实践教学在工程类高等远程教育中的实施和探索

朱晓蕊

摘要：在工程类课程的教学中，实践教学是其中重要的一个环节，但是在远程教育的过程中由于条件的限制，实践环节很难有效实现。本文以控制科学与工程专业的《机器人学》为例，设计了基于网络开放平台的实践课与理论课有效结合的教案，具体实施整个教案体系并收集学生反馈，由任课教师-课上教学-学生反馈几个环节组成一个闭环系统。为此类工程类课程的远程教学提供了行之有效的实践方法。

关键词：远程教育；工程类课程；网络开放平台；实践教学

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）46-0268-02

一、引言

随着信息和网络技术的发展和广泛应用，20世纪90年代产生了基于网络的现代远程教育。因此高等远程教育在全世界范围内得到了快速的发展，并逐渐发展成为高等教育教学方法的一个趋势[1]。工程类课程需要大量的实践教学环节。目前国内外大部分的远程教学仍然局限在机械式的收发课程资源、习题的较为初级的阶段[2]。本文通过对现代网络开放平台的充分利用，设计了理论课与实践课有效结合的教案，具体实施整个教案体系并收集学生反馈形成一个闭环系统，探索出一套新的适用于工程类高等远程教育的方案。本文以控制科学与工程《机器人学》为例，设计了基于网络开放平台的实践课与理论课有效结合的教案。该课程主要涉及三维坐标系下的刚体运动、运动学正解方法、逆向运动学、开环机械臂动力学、空间机械臂的PID和PD控制等工程问题，是一门典型的需要理论与实践相结合的工程类课程，对于其他远程教育中包含实践类环节的工程类课程具有推广意义。

二、以《机器人学》为例的课程实施方法

1.课程的组织与安排。本文所述远程教学模式的课程设置主要分为两个部分：理论教学部分与实践教学部分。不同于传统的实践课统一安排于理论课之后的做法，本文所述远程教学模式将实践教学环节穿插于理论教学环节之间。学生根据自己的理解来拟定课程设计的题目，在明确了课程设计的内容之后便是实践课和理论课的交替进行，实践课的周期会稍长于理论课的讲授。本教学模式的实施在3节理论课之间穿插1节实践课。其中实践课全部在网络平台上完成。随着理论课程的深入，学生对于课程设计内容和要求会产生新的理解，在每次实践课上可以通过本项目设计的网络平台同其他学生和老师探讨和修改课程设计的题目和要求。在全部理论课程结束后大约2周时间，将进行课程设计的答辩和提交报告，课程设计的成绩将作为本课程的期末考试成绩。整个课程的最终成绩将由课程设计成绩和平时书面作业成绩共同组成。

2.理论与实践相结合的教案。本文所述远程教学模式将实践课与理论课组成一个完整的体系，将实践课贯穿于整个课程的教学中，与理论课交替进行。设计并实施了理论与实践相结合的教案。教案的设计充分考虑了学生的理解能力与生产实际需求，为每一节理论知识设计了相应的实验环节，帮助学生理解和应用相应的知识。同时本文所述教学模式还设计制作了课程网站。教案中也安排了相应的环节就学生在网络平台和网站遇到的实际工程问题进行讲解和讨论，帮助学生更好地理解课程的内容。通过实施该教案，使得工程类课程远程教育达到与面授相当甚至更好的教学效果。

3.基于ROS（Robot Operation System）的网络平台实践课实现途径和方法。本文在实践课方面仍然采用课程设计的形式来进行，将选择该门课程的学生分成若干个小组，每个小组由2-3名成员构成，每组学生根据对课程基础理论知识的理解以及自己的实际实践能力，经过小组成员间的协商最终提出课程设计的题目和设计内容，课程设计的创新和创意同样是评价课程设计的标准之一。实践课的网络开放平台拟采用最新的机器人操作系统ROS（Robot Operation System）作为基础的开放平台。ROS系统最早源于2007年斯坦福大学人工智能实验室与美国机器人技术公司Willow Garage的个人机器人项目之间的合作[3]。2010年Willow Garage公司正式发布了开源的机器人操作系统ROS。该操作系统集成有很多开源的模块，包括里程计包、导航功能包等机器人应用中最常见的程序库，并且包括多种机器人平台的可视化程序库，同时包含详实的物理仿真模拟平台。学生可以利用这些程序库和软件包，结合所学的理论知识，在线完成课程设计的内容，比如机器人的定位与制图、基于视觉的机器人抓取操作等。学生所编写的算法可以直接用在ROS里面的常用机器人平台上。ROS的应用非常广泛，而且它属于一款开源软件，任何个人或机构都可以免费下载和使用，其实用性和高效性使得现今所有主流的机器人公司发布的产品都以ROS为操作系统。

4.基于课程网站和ROS社区的“学生-学生-老师”多方交互系统。学生可以将实践课以及自己的成果上传至本课程网站，教师可以登录网站查阅学生的实践环节完成情况，其他学生也可以通过本课程网站详细了解其他同学的工作。本项目制作了课程网站，网站上包含教师授课的视频，相关参考资料的下载链接；最重要的是包含了学生在实践环节的课程设计成果，包括课程设计的主要内容，程序源代码及注释以及相应的视频。教师和学生都可以自由地登陆网站查看和学习其他同学的实验成果；同时也设置了留言系统，使得学生之间、学生和教师之间可以根据具体的课程设计题目充分地进行交流。通过这样的网络平台，实施整个理论和实践结合的教案体系并收集学生反馈形成一个闭环系统。教师可以根据学生的反馈有效地调整教学进度和教学内容。学生之间也可就问题进行交流和讨论，无论是在理论课环节亦或是实践课环节遇到的问题，都能通过该网络平台得到有效处理和解决，克服了传统远程教育教师和学生脱节的问题。学生还可以将自己的实验成果上传至ROS社区与世界其他地区的相关从业人员进行分享。使得学生的学習工作更加贴合生产实际。同时由于工程类相关技术发展和更新速度较快，通过和世界其他地区的从业人员进行交流，能够使得学生紧跟工业界技术的发展趋势。

三、本教学模式对于工程类课程远程教育的推广意义

本研究的重要突破主要在于以下两个方面：首先是将实践课与理论课组成了一个完整的体系，设计了理论结合实际的教案。将实践课贯穿于整个课程的教学当中，与理论课交替进行，使得两者之间联系紧密，任何一方都不脱节，理论不孤立于实践，实践融合了理论，两者紧密联系，相辅相成。第二点是实践课全部选择在网络上完成，网络开放平台选择最新的机器人操作系统ROS作为基础的开发平台。采用该网络实践平台，使得选修远程课程的异地学生也能感受到和本地学生相同的学习体验。同时设计了课程的网站提供给学生，作为学生与教师之间的交互平台，使得这个教学过程构成一个闭环，教师能够根据远程学生的反馈调整教学进度和内容。

本研究所提出的教学模式以控制科学与工程《机器人学》课程为例，具有较强的可推广性，适用于所有包含大量实践环节的工程类课程的远程教学。

参考文献：

[1]曾火焕，张龙.现代远程教育的发展与前景展望[J].教育评论，1999，（6）：85-86.

[2]马国刚，熊文，张清学.关于现代远程教育发展趋向的几点思考——基于国内外远程教育典型应用案例的研究[J].石油教育，2012，（6）：103-108.

[3]Quigley M，Conley K，Gerkey B P，et al.ROS：an open-source Robot Operating System，2009.