技术项目，引导学生在项目实施过程中多借鉴、多思考、多尝试，从中培养和提升学生的动手能 力 、思 维 能 力 及 创 新 实 践 能 力[6]，坐 实 了 “ 项 目 式 ”教学。项目教学法具体实施如图4所示。

图4 项目式教学

1.教师介绍项目背景，把项目分成若干子项目，分析得到子任务和总任务，并分配给每组学生，学生根据任务，查阅资料，确定方案，最终完成各自任务；

2.学生在项目实施过程中不断提出疑问，教师回答学生疑问，讲解理论知识，不断地引导学生思考更深层次的问题，教师在“引导—理论讲解—答疑”的过程中，引出相关知识点，并理顺各知识点之间的关联性，便于帮助学生建立起各知识点的关联，优化方案，完善任务；

3.学生提交、展示设计成果，相互交流，在这过程中，教师就案例分析总结，再次提升理论；

4.引导学生把子项目整合成完整的机器人技术项目，并在往届的基础上进一步改进完善，凝练出优秀的完整的机器人项目，作为来年国家级或省级的创新、创业项目的申报，并把其中实用性强的项目，进一步升华成实用新型专利，落实创新。

3 教学效果比较

近 3 年来，针对《机器人技术》课程，实施了“混合式”教学新模式，并对各班的平均出勤率、课堂参与率、抄作业率、参赛人次率、考试作弊率和不及格率等做了相应的统计分析。实践表明，采用新模式教学后，出勤率、课堂参与率和参赛率大大提高，而抄作业率、考试作弊率和不及格率也相应降低了，总体取得了较好的教学效果，教学模式实施前后的教学效果比较如表1所示。

表1 实施前后教学效果比较表

4 结 语

着眼于培养学生创新能力，以《机器人技术》课程教学改革为例，挖掘教学细节，总结教学经验，形成了从内容重组，到教学模式实施，到效果分析等一套完整的教学体系。针对不同特点的教学内容，提出把“一线串珠式”、“MOOC”和“项目式”等教学模式，有机融为一体的新型“混合式”教学模式。 实践表明，该模式不仅有利于教师捋清教学思路，提升自己；而且有利于帮助学生抓住学习主线，兼顾课堂内外，提升理论，实现了创新能力的培养；并吻合了应用型本科院校 “培养具有创新精神和实践能力的高级应用型人才”的培养宗旨。

[1]李延保.我国大学本科教育教学改革的新趋势[J]，中国高教研究，2013（7）:19-22.

[2]李 永 安.我 国 大 学 课 堂 教 学 的 改 革 策 略[J].中 国 高 等 教 育 ，2013（5）:33-35.

[3]钟晓流，宋述强，焦丽珍.信息化环境中 基于翻转课堂理念的教学设计研究[J].开放教育研究，2013（11）：58-64.

[4]黄 亚 平．项 目 教 学 法 在 “软件工程”教 学 中 的 理 论 和 实 践[J]．浙江工业大学学报：社会科学版，2009（6）:226-231．

[5]周蕾．简述“任务+项目”教学法[J]．考试周刊，2008（30）:167．

[6]曾明星，周清平，王晓 波 ，等 ，软 件 工程专业 “项 目 化”教 学实 施 体 系 的 构 建 [J]. 实 验 室 研 究 与 探 索 ，2013，32 （5）: 158-163.

责任编辑：胡德明

The Reform and Practice of"Mixed"Teaching Mode from the Perspective of Innovation Ability Cultivation

Qiu Limei1,2,Wu Long1,2
(1.School of Mechanical&Electrical Engineering,Sanming University,Sanming 365004,China; 2.Engineering Research Center of Modern Mechanical Design and Manufacturing Technology of Colleges and Universities in Fujian,Sanming 365004,China)

To respond to the call for cultivating advanced applied talents with innovative spirit and practical ability in local colleges and universities,and focus on training students'innovative and practical ability,the paper,taking Robot Technology teaching reform as an example,subverts the traditional teaching pattern,and puts forward a"mixed"teaching mode that combines"a string of beads","MOOC"and"project-based"teaching mode.Practice shows that the mode has captured the main line of teaching,realized the combination of theory with practice,and fit in with the teaching of applied undergraduate colleges and universities,created a new,practical and flexible mode of classroom teaching with its own characteristics, and stimulated students'learning ability,practical ability and innovative ability.

a string of beads;MOOC;project-based;"mixed"teaching mode

G642

：A

：1672-447X(2017）03-0108-04

2017-02-22

福建省本科高校教育教学改革研究项目（JZ160325）

邱丽梅（1981-），福建三明人，硕士，三明学院副教授，研究方向为机电一体化和模式识别；

吴龙（1973-），宁夏宁川人，博士，三明学院教授，研究方向为计算机辅助设计和计算机辅助工程等。