新工科课程教学研究与实践

在新工科教学体系改革中，课程建设与教学方法研究是实现新工科人才培养的基础。为此本文就大学工程类专业中教学“人机交互技术”这门学科为例，探讨适应新工科培养目标的教学方法。

“人机交互技术”学科具有很强的学科交叉性，是人工智能领域机器人研究方向的研究热点之一，被列为了支撑信息技术发展的科学基础之一。理论联系实践，培养学生的动手能力和创新能力是高等院校在培养新型工程应用型人才的重要目标。强化项目实践教学是实现新工科发展目标的重要手段。

一、教学改革目标与措施

“人机交互技术”具有综合性强、应用性和实践性强的特点，是培养学生工程素质和创新能力一个重要载体。但目前传统的教学模式教学内容单一，综合训练程度不够，缺乏对人机接口技术理论知识的充分理解，实践动手能力较弱，难于符合新工科的培养目标。激发学生学习兴趣、强化学生掌握理论知识、解决工程应用及培养学生创新能力成为了新工科课程实践教学改革中一个亟待解决的问题。

二、教学改革目标与措施

1.教学改革目标。以新工科人才培养中交叉学科课程建设为目标，通过“理论教学与项目实践”相结合的教学法的研究和探索，从本质上改变传统教学法中的实验实践教学环节，改变只重视理论、内容单一、工程应用背景不强及不能独立解决问题的薄弱环节。

在采用“理论教学与项目实践”教学方法中培养学生具有如下几方面的能力：完成项目解决方案的资料收集、阅读、整理能力；人机接口课程的理论知识掌握与实践应用能力；工程实践问题的提出、解决能力；综合基础课程和专业课程知识运用能力；项目实施过程中软件编程、硬件设计制造、仪器仪表的使用能力；项目实施相关技术文档撰写方面的能力；提高学生之间的技术交流和团队协作能力。

2.项目实践设计举例。将项目分成四个阶段：第一阶段，提出工程实践问题确立项目；第二阶段，确定项目研究的目标及研究方案及研究计划；第三阶段，项目实施过程（包括机械结构设计与制造、软件编程、实验调试）及技术文档撰写；第四阶段，项目终期检查（包括项目成果总结与回报）。“理论教学与项目实践”教学法实施过程及学生能力培养如图1所示。

图1 “理论教学与项目实践”相结合教学法实施过程及学生能力培养

3.“理论教学与项目实践”课程教学案例。基于CDIO （Conceive、Design、Implement、operate，即构思、设计、实现、运行）理念的项目驱动式教学模式。本文强调以项目驱动为主线，以教师基础理论分块讲述为前提，以解决企业生产实践问题为项目目标，以教师为引导、学生为主导的理论知识与实践相结合的创新能力培养模式，提高学生解决企业生产实际问题的能力，同时提高学生团队协作精神。为此，本文以基于手势识别的无人机控制为人机交互技术课程教学的实践项目，更大地激发学生的学习兴趣和求知欲，充分发挥学生主动学习的积极性，从而培养学生主动查阅资料、主动学习、分析生产实践问题、解决问题的能力，培养创新和创业意识，培养科学探索及团队协作精神。

基于手势识别的无人机控制项目（案例）如图2（P76）所示。

该项目让学生用自己的身体（手势）去控制无人机是机器人研究领域中人机交互（Human Robot Interaction， HRI）方向的一个基本项目。项目特点：①该项目能够提升高校自动化类、机械类以及计算机类专业课程理论知识的综合运用能力，具体体现如无人机结构设计、力学与运动学分析、电机拖动与运动控制技术、电机驱动技术、传感器技术、微机原理与接口技术、编程语言及应用等；②该项目能培养学生的动手能力，体现在无人机的设计、加工制造方面；③能够激发学生的兴趣、拓展视野，将机器人领域人机交互系统问题的科学研究融入到课程教学中；④项目需要多人协调、彼此合作才能完成，这能够提高学生的团队合作精神，还能培养学生具有项目承担和负责的领导能力。

4.教学效果评估。课程教学效果评估采用问卷调查的方式进行，以华南农业大学2013级公选课“人机交互技术”课程学生100人为样本（其中每班50人）， A班用“理论教学与项目实践”相结合的教学法，简称“教改班”，B班采取常规理论教学方法，简称“常规班”。两班课堂教学都为32学时，其中A班 用16学时讲述理论知识，用16学时讨论项目方案及项目成果汇报；B班用28学时讲述理论知识，4学时用于学生讨论。A班课外课时比B班多两倍。A班课外学时数为32学时，主要用于项目实践；B班课外学时数为16学时，主要用来完成老师布置的课后作业。

图2 项目方案图

教学效果评估采用理论考试和学生问卷调查的形式，分别为表1和表2。理论考试主要考查学生两部分能力：一是掌握基础理论知识的能力，二是知识运用能力。结果表明A班教学效果好，能够达到新工科教学目标要求。

表1 课程理论知识考试情况分析表

表2 项目问卷调查

从上表可以看出，A班在教学评估设计中取得了很好的成绩。

本文以“理论教学与项目实践”相结合的教学法对我校“人机交互技术”课程的进行教学改革和探索以及教学实验，实验证明该法满足新工科教学目标的要求。但需要指出的是，在项目实践的设计上需要积累大量的教学经验才能更好地推动“理论教学与项目实践”教学法的实施。

参考文献：

[1]孟祥旭.人机交互基础教程[M].北京：清华大学出版社，2010.

[2]丁汉.机器人与智能制造技术的发展思考[J].机器人技术与应用，2016，（4）:7-10.