“机器人学”课程混合教学模式探索与实践

周 妍，张 然，王东生

(1.铜陵学院 机械工程学院， 安徽 铜陵 244000；2.铜陵学院 数学与计算机学院， 安徽 铜陵 244000)

0 引言

“机器人学”课程是机械类专业培养计划中一门重要的专业课，也是一门多学科高度交叉的课程。课程的主要内容涉及机械设计、机械原理、自动控制、运动学、动力学、传感技术、行动规划和应用工程等[1]。为了满足就业市场对毕业生的需求，要求学生完成本课程的学习后，应具备分析复杂工程问题的能力，特别是解决工业机器人技术及相关控制系统的集成应用技术开发、系统运行、编程调试、操作等方面实际工程问题的能力[2]。同时，该课程又是一门发展迅速的课程，内容极具前沿性。在“机器人学”课程目前的教学中，授课方式主要以抽象的理论推导和对知识点的单一讲解为主，学生接受知识比较吃力。学生缺乏足够的实践机会对所学的知识加以巩固，对理论知识的运用更加困难，从而造成了学完课程仍然对实践项目束手无策的局面。这些现象导致了“机器人学”课程的教学效果难以达到既定的目标。为了改变这一现状，结合现有的教学改革经验，文章提出了一种以项目为导向线上线下混合教学模式的改革方案。该方案能够使学生既掌握理论知识，又训练实践技能，让学生真正体会机器人学的理论魅力和解决实际工程问题的力量。

以项目为导向的线上线下混合教学模式改革的目的在于将“机器人学”课程的理论知识通过项目串联起来，使学生实现综合学习，并将知识学得、用得“活”起来。鉴于本课程涉及其他课程知识点较多，通过项目式教学可充分将过往的知识和新知识融合、交叉应用[3-5]，因此在完成项目过程中，学生的学习能力、创新能力、工程实践能力能够得到大幅提高。以项目为导向的教学改革模式，虽然有别于传统课堂，但是以学生为中心的初衷是没有改变的[6]。

1 项目导向线上线下混合教学框架

为全面了解学生的需求，课题组在前期做了大量问卷调查，调查对象包括往届毕业生、即将毕业的大四学生、正在学习这门课的学生以及低年级学生，结果如表1所示。

表1 “机器人学”课程教学框架组成调查情况

从调查结果可以看出学生对课程的实践度要求比较高。96%的学生希望能在课程中提高自身的实践能力，提前接触现实案例。因此探索一种能够体现“高实践性”的教学模式迫在眉睫。新的教学模式要能够模拟现实工作环境，让学生尽快、尽早熟悉现实工作环境，提升学生的动手实践能力和团队协作能力。

88%的学生希望提高自身的实践能力。考虑到客观的实验条件以及学生的需求，新的教学模式需要加大对实验课的改革。合理选择项目，通过项目的推进，将各相关知识点完美整合，强化学生的实践动手能力。学生也希望能和教师保持密切的联系，在以往的教学过程中，下课后学生和教师的交流非常少，因此如何改进师生互动性也是一个亟需解决的问题。

85%的学生希望能有更加便捷的答疑机制。传统的答疑是教师利用线下课堂的间隙时间来回答同学们的疑问，因此很多学生的疑问得不到及时有效的解决。有一些性格内向的学生不太好意思频繁地向老师提问，导致重难点持续存疑进而成为后期学习过程中的绊脚石。学习是环环相扣的连续过程，传统的答疑机制不能及时有效地解决学生的疑问，制约了学生后续学习的效率，因此新的模式要突破时间和空间上的制约，设计有效的答疑形式。

88%的学生希望能有线上辅助教学环节。线上教学近年来已经开始被普遍使用了，从调查结果可看出学生对引入线上教学作为辅助教学模式并不排斥，反而有较高的渴望度。因此新的教学模式需要增设线上辅助教学，弥补线下教学环节中的不足。

71%的学生认为需要建立一个更加全面、客观、合理的考核机制。传统考核方式较单一，以期末考试成绩为主，无法客观全面反映学生的综合能力，单次考试失败可能会否定学生整个学期的努力。因此寻找一种更加全面、客观、合理的考核机制也是教学闭环中的一个重要组成部分。

1.1 教学框架

课题组成员根据前期调研和相关反馈，结合多年教学经验，提出了基于项目为导向线上线下混合教学模式，主要分为项目分配、课前准备、课堂讲授、线下实验课、线上项目辅导、课后复习答疑、线下答辩和线下考核7个部分。具体的教学框架如表2所示。以机械工程学院2017级机械电子工程专业两个教学班和2018级机器人专业两个教学班进行试点。

表2 “机器人学”课程以项目为导向线上线下混合教学模式教学框架

1.1.1 项目分配

“机器人学”课程是一门既强调理论研究又侧重实践能力，还融合了其他众多学科的课程，因此对综合能力要求较高，所以项目选题的质量将决定教学效果的好坏。实践项目的选择既要融入学生必须要掌握的理论知识，还要能满足学生在有趣轻松的环境中进行，让学生一边动手实践、一边巩固理论知识，同时融会贯通其他学科知识的需求。项目的遴选既要能培养学生的自学能力、团队协作能力、自我表现力，还要能充分挖掘学生的创新能力，以及调动学生学习的主观能动性。

项目选择依据“会思、会做、会用”的三会原则，结合教学规律和学生的认知特点，将教材中的知识结构分解打散为若干个知识点，通过具体的实践项目将知识点贯穿起来，实现以项目为导向的教学模式[7]。它的目标是打破以理论教学为主的传统教学模式，通过项目实施完成整个过程，达到能够虚拟仿真实际工作情景的目的。根据不同的教学目标和能力培养目标，将项目分为基础项目、技能项目和创新项目三大类。通过这三大类项目的实践，实现对应用型本科学校学生的实践能力、创新能力、团队协作能力以及职业能力的培养，强化学生的职业素质，培养学生形成完备的学科知识体系，以期满足企业对专业人才的需求。

课题组设计了6套基础项目和技能项目贯穿整个教学过程。这些项目是根据分解的知识点和课程教学计划的顺序有序安排的，重点体现近期的理论课安排的知识点的应用，并融入前期已学知识点，让学生熟练掌握基础理论知识，并逐步建立起项目开发的思维模式。每组安排一名课题组教师负责线上指导，每个项目的完成均安排答辩环节，对所完成项目进行汇报，并接受教师以及其他学生的提问及质疑。课程结束前安排两周的创新项目实践环节。由于项目融入了机器人结构设计、轨迹规划、视觉图像处理等前沿技术，是一个有层次、有难度、有深度的综合实践环节，因此，学生必须充分调动学习的主观能动性，深入思考，反复实践验证。考虑到项目的难度，首先安排2学时的项目方案评估环节，由课题组教师对每组提出的方案进行可行性评估，并给出适当引导。学生3人一组，协作完成，之后参加汇报答辩，并接受提问。

前六套基础项目和技能项目按每五人组成一个设计小组，根据授课进度提前告知学生，并同时将配套相关的设计资料、预习资料下发到每个小组成员。每组安排一名专职教师指导答疑(通过线上完成)，每节线下课由主讲教师结合所授知识点引导项目推进，推动项目进展。第七套为创新项目，将在教学周的第十周结束时发布给学生，按三人一组重新组成设计小组，每组均安排一名专职教师负责专职指导。为保证指导质量，每名教师指导组数不得超过三组，发布设计资料，并在第十一周的第二个教学日安排项目方案评估，通过方案评估的小组继续进行设计，不合格的小组重新制定方案并提交至指导教师，接下来每隔两天安排一次线下面授，完成项目答疑并开展检查工作，并随时安排线上辅导答疑活动。

1.1.2 课前预习

每节理论课前，通过“雨课堂”上传预习资料，主要包括下节课的预习资料以及教学补充资料。因为教材本身的滞后性，使得教材无法完全涵盖机器人学的最新前沿知识，因此在上课时必须根据行业当前发展的状况、就业形势的发展需求以及地方发展特色对教材内容进行适当补充。

充分挖掘“机器人学”课程中的思政教育元素，通过思政案例的讲解，完善学生的价值塑造，充分发挥教师领路人的作用。基于上述需求，课题组教师细致打磨教学内容，对思政元素与专业知识进行有机融合，共同编撰了“机器人学补充教程”，在每节课前由主讲教师将补充教程按授课进度上传到系统，供学生学习。

课前发布相关知识点的短视频。短视频时间控制在5～10分钟，内容主要包括上课的主要内容、重难点、注意事项以及正在执行的项目的相关知识点。同时要求学生完成预习任务后，完成教师布置的与项目相关的任务。对于实验课，将实验的基本原理、操作技巧、注意事项等内容录制成短视频发布。这些短视频不但可以作为预习资料,也可以作为复习资料，对于上课没听懂又不好意思向老师当面提问的同学来说也是非常好的学习材料。

1.1.3 课堂讲授

课堂讲授即线下理论课授课。主讲教师打开微信，登录“雨课堂”，学生通过微信扫描二维码进入课堂，教师利用点名功能进行点名，然后开始上课。由于课时的缩减，教师必须充分利用课堂时间实现高效输出。为了让学生也能做到最高效的输入，学生在上课期间也同步使用“雨课堂”。与传统课堂教学不同的是，学生可以通过实时弹幕参与课堂讨论，教师也可以实时了解学生，掌握动态情况，及时调整上课进度。

对于课堂互动，教师上课只能选择部分内容与学生互动，大部分问题让教师做到心中有数，进而开展课下线上互动。同时，教师还可以通过手机端进行课堂测试，教师发布测试题，学生手机端作答。教师可以实时掌握学生的答题详情，真正做到对本节课的授课效果及进度了如指掌。

新的教学模式是以项目为导向的，因此课堂讲授的内容本质上是围绕着项目来开展的。教师首先将学生分成若干个学习小组，完成基本知识点的讲授，随后开展项目推进式教学。教师开始检查预习阶段要求完成的项目任务，随机抽取小组成员做推介，并现场演示，同时学习小组开展组间辩论。对于别组提出的质疑，小组成员给予解释，并记录确实存在的问题，在课后改进。完成组间辩论后，教师给予总结，提出整改意见，发布整改任务。主讲教师在每次课结束前的5～10分钟，梳理本节课项目中的知识点以及在实际中的应用，协同推进项目[8-11]。

1.1.4 线下实验课

“机器人学”是一门实践性要求较高的课程，因此实验课是本课程不可或缺的部分。目前的实验内容主要以机械手的演示实验为主，局限性较明显，学生的轨迹规划能力以及自主创新实践能力难以得到培养。新的教学模式根据不同的培养目标，将实验内容分为基础实验和创新实验。依托笔者所在院校工程液压机器人安徽普通高校重点实验室，构建课程实践和科研一体化的实验基地。

实验内容安排兼顾实验教学要求和学生的兴趣。基础实验以重复教师示教实验为主，这部分实验主要要求学生掌握基础知识，使用的实验设备也比较单一，学生的自主参与感较低。

在基础实验的前提下，加入了创新实验。创新实验以创新搭建为主，如移动机器人、智能交互机器人。学生通过编程可以完成机器人空间运动轨迹控制、机械手末端抓取等实践教学内容的训练。创新实验要求学生综合运用“机器人学”课程中所学的知识，如机器人动力学、运动学、机器人的控制和轨迹规划等。

实验课程由专职实验教师组负责，指导学生分组实验。由于每名教师指导的学生人数少，教师可以充分了解每个学生的实验操作情况，更加有效地指导和辅导学生。同时可以根据学生的动手实操情况和实验结果，准确给出学生操作成绩，对学生的学习进行有效约束。实验结束后，要求学生完成基础实验报告和创新实验报告。

1.1.5 线上项目辅导

由于项目组教师授课及科研任务较重，学生上课时间也较为密集，面授时间较难协调。通过线上辅助教学平台，可以确保项目的顺利推进。项目组指导教师根据实际情况安排线上辅导时间，通过腾讯会议和学生进行线上讨论，推进项目进展。同时，针对本周主讲教师授课知识点的应用给予指导，每个学生汇报本周各自项目的进度，教师提出问题让学生答辩。学生进行汇报时，小组成员可以取长补短并进行讨论，教师针对学生的汇报和讨论，把握项目进度和走向，并加以适当引导。同时，教师对学生遇到的问题进行答疑解惑，并定期与主讲教师沟通课程走向。主讲教师可以不断调整授课进度及教学重点，是教学工作强有力的辅助。每组指导教师最终客观给出项目完成的过程考核分数。

1.1.6 课后复习答疑

主讲教师根据上课期间学生发布的弹幕、课堂测试结果中发现的问题以及课堂上未能及时解决的问题，通过录制视频的方式给予答疑解惑，并适当进行总结，同时发布线上作业。教师在答疑过程中安排自由互动时间，解决学生在课后遇到的新问题。

1.1.7 线下答辩

每个项目结束后均安排答辩会，答辩委员会由全体教师组成。每组推荐一名主答辩人通过PPT阐述项目工作，演示项目作品。答辩组教师针对每个小组的答辩情况提出问题，答辩小组成员共同回答。随后开展提问环节，通过问题的提出以及问题的回答，层层深入发现该项目的创新点以及不足之处。

每组答辩结束后，答辩组教师针对项目中的创新点给予点评，对项目中出现的问题提出整改意见。答辩组教师根据演示环节和答辩环节给出答辩成绩。线下答辩给学生提供了充分展示自己的机会，不但让学生在学习过程中做到了“会思” “会学” “会做”，还做到了“会说”，对于提高学生的职业素养颇有益处。

1.1.8 线下考核

在学期末考试周安排线下考试。课题组教师完成该课程的试题库建设，抽取一套试卷作为期末考试试卷。考试结束后，由课题组教师流水作业批改试卷。

1.2 成绩综合评价

以项目为导向的线上线下混合教学模式改革，引入了项目实践、线上课堂、线下课堂等众多元素，因此可得到更多的过程考核成绩，弥补了“一考定终身”的缺陷。课改前平时成绩计算主要依据是作业和考勤，难以做到真正的客观评价。学生的最终评价仍然是以期末考试作为主要依据。某些学生可能因为客观原因，在考试中未能充分发挥，导致成绩并不理想，但这位学生可能平时学习认真，并且掌握得也很好，因此传统的评价方法不能客观准确地评价学生的学习效果，另外，创新能力、团队协作能力、动手能力等都不能在考核成绩中有所体现。

课改后的过程考核成绩由多项成绩组成，包括基础实验报告成绩(占3%)、基础实验操作成绩(占3%)、创新实验报告成绩(占4%)、创新实验操作成绩(占4%)、基础和技能项目报告成绩(占5%)、基础和技能项目操作成绩(占5%)、基础和技能项目汇报成绩(占3%)、创新项目报告成绩(占7%)、创新项目操作成绩(占7%)、创新项目汇报成绩(占3%)、创新项目创新性成绩(占8%)、小组协作成绩(占5%)、出勤率成绩(占3%)、课堂互动成绩(占3%)、作业成绩(占4%)、预习成绩(占3%)，这些成绩共同组成平时成绩。由于平时成绩较为详尽，占总成绩的70%，期末考试成绩仅占总成绩的30%，这样得到的考核成绩能够综合反映学生的全方位能力，使得评价更为客观。

在平时成绩的组成中，基础实验报告成绩、基础实验操作成绩、创新实验报告成绩、创新实验操作成绩由实验教师组给出，实验教师组全程参与指导，且由多位教师共同指导。每位老师指导学生人数不多，因此对学生较为了解，故可给出客观成绩。基础和技能项目报告成绩、基础和技能项目操作成绩、基础和技能项目汇报成绩、创新项目报告成绩、创新项目操作成绩、创新项目汇报成绩、创新项目创新性成绩、小组协作成绩由项目指导教师给出。出勤率成绩、作业成绩、预习成绩由雨课堂系统直接导出。以上成绩通过加权求和得出最终平时成绩。

通过以上成绩的评定，可以从各项分成绩的得分对学生进行更为细致的评价。教师给出评价结论，同时也更容易筛选出一些能力突出的学生，教师可以对筛选出的学生进行定向培养，例如：针对实践能力较强的学生可重点培养其竞赛能力，以充实学科竞赛队伍。学生也可以根据自己各项成绩的得分以及最终的评价结论认识到自身的优缺点。学生在今后的学习中可以针对自己的薄弱环节有针对性地做强化训练，例如：如果自己的实践动手能力稍有不足，则可利用学校假期开放实验室的机会，有针对性地提高这方面的能力，避免了以往只关心最终考试得分，忽略自身优缺点的情况。

2 实验与评价

2.1 实验

为了验证新模式的效果，选取了两个班级进行实验。2017级机械电子工程班为首次采用改革模式的试点班，2018级机器人班是经过一次试点后根据反馈进行第二次改革的试点班。每个班基础和技能项目5人一组，创新项目3人一组，每个小组根据授课进程分配一个项目。从第一周开始，项目贯穿整个教学周期。由主讲教师完成课堂讲授，由课题组教师共同负责项目辅导、答疑、监督、答辩，并完成相关的过程考核。

为了对以项目为导向的线上线下混合教学模式进行更客观的评价，对2018—2020年“机器人学”课程的教学资料进行比较，如表3所示。其中2018年度教学数据为学生未参与课改所产生的教学数据；2019年度教学数据为首次采用课改模式产生的教学数据；2020年度教学数据为根据首次课改反馈进行二次课改产生的教学数据。

表3 教学数据

从表中可以看出，2018年度数据是未采用教改模式的班级的数据，平均分、合格率均较低；2019—2020年度数据是采用教改模式的班级的数据，学生成绩的优秀率与合格率均有明显提高，班级平均分也逐年提高，充分说明了课改的有效性，一方面提高了学生学习的主观能动性，另一方面促进了教学效果的显著改善。

2.2 教学效果评价

通过对两个实验班级的改革教学，完成最终考核后，发布了一项以项目为导向的线上线下混合式教学改革教学效果的调查问卷，如表4所示。

表4 教学效果调查表

从问卷调查的结果可以看出，学生对教学效果满意度颇高。大部分学生都认为新的模式能够帮助自己树立明确的学习目标，能够让自己充分发挥学习的主观能动性。新的教学模式提高了学生发现问题、分析问题和协作解决问题的能力，培养了学生的大局观。教学活动内容更加丰富多彩，提高了学生学习兴趣。由于考核内容众多，客观上能有效杜绝学生偷懒的倾向，使学生必须高效合理地安排学习活动，才能得到满意的分数。变被动学习为主动学习，使学生对知识探索的积极性变强[12-13]。为了完成项目，学生意识到仅学习本门课程是远远不够的，因此会去自觉更新新知识、串联旧知识，对新旧知识均有更深的理解。

实验班级学生参加学科竞赛的获奖情况也印证了改革的成效。2017级机械电子工程专业学生在省大学生机器人大赛中获得了突破性的成绩，荣获1个一等奖，3个二等奖，2个三等奖。2018级机器人专业学生也取得了耀眼的成绩，荣获2个一等奖，3个二等奖，3个三等奖。

综上所述，以项目为导向的线上线下混合教学模式是一种成效显著的教改模式。该模式激发了学生的学习主动性与积极性，通过丰富的教学活动，开拓了学生的眼界，是一种促进学生多方面能力综合发展的教学模式。

3 结语

文章针对“机器人学”课程特点，探讨了以项目为导向的线上线下混合教学模式的实践探索。该模式充分利用了线上线下各类资源，由教学团队参与教学工作，共同完成一门课的教学。利用各教学环节串联起相关专业知识，为学生多方面能力培养提供了全面的学习和实践机会。教学数据显示，新模式提高了学生的学习兴趣，明显改善了学习效果，有关经验具有推广价值，为机械电子工程专业其他专业课程的课改提供了新思路。