《机器人技术》课程多元化混合教学模式的探究与实践

戎新萍 徐海璐 季春天

南京工业大学浦江学院，江苏 南京 211200

当代科学技术迅猛发展，机器人产品已应用在许多领域。机器人被誉为“制造业皇冠顶端的明珠”。2021 年12 月，工信部、国家发改委等8 个部门联合印发《“十四五”智能制造发展规划》，工信部、国家发改委等15 个部门联合印发《“十四五”机器人产业发展规划》等一系列相关规划，将机器人产业作为战略性新兴产业，并给予重点支持。机器人技术涉及多个学科相关知识，开展《机器人技术》课程有助于扩大学生的知识面，且对先前所学专业课和专业基础课能进行综合理解、应用与消化，提高学生的科学素养、创新能力，培养具有多学科理论基础和较强实践能力的复合型人才，促进我国在机器人时代走向世界前列。

一、课程现状分析

《机器人技术》课程是南京工业大学浦江学院机电学院所有专业学生的专业必修课，是一门理论与实践都很强的应用型课程，课程内容有理论知识的讲解和实验环节。由于本校条件的限制，实验环节需要借助其他学校的教学资源来完成，且由于实验设备比较昂贵，多个学生只能共用一套实验装置，又由于时间限制，师生只能进行一些演示性实验，很难全面开展和指导综合型、创新型实验。学生学习了枯燥的理论知识，再进行了简单的演示性实验，最后通过死记硬背来应付考试。一些学生的自主学习性本来就较差，再经过这么一个传统的学习过程，会大大降低对机器人课程学习的兴趣，而且还会对该门课程贴上“无用”的标签，影响下一届学生学习本门课程的状态和兴趣，老师的教学热情也会大打折扣。如此以往，该门课程的教学效果差，质量不佳。

面对落后的教学方法、枯燥繁多的理论知识、简单无趣的验证性实验以及自主学习能力较弱的学生，对现有的教学模式进行改革与探索，采用多元化混合的教学方法满足不同的教学要求，提高教学效果［1］。

二、多元化混合教学模式

（一）RobotStudio 虚拟仿真实验

RobotStudio 是一款ABB 机器人的虚拟仿真软件，集创建工作台、程序编译、仿真调试、二次开发等功能于一体，能够模拟真实的工作环境。此款软件里有ABB 任意系列的工业机器人库，可以创建不同的机器人作业，其拥有与真实ABB 工业机器人大致相同的虚拟控制器和示教器。因此，利用此款软件做虚拟仿真实验时，给人一种身临真实机器人作业现场中的感觉。虚拟仿真实验代替传统的实物演示性实验，一方面能解决实验费用不足、时间紧张和场地限制的难题；另一方面还降低了实验维护成本，减少了学生误操作带来严重后果的可能性［2-4］。

在虚拟仿真实验中，学生可以有足够的时间反复练习、纠正错误，既可以进行验证性实验，也可以进行创新型实验。学生可自己选择不同的组件、不同型号的机器人等设计不同的机器人作业场景，打破学生传统的固定思维，理论应用于实际，学习兴趣也会被大大提升，而“兴趣”是最好的老师。另外，虚拟仿真还可以促进“教育公平”的发展，每位学生都可以拥有相同的实验设备，不会因为站得太远听不清、看不见老师的实验讲解，也不会因为设备少、人多，而摸不到实验设备。

（二）项目式教学

《机器人技术》课程是理论与实践缺一不可的核心课程，传统的教学模式由于理论周期时间较长，最后实践时学生的理论知识都忘得差不多了，不能真正达到学以致用的目的。因此在教学过程中，将理论融于实践，采用项目式教学模式可以突破传统先理论、后实践的固定模式，充分挖掘学生的动手、动脑能力，以及发现问题、分析问题并解决问题的能力，让学生在具体项目实践中“做中学”和“学中做”［5-6］。

根据人才的培养规律和生产实际出发，由易及难，设定了基础型项目、综合应用型项目和创新型项目。基础型项目有：创建基本工作站、创建用户工具、创建机械装置、离线编程、操纵虚拟控制器和示教器等。综合应用型项目有：汽车后挡风玻璃自动涂胶系统，ABB 机器人自动焊接、搬运、码垛系统。创新型项目有：基于PLC 的激光切割系统、基于视觉的自动分拣系统，或者自己设计。每个项目的内容就是课程的知识点，将理论与实践同时进行，并不是以往枯燥、繁杂理论知识的灌输。基础型项目就是让学生学习该门课程的基础知识；综合应用型项目旨在将理论知识应用到工程实际，学以致用；创新型项目鼓励学生大胆发挥想象，自由探索、自由审视、自由创造，从而提高学生的创新能力。

例如，在创建机器人基本工作站的过程中，向学生介绍机器人的组成及各个部分的作用。创建用户工具的项目就是导入其他三维软件绘制出来的工具三维模型，经过相关操作将导入进来的工具能自动安装到机器人的末端。在此项目中的授课过程中，教师可以向大家展示工件坐标选择不同对象时，末端执行器的位姿可产生不同的效果，借此向学生形象地说明什么是大地坐标、工件坐标、工具坐标、关节坐标等各个坐标系的定义和创建的必要性。在汽车挡风玻璃自动涂胶系统和ABB 机器人自动搬运、码垛系统的项目中，教师可以设置不同的参数向学生展示机器人末端运行速度以及末端执行器的作用力受什么因素的影响，并分析影响效果从而一起推导出机器人的速度雅可比矩阵和力雅可比矩阵。

通过基础性项目和综合应用型项目，将书面的二维知识转变成视觉性很强的三维实物，形象鲜明，学生更加容易理解和接受。再经过创新型项目的训练，能唤起学生对新思想、新事物的好奇心，提高学生的学习兴趣。

（三）线上线下混合教学模式

《机器人技术》课程知识点繁多，而且学生的基础知识掌握情况参差不齐，学习能力也不相同。因此，想做到面面具善有很大难度。线上课堂打破了传统课堂时间和空间上的限制，而线下课堂面授能增强师生之间的情感，促进学生的学习动力，将两种授课模式相互结合，取长补短，其效果相得益彰。

在线下授课之前，教师将本次课程的理论知识点以微课的形式放在网络教学平台上，供学生提前预习、扩展知识。为了防止囫囵吞枣，设置了课前预习测试环节，测试题以判断题、填空题、选择题等客观题的形式出现，这些题目从章节题库中随机抽取，防止相互抄袭。微课形式的线上课前预习能节省大量的理论授课时间，可用于更多的项目探索和丰富的教学活动中，努力创造轻松的课堂氛围，让学生在“学中玩”和“玩中学”。课后教师可在网络教学平台上发布课后作业、课后讨论，也可进行问题反馈、答疑，形成完整的教学闭环。线上线下混合教学使学生的学习过程多元化，不再单一、枯燥，学生的课堂参与感和体验感爆棚，能有效提高学生的学习兴趣。

（四）翻转课堂

翻转课堂的教学模式重构学生的学习过程，是以“学生为主体，教师为导体”的原则进行，可加强学生自主学习和终生学习的意识［7］。学生随机组队，自拟项目名称，并书写项目申请书，答辩通过之后项目才成立。之后，小组内部自行分配任务，学生可借助网络和图书馆广泛搜集资料，消化吸收，在遇到困难时，可相互讨论解决，也可寻求教师的帮助。并定期向教师和其他组的学生汇报项目进度，分享所收获的知识，教师和其他组的学生进行评定，给出总结和持续性的改进建议，帮助每位学生更加深入、系统性地理解所学的知识，这样大家都能学到更多的知识，扩大了视野。最后，答辩通过的项目才能给予分数。正所谓“授人以鱼不如授人以渔”，通过课堂翻转的教学模式，一方面教会学生如何自学、如何解决问题、如何为了成果搜集相关资料，强调“学研结合”。另一方面，提高学生项目管理的能力，分工协作、团队合作以及与他人交流的能力。

（五）多方面考核

《机器人技术》课程传统的考核方式为闭卷考试，总评成绩包括平时成绩的20%和实验成绩的20%，再加上期末考试成绩的60%，平时成绩包括考勤和课后作业，且课后作业的抄袭现象特别严重，完全不能体现学生平时的学习状态。期末考试时，学生抱着题库死记硬背，通过考试。

为了强调平时学习过程的重要性，培养学生自主学习的好习惯，将该门课程的考核方式变成考查，取消闭卷考试，淡化理论知识的考核，加强学生的系统性学习能力和实操能力，总评成绩变成平时成绩的40%，加上翻转课堂成绩的30%，再加上虚拟仿真实验成绩的30%。平时成绩包括考勤、课后作业、分组讨论及阶段性测试。翻转课堂的成绩由教师和其他组成员共同评定，再通过小组自评、互评后综合给分，从而保证一定的公平性。虚拟仿真实验成绩通过学生实验项目的完成情况和知识的理解程度进行给分，重视综合素质的培养。多方面考核侧重于学生对知识点的理解、掌握及应用的程度，建立了知识考核与能力考核并重的考核方式，比较公平、全面地反映出学生学习本门课程的综合水平。

三、改革成效

该多元化混合的教学模式让学生在上课之前认真预习，然后在线下课堂上经过项目式教学、翻转课堂的教学模式使得学生积极参与课堂活动，踊跃发言，积极讨论，课后及时完成课后作业，和教师进行答疑和探讨。经过一学期的实践，学生的总评成绩及学习状态都得到了有效提高，改革之前和改革之后学生期末成绩的柱状分布图如图1 所示。改革之前学生该门课程总评成绩的不及格率为6%，没有学生能达到优秀等级，平均分为70 分左右。改革之后该门课程没有学生考核不通过，大大提高了及格率，且优秀率为12%，平均分比改革前足足提高了8 分。

图1 改革前后学生期末成绩百分比柱状分布图

除此之外，学生的创新思维、自信心得到有效开发和提升，能积极申报校级、省级大学生创新、创业项目，成功申报的项目数量也比改革之前增加了很多。

四、结语

为了提高《机器人技术》课程的教学质量，将虚拟仿真实验、项目式教学、线上线下混合教学、翻转课堂等多种教学模式混合引入到该门课程的授课过程中，增加了课堂的趣味性和创新性，提高了学生的学习兴趣、自主学习及动手动脑能力。学生可借助RobotStudio 虚拟仿真软件发挥自己的想象力，搭建各种形式和各种功能的机器人工作站，然后编写程序进行仿真作业，实现自己的预想，达到学以致用的目的。该多元化混合教学模式秉着“以学生为中心”的教学理念，明确了培养学生综合素质的教学目标，理论与实践相结合，将以往的灌输式教育变成导向教育，教会学生如何去学习，提高学生自主学习和终身学习的意识。该多元化混合教学模式经过一学期的实践之后，课堂的活跃度、学生的积极性都比改革之前明显改善了许多，学生的学习兴趣及动手、动脑能力显著得到提高，总之取得了较好的教学效果。