以学生为中心的机器人工程专业教学方法探索与实践*

迟明路，钱晓艳，王元利，邢 倩，邱亚琴，任沁超

（1.河南工学院，河南 新乡 453003；2.江苏汇博机器人技术股份有限公司，江苏 苏州 215121）

1 背景分析

2018年6 月，在成都召开的“新时代全国高等学校本科教育工作会议”上，教育部部长陈宝生提出要把“水课”变成有深度、有难度、有挑战度的“金课”。教育部《关于加快建设高水平本科教育全面提高人才培养能力的意见》明确指出，各高校要全面梳理各门课程的教学内容，淘汰“水课”、打造“金课”[1-3]。“金课”成了高等教育领域打造具备高阶性、创新性和挑战度的“金课”的初衷，也是全体教育工作者共同的使命。

高校实施教学时，应当以学生全面发展为宗旨，优化课程体系；以提升学生能力为导向，将高等教育从以教师的“以教为中心”转变为“以学为中心”[4]，将教学从教师的“理论知识体系”传授转变为学生的“能力达成目标”实现。机器人工程专业是根据国际上学科发展动态、面向新一代机器人技术发展需求的新专业，主要由基本理论、专业理论和综合理论三部分组成，综合了社会科学、自然科学、工程科学和人文科学等方面知识，并具有生物医学工程、电子工程、机械工程、控制科学与工程、计算机科学与工程、材料科学与工程、系统工程等多学科交叉融合的特点[5-6]。

2 教学现状

随着机器人工程专业建设的脚步逐渐加快，教学改革成果也逐年突出，然而，在教学改革实践中亦发现了新的问题。1）由于机器人工程专业涉及学科交叉知识，具有较强的实践性，涉及的知识内容综合性较强，学生仅仅围绕课本学到的知识有限，而采用传统以教师为中心的课堂授课模式，容易忽视学生的个体差异[7]。2）采用传统课堂授课形式进行讲课，讲师可以在较短时间内用“填鸭式”的方式向学生灌输大量知识，长此以往，学生容易形成被动吸收知识的习惯，无法锻炼主动学习的能力，而且被动学习知识的有效性与学生个体差异相关性较大，也容易忽视团队合作能力的培养[8]。3）缺乏需求导向，学生与教师的互动交流仅限于课堂，学生仅能通过书本或教师的讲授获取知识，无法在校内了解机器人生产单位所需的实用技能，以及机器人生产、销售和维护等方面的工作内容。4）教学所用教材从撰写到出版使用需要一定的周期，这就造成了教材的滞后性，在目前日新月异的科技发展背景下，与当前的科技水平不对等。

因此，以学生为中心进行机器人工程专业教学方法的探索与实践，通过先进的教学手段、教学模式改革和平台建设等完善、优化机器人工程专业核心课程的教学方法，能够将以教师为中心转变为以学生为中心，以课堂教学讲授为中心转变为以学生主动学习为中心[9-10]。机器人产业需要工程应用型人才的推动才能健康、持续发展，这对高校的人才培养能力提出了较高的要求。应用线上线下混合式课堂教学模式，并融合启发探究、小组合作等多种教学方法，最终达到人才有效培养的目标。通过以学生为中心的机器人工程专业教学方法探索与实践的改革，提高学生的理论知识与实践能力的结合，培养学生的创新意识、工程意识、就业能力、实践能力，对建设应用型机器人工程专业人才、满足工程教育要求和社会需要，具有十分重要的实际意义。

3 教学改革内容

3.1 在线课程建设与翻转课堂教学设计研究

教学质量是课程的生命线，可以选择合适的网络教学平台实现教学管理，可有效加强对教师教学的监督，提高课堂教学质量，同时也能够量化对学生学业的考核。

1）课前准备。教师教学活动——课前准备阶段，教师在课前应根据不同层次的学生情况设计适合的培养方案和教学目标，并根据教学大纲进行重难点问题的设定和知识点提炼，录制课程微视频，制作习题作业等内容。根据上次课的学生表现和作业情况，分析学生的易错点和混淆点，准备课前资料。学生教学活动——课前学习，课前教学活动主要包括在线学习、与老师同学互动以及在线考核。在线考核主要目的是获取学生预习情况，以基本难度试题为主，可以有效激发学生的学习兴趣，树立学习的自信心。教师和学生的课前教与学活动如图1所示。

图1 课前准备阶段教师与学生的教学活动

2）课中强化。课中首先回顾上次课的知识点，并结合本次课知识点引出本次课的内容，根据课前学习测试情况，选择错误率较高的问题，让学生配合进行讲解，突破重难点。然后，学生分组汇报任务完成情况，交流经验和相互提问。教师负责总体控制，并与学生共同进行评价总结，点播重点问题，化解教学难点问题，互动过程如图2所示。

图2 课上互动强化

3）过程化教学评价体系改革。翻转课堂的授课模式强调学生的过程化成绩，因此，评价应针对学习过程的各个阶段展开，应采用多元化的评价方式。将课前任务、课堂展示汇报、任务问答、课程实验等过程性考核和期末考核结合，增加过程性考核的比重，注重学生平时表现和平时成绩的获取，在课前、课中和课后评价中完成学生的总体评价，过程化评价方式如图3所示。

图3 过程化评价方式

3.2 创新优化课程教学内容

以“机器人检测技术与传感器”课程为例，使用传统授课方式存在教学内容重复和传感器原理枯燥、乏味的问题，对课程教学内容进行优化。首先，以问题为主线，按照“传感器原理是什么——如何使用传感器——怎样拓展应用”三方面对教学内容进行分类，分别对应“能力培养——能力强化——能力提高”三层次能力，教学设计随教学内容而灵活分类，根据学生选择结果进行分组教学，每组学生都有相应的重点，并进行相应的小组合作和讨论，提供问题解决方法。之后，采用传统授课+翻转课堂授课的方式进行课程内容讲授，传统授课方式主要是教师对基础知识进行讲解。并引导学生利用线上资源进行主动学习，重要知识点采用翻转课堂的授课模式。最终，形成“课前自学知识，课中内化知识，课后交流知识”的三段式学习形式。

3.3 科研动态与教学融合，提高学生的专业兴趣和创新能力

将教师个人的科研课题融入到课堂教学之中，培养学生科研兴趣，引导学生参与科研课题，提升学生的综合素养。根据教师自身承担和参与的课题及相关科研平台的建设，追踪最新机器人研究进展，以磁场、机械、电气等多专业融合视角开展机器人结构设计、内部和外部传感器以及机器人视觉的应用分析，使理论教学与工程实践相结合。例如，目前国内外研究的主流医疗胶囊机器人大多采用外置磁场提供动力，具有微型化方便、可实现无限能量供给的特点，然而，目前的大多数机器人课程教材却极少关注胶囊机器人的应用和研究，本项目组第一作者的研究方向即为磁控式微型胶囊机器人技术，并在胶囊机器人的创新机构设计与驱动方式上取得了一定的成绩，发表相关SCI/EI论文6篇，申报及授权国家发明专利4项，可以针对上述研究内容培养学生的科研意识，提高学生的理论联系实际的素养，增强学生对科研活动的兴趣和创新素养，进而在教学过程中体现课程的高阶性、创新性和挑战度。最终使学生达到“我要学”和“主动学”的状态。

3.4 注重企业参与，提升实践教学体系发展

再好的教学模式也需要实践来检验，企业参与是加强工程实践的最佳途径，通过与企业合作进行实习实训，能够有效完善实践教学体系内容。学校能够共享企业资源，聘请企业工程师、顾问到校培训学生，同时，教师也可以进入企业，参与企业工程项目，锻炼教师的工程问题解决能力。学生在企业进行短期培训学习，企业安排学生在企业学习的各项教学任务，提供师资、场所和设备，使学生能够近距离全方位地学习先进技术与企业文化、参与各种工程活动并培养工程职业素养。

4 建设实施方案

翻转课堂教学模式下，需遵循“明确目的——开展教学活动——评价教学效果”的基本流程来进行教学活动设计。其中开展教学活动主要采用翻转课堂教学理念，包括“课前准备——课中交流——课后反思”三段式过程。具体的翻转课堂教学模式如图4所示。

图4 翻转课堂教学模式

4.1 明确目的

2016年国家“十三五”规划中，我国将机器人列为重点发展领域。更需要教师指导学生重点关注并学习与机械、电气、算法、编程、图像处理、机器人控制与应用的理论与工程实践相关知识。

4.2 开展教学活动

明确学生的预期学习成果后，教师进行教学内容、教学方法和教学过程的规划梳理，具体包括以下3个流程。

1）课前准备。学生在该阶段主要对课堂内容进行熟悉，并记录没有理解或需要提问、提想法的部分，既可以通过在线交流的方式进行提问，也可以通过线下课堂的问答环节进行。对于重难知识点，教师通过在线练习或测试掌握学生学习动态，学生也可以通过这些测试来了解自身对该知识点掌握的准确性和完备性。

2）教师准备线上资源。教师在该阶段需要做大量的教学内容与教学资源整理工作，需要提前录制在线微视频，上传到网络学习平台中，使学生在课前学习课程相关知识点。

3）课堂交流。在上个阶段，学生对一堂课的知识理解一般不够全面，在部分重难知识点尚需深入学习。同时，教师可以通过学生的线上反馈或在线测试来总结学生的共性问题与个性问题，以便确定在课中知识交流阶段需要重点准备的教学内容，从而提高课堂教学效果，如图5所示。

图5 学生上台解答问题与教师总结共性问题现场图

4）课后反思。课后，学生能够针对课上未能理解的知识点，通过学习平台中的视频、PPT等在线资源再次重复学习，并完成教师布置的课后任务和下一次课中的展示任务，达到知识巩固以及检验知识掌握程度的目的。对于没有理解的部分可以在线上向同学以及教师进行提问。

4.3 评价教学效果

采用过程化考核对翻转课堂教学模式进行评价。过程评价主要是对学生课前准备、课中交流与课后完善三个过程中知识点掌握程度、学习积极性、问题分析与解决能力、团队合作与语言表达能力等方面的评价。评价应具有全面性，因此，评价不仅有教师评价，还应结合学习小组的组内与组间评价。此外，还需学生对教师进行评价与建议，即教师将收到学生就教学内容、教学方法以及课程考核方面的评价与建议。

5 结论

本项目以学生为中心理念的机器人工程专业课教学方法探索与实践展开研究，通过教学实践探索线上学习与课堂教学在学时分配方面的最佳方法，将科研课题与科研平台融合到教学中，将单一知识讲授式教学重点变为以学为主的翻转课堂教学，引导学生参与科研项目，提升学生的创新能力素养。优化课程内容，并在课程授课过程中适当融合思政元素，实现教学内容的创新。形成线上线下混合教学课程有效的课程评价体系。