多维渐进式机器人课程实践教学体系构建

吴 东，张立敏，张 强，孔艺权，彭增焰，曾绍庚

（岭南师范学院 信息工程学院,广东 湛江 524048）

0 引 言

近年来，国内中小学把智能机器人作为中小学学生综合应用能力培养和素质教育开展的重要载体，机器人教育、机器人比赛及其相关的各类活动开展得如火如荼。这项新兴教育事业的迅猛发展给高等师范院校办学提出了新的挑战，向中小学输送能够完成教学任务并指导学生参加机器人比赛的高质量“应用能力型”教师成为高等师范院校面临的新问题[1-2]。如何深化机器人课程实践教学，强化学生的实践能力、创新能力，提高机器人教育人才质量，成为高等师范院校教学改革的一项重要课题。

实践教学既是理论结合实际的重要环节，也是训练学生基本技能和培养学生创新能力的重要途径[3]。“多维渐进式机器人课程实践教学体系”是在全面育人理念的指导下，将实验教学、创客教学、竞赛教学和教学评价融于一体，理论与实际相结合，培养高质量的机器人教育人才。这种充分体现“以人为本，注重实践”的教学方法，一方面，不但能促进机器人课程实践教学的良好发展，培养符合中小学机器人教育需求的人才，而且对高等师范院校的实践教学体系改革具有重要意义；另一方面，在当前国家大力鼓励“双创”教育的形势下，打造多维渐进式机器人教学体系，实现创新创业与机器人专业知识的有机融合，可以提升学生创新创业的品质和内涵。

1 机器人课程教学现状

目前，许多高等师范院校开设了机器人相关课程，目的在于让即将到中小学工作的“准教师”接受系统的机器人知识教育，让他们工作后能给中小学机器人教育注入新的动力。为培养能完成中小学机器人教学任务并指导学生参加机器人比赛的高质量教师，各高等师范院校在机器人课程内容设置、教学方法、评价体系等方面展开了探讨与实践。文献[4]探讨了教育技术免费师范生机器人实践教学培养方式及理念，整合课程、注重竞赛，并融入英特尔未来教育核心课程来促进学生的教师技能培养。文献[5]强调了机器人课程中实践教学的重要性，要求教师围绕热门的比赛项目开展教学，鼓励学生多动手、多调试，积极申请机器人课题和参加机器人比赛。文献[6]则从在校师范生的角度分析了机器人实践教学的现状，倡议机器人实验设备应尽可能使用Arduino一类的开源硬件，让学生能不受限制的按照自己的想法去完成创意作品。文献[7]还指出师范院校与中小学合作进行机器人实践教学的可行性，论证了这种合作模式对于促进中小学机器人教育的发展和师范院校学生的能力培养具有重要作用[7]。

纵观机器人课程教学改革研究与应用现状可以发现，对于机器人这样一门应用性极强的课程而言，基于“应用能力”的人才培养共识已然形成，问题只在于如何确保学生“应用能力”的形成和提升。我们立足于机器人课程实践教学体系的创新，协同相关机器人厂商、机器人比赛组织机构、中小学的“技术、资讯、创意、人力”等要素，更多的为学生开设实验、创客、竞赛相关的多维度渐进式训练，全面提高高等师范院校机器人课程教学质量，实现学生“应用能力”的沉淀及可持续发展。

2 多维渐进式机器人课程实践教学体系

多维渐进式机器人课程实践教学体系包含实验教学、创客教学、竞赛教学和教学评价等4个维度，它们之间的关系及渐进顺序如图1所示。

图1　多维渐进式机器人课程实践教学体系

2.1 实验教学维

实验教学在整个教学体系中占很大比例，其目的在于通过实验让学生掌握机器人的基本知识和操作技能。根据当前机器人技术和机器人比赛的发展趋势，需要不断精炼实验内容，使其与理论知识同步，并分类规划为基础性实验、综合性实验和设计性实验三大类。

1）基础性实验。

按照实验教材的要求，学生自己动手完成实验任务。学生通过这种方式来验证所学的理论知识，加深对所学知识的理解，掌握机器人的基本知识、各部件的功能、机器人的控制方式等。基础性实验通常只涉及机器人的某一个知识点，比如机器人红外传感器的使用。

2）综合性实验。

这类实验涉及机器人的多个知识点，甚至是算法分析等其他课程的知识，例如实现机器人的巡线动作。这类实验要求学生能灵活运用多个知识来完成指定任务，主要培养学生综合运用所学知识、实验方法和实验技能的能力。

3）设计性实验。

给定实验目的、要求和实验条件，学生自己设计实验方案并加以实现。学生独立完成资料查阅，拟定实验方案、实验方法和步骤，选择仪器设备进行实验，形成实验报告。例如机器人灭火、机器人踢足球、机器人垃圾分类等都属于这类实验。

在整个实验教学过程中，我们采用了渐进式教学方法，先让学生从基础性实验入手，再逐渐过渡到综合性、设计性实验，使学生遵循知识学习规律、技能形成规律，从易到难、由简到繁，以增强实验教学的效果。

2.2 创客教学维

创客教学旨在融合机器人教学和创客文化，主要基于学生兴趣，倡导创意的生成和实现，鼓励分享，以此培养学生的创新能力、跨学科解决问题能力和团队协作能力。基于机器人已被认为是创新教育好载体的现状，我们将创客教学环节引入到本课程中将能更有针对性地开展学生“双创”素质的培养。该环节分为3个阶段，并按渐进顺序进行。

1）头脑风暴。

学生在指定时间到大学生创新实践基地，在指导老师的安排下，营造一种自由的氛围，激发参与者灵感，突破固有思维束缚、最大限度地发挥创造力思维，最大限度地提出、记录各种机器人创意。

2）创意设计。

经查新确认创意的新颖性后，学生在教师的引导下根据自身多方面能力特点确定实现该创意的方案。

3）创意实现。

根据上一阶段制定的可行方案，以项目驱动的方式，结合每位成员的实际情况进行任务分工，学生自主完成创意。

在此过程中，教师应指导学生如何学习、如何动手制作、如何将各学科的知识综合运用，切实做到让学生能够“做中学”。另外，教师还应积极引导学生将该过程产生的作品用来参加机器人竞赛或创新设计竞赛，特别是那些有较大价值的作品，可进一步做好知识产权保护，并鼓励、支持学生用其入驻孵化器或自行创业等。

2.3 竞赛教学维

在机器人课程实践过程中引导学生积极参与各类机器人竞赛，甚至是带领协同合作学校的中小学学生参与竞赛都将令学生的能力得到全面的提升。本环节分为3个阶段，其中观摩竞赛、参与竞赛是学生在指导老师的带领下了解各类竞赛的基本信息和特点，掌握竞赛要求的技能，准备竞赛所需的材料器件，然后报名参赛并全身心投入直至竞赛结束，如参加“广东省机器人大赛”“科沃斯公司机器人比赛”“全国大学生机器人大赛”等。带队竞赛是让学生在合作学校指导老师的辅助下选定参赛项目，精心挑选中小学学生作为参赛队员，制定带队参赛计划、报名参赛直至竞赛结束，如参加“广东省中小学电脑机器人活动”等。这种让在校大学生带领中小学学生参加竞赛的实践改革，将让大学生有机会接触更多层次的竞赛机器人技术，拓宽他们的视野，锻炼了他们的指导能力。同时，在一定程度上促进地方机器人教育发展，提升地方机器人竞技水平。

2.4 教学评价维

“3+1+1”的机器人课程实践效果评价标准侧重考核学生动手操作能力、问题分析解决能力、创新能力、沟通能力、撰写能力、参赛能力、带队能力等综合素质。

评价标准中的“3”是指在实验教学过程中，通过平时表现、实验结果考核、实验文档3方面来确定学生成绩：平时表现占10%，用于评价学生实验过程中的学习态度是否端正、参与是否积极、沟通是否流畅；实验结果考核占40%，用于评价学生能否掌握实验要求的技能、能否清楚理解实验问题、能否合理设计实验方案、能否得到正确的实验结果等；实验文档考核占10%，用于评价学生的文档撰写能力，包括条理是否清晰、用词是否准确、排版是否规范等。

评价标准中的2个“1”指在创客教学和竞赛教学过程中给学生的评价，分别占20%。学生创客教学的评价由创新实践基地的指导老师考核评定，需要综合考虑学生的努力程度、成果表现、学习态度、团队协作、学习效果等。在竞赛教学中，注重考核学生在参与竞赛时发挥的作用，有竞赛获奖的可给予更高的评价。基于纳托尔和克里夫特的发展性教育评价理念[8]构建考核“学生发展力”的指标，旨在准确评价学生在创客教学和竞赛教学中的表现，给学生反馈其优势与不足，让学生明确将来的发展方向。 “学生发展力”评价指标见表1。

表1　“学生发展力”评价指标

3 多维渐进式机器人课程实践教学体系的保障条件

3.1 完善课程材料

“工欲善其事，必先利其器”。教材、教案、教学计划等课程材料在人才培养中起着基础作用。在目前没有教材适合高等师范院校机器人教育的情况下，我们应认真梳理机器人技术、竞赛的基础知识和前沿信息，分析归纳中小学机器人教育需求，再结合本校学生知识结构规划本校机器人课程的教学内容。此外，集中优秀的师资力量，以该教学内容为蓝本，精心编著、出版相关教材，还制定了实验教学大纲、实验教学计划，编写了实验指导书。这些材料为课程实验教学的正常开展发挥了重要作用。

3.2　建设“创客化”实验室

早期，机器人实验室是学生完成实验任务的主要场所。我们在保证基础性实验教学效果的基础上，以综合性、设计性实验为主建设开放式实验室，取得了初步成效[9]。后来，随着创客教学的引入，我们开始尝试基于创客理念的机器人实验室建设和管理机制[10-11]：①遵从简朴实用的DIY风格，完成实验室的布局改造，将其划分为学习训练区、竞赛竞技区、设备存储区和作品展览区，更有利于各项活动的高效开展；②完善项目运作模式，在项目立项时严格把关、项目实施过程中精心制作、项目结束后积极推广，不仅提高了学生作品的质量，也提高了竞赛获奖及高层次课题立项的成功率；③坚持实验室师生共建、共管、共创、共享，促进实验室的创客化建设，为人才培养的创客化创造条件。

3.3 多方协同培养

为完成实践教学任务，提高实践教学质量，我们还采用了多方协同培养机制：①通过校内协同，利用其他学院的先进制造科研创新团队的师资和工业机器人实验室的设备，实现实验教学资源共享，为我们的学生创造更多的学习机会和条件；②开展校企协同，借助上海未来伙伴机器人有限公司、广州映博智能科技有限公司、中山市大谷电子科技有限公司等企业的机器人产品和技术力量，为学生举办技术讲座，如“机器人足球比赛”“表情机器人制作”“机器人的智能”等，让学生增强机器人编程能力、了解机器人领域的前沿技术，扩大知识面；③校校协同，依托跟岭南师范学院附属中学、湛江市一中培才学校、湛江市实验中学建立的教育实践基地，为学生聘请经验丰富的校外指导老师，给学生提供教育实践和带队竞赛的机会，实现高校教育跟中学教育的互助与进步，校校协同是我们进行多维渐进式机器人课程实践教学的重要支撑。

3.4 制定规章条例

多维渐进式机器人课程实践教学活动的顺利开展，需要科学合理的规章条例来规范实验室管理、学生实践活动及老师的指导工作。目前，我们主要制定了《竞赛机器人实验室开放管理办法》《竞赛机器人实验室安全规范细则》《机器人课程教师工作条例》《机器人教育实践学生守则》《学生外出参赛安全条例》《实践基地指导老师聘任制度》《实践基地指导老师工作条例》等。

4 多维渐进式机器人课程实践教学体系应用成效

自2013年起，我们以学生能力发展需求与专业既有基础为根据，协同相关机器人厂商、机器人比赛组织机构，从改革机器人课程实践教学内容、形式、方法出发，将培养学生创新能力、竞赛能力、指导能力等作为重点，初步构建了多维渐进式机器人实践教学体系，并将其应用于计算机和教育技术专业学生的机器人实践教学中，取得了相较以前更好的教学效果：①学生整体学习兴趣提高，学习氛围浓厚，教学质量提升；②学生乐于创新、敢于创新、积极创新，他们的作品在各类机器人比赛和项目申请中有诸多收获：中国大学生计算机设计大赛二等奖1项、广东省机器人大赛一等奖1项和二等奖3项、科沃斯机器人创想秀大赛入围奖、广东省大学生创新创业项目立项2项、广东省大学生科技创新培育项目（“攀登计划”）立项3项等，还发表学术论文2篇、取得软件著作权3项；③学生在教育实践基地积极带队参赛，态度认真、指导到位，帮助教育实践基地在“智能垃圾分类”比赛中获得优胜奖。

5 结 语

多维渐进式机器人课程实践教学体系，从实验教学、创客教学和竞赛教学3方面由易到难渐进的锻炼学生，并使用新的标准来评价学生学习效果，其应用取得了一定成绩。不过，我们仍需从理论和实践两方面开展更多的工作来对其做进一步完善，特别是在创客教学过程中，要加强大学生“双创”素质培养，达到大学生创新创业教育的目的。

参考文献：

[1]刘淑云, 马燕, 范文翔. 创客理念下师范院校的机器人教学模式探究[J]. 现代教育技术, 2016(7): 120-126.

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[3]陈小桥, 杨光义,贺赛先, 等. 探讨提高大学生创新实践能力新机制[J]. 实验科学与技术, 2016(4): 9-11, 40.

[4]秦健, 崔鑫治,李晓刚. 我国机器人教育研究现状与我校校本课程建设[J]. 中国信息技术教育, 2011(8): 4-6.

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[6]薛梦如, 李瑶,傅巧玲, 等. 机器人教育之我见: 在校师范生对机器人教育的认识[J].科教导刊(中旬刊), 2013(11): 30-31.

[7]秦健, 刘超,吴忠旭.基于师范院校与中学合作的机器人教育模式探究[J]. 广西广播电视大学学报, 2016(2): 27-30.

[8]董烈霞. 发展性评价: 教师教育评价的实施策略研究: 基于教育类课程教学的行动研究[J]. 中国成人教育, 2016(11): 140-143.

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[11]王文涛, 赵宏, 刘荣娟, 等. 大学生创新实验室建设研究[J]. 实验技术与管理,2016(11):30-32, 36.