项目驱动教学模式在《机器人学应用实践》课程中的探索与实践

吴青聪 陈 柏 吴洪涛

南京航空航天大学机电学院，江苏 南京 210016

随着信息化、工业化不断融合，以机器人科技为代表的智能产业蓬勃兴起，成为现代科技创新的一个重要标志。机器人的研发、制造、应用是衡量一个国家科技创新和高端制造业水平的重要标志，机器人有望成为新一次工业革命的切入点和重要增长点。然而，与发达国家相比，我国机器人研究起步稍晚，机器人教育相对薄弱，相关人才缺口依旧很大，极大制约了我国机器人产业的发展速度。为此，培养适应现代机器人技术发展需要的创新型、复合型新工科人才极为紧迫。

一、项目驱动式课程教学的必要性

《机器人学应用实践》是南京航空航天大学机器人工程学专业的专业必修核心课程。学生通过该课程应掌握机器人机械结构、运动学、动力学、轨迹规划、驱动系统、控制系统等方面的专业知识及应用方法。在该课程的教学设计中，教师需加强实践教学改革，注重学生的创新实践能力的培养，为学生学习后续的其他专业课程打下牢固基础。然而，在现阶段，该课程存在以下问题：1．课程教学设计无法满足专业教学需求。《机器人学应用实践》是一门综合性和实践性较强的课程，高校传统单一的教学模式在引入实践教学环节后，将面临课时数不够的问题，导致教师无法完成所有的教学内容教学，教学质量和教学效果不佳。2．实践教学没有完全融入到教学设计中。高校传统的教学模式大多是老师对学生填鸭式的灌输理论知识，实践教学环节形式主义较严重，未完全融入到教学设计中，很多学生体验不到理论知识与实践操作紧密结合的关联性，导致学生对专业知识的理解还停留在表面，缺少实际操作经验和综合应用能力［1］。3．学生学习积极性不高。自动化工科类专业课程概念抽象，内容多且复杂，学习难度较大；课堂理论主导，教学缺乏实际操作能力和动手能力的培养，导致课堂教学氛围枯燥、乏味，学生对学习产生厌倦心理，无法达到预期的教学效果［2］。

为此，在《机器人学应用实践》的教学设计中，教师需要对教学方法、模式进行改革和创新，探索项目式实践教学的新模式，促进学生的个性化发展。

二、项目驱动式课程教学模式的实施方法

现当下，在我国的高校教学模式中，项目驱动式教学法一般是指教师带领学生围绕一个真实的项目进行实践、设计和研究，以此加强学生的自主学习能力、团队合作意识、创新思维和解决问题的能力［3］。本课程以学生为中心，以科研项目、科创项目和科创竞赛为牵引组建知识体系，以跨学科校企合作教学团队为师资力量，充分利用“翻转课堂”“线上线下混合”教学方法以及微课、慕课线上教学资源，围绕项目传授基础知识，探索理论教学+实践教学的新模式。该教学模式将晦涩的专业知识与项目设计开发融合在一起，激发学生的学习积极性和创新思维，培养实际操作能力和综合应用能力，并促进教师的科研研究，实现教学相长［4］。该教学模式技术路线如图1 所示。

图1 以项目为驱动的教学模式实施技术路线

（一）构建多维度完善的课程体系

《机器人学应用实践》课程围绕机器人技术的基本原理、前沿技术及其典型应用，将教学内容划分为6 个子专题，构建了层次分明、完善立体的多维度的课程体系，包括：机器人机构学、机器人运动学与动力学、机器人感知与驱动、机器人控制、机器人仿真分析、机器人系统集成与应用。通过该课程的学习，学生可以具备较为全面的机器人技术理论知识和实践能力，并能开展机器人课题研究、项目开发、科创竞赛等创新实践活动，为今后参加实际工作打下坚实的基础。

（二）搭建平台加强教学建设

课程配备了完整的机器人学线上教学平台资源，教学团队主编了工信部“十四五”规划教材《机器人技术基础与应用》，建设了南航智能机器人设计与实践大学生主题创新区，搭建了智能装备与机器人创新实践平台，为项目式课程的顺利实施奠定了基础。在师资团队建设上，注重优化师资队伍结构，加强专兼职相结合的实践型创新创业师资队伍建设，为学生开展多元化的双创教育提供师资保证。指导教师长期致力于机器人领域的教学与研究工作，教学水平和科研能力突出，大学生科创指导经验丰富，保障了项目式课程的高质量开展。此外，邀请多位机器人龙头企业中具有丰富工程、企业经验的企业导师，组成跨学科校企合作教学团队，为项目式课程的课题设置与实践指导提供一线经验。

（三）线上线下混合的教学方法

在教学设计上，《机器人学应用实践》课程以学生为中心，以项目为驱动，采用“翻转课堂”与“线上线下混合”的教学模式，将课程知识、竞赛内容和实践经验以项目化的方式融入专业课程教学［5］。

线上教学部分，学生充分利用微课、慕课等优质线上教学资源，结合相关先修课程基础与教学团队编写的纸质教材，采用“学生为主、教师为辅、线上线下混合”的方式掌握课程基础知识点，并基于项目要求撰写线上学习心得与项目预期实施方案。课前的自主学习有效解决了学校教学设计课时数有限的问题，充分体现了学生为主体的作用。

线下教学部分主要分为三个阶段。第一阶段是项目式课程的任务布置阶段，授课教师将学生分为若干个组成合理的学习小组，结合学科的前沿研究动态、教师科研项目需求、企业产品开发需求、大创项目申报计划以及各类大学生机器人竞赛要求，设置多个科创项目课题和竞赛课题，由每个学习小组认领一个机器人项目作为课程实践教学的主体，开展项目学习与研究工作，小组成员负责不同的研究重点，如结构设计、仿真分析、传感检测、驱动控制、硬件开发、系统集成等等。

第二阶段是项目式课程的执行指导阶段，教师根据项目进度，安排若干次线下课程答辩环节，每个学习小组结合线上学习的基础理论知识与线下开展的项目研究成果，按照不同的专题项目，向教师和其他学习小组汇报项目研究方案与进展。教师采用启发式、探究式、案例式、演示法、对比法等教学方法，结合课程知识点，对其进行点评与指导，并通过组内和组间研讨，促进师生互动，激发学习兴趣。

第三阶段是项目式课程考核验收阶段，教师组织各个小组的项目结题答辩，并根据项目方案、项目成果、答辩效果以及学习总结材料，进行项目式课程的最终成绩评定。进一步遴选有潜质的优质项目开展后续更深入的研究。

（四）考核方式

在项目驱动式教学模式下，教师注重学生从发现问题、分析问题到解决问题全过程能力的培养。本课程采用了全过程、多元的评价方式和指标。课程考核内容主要包括：线上学习心得总结材料（基于分配的具体项目任务）、各个阶段的项目答辩成绩、项目完成质量、项目研究成果（实物样机、三维模型、仿真和实验数据、参加的各级竞赛成绩、获批的大创课题等级等）、项目结题报告等。各个小组团队对项目成果进行展示，同学进行评价，任课教师和企业教师根据项目式教学大纲，结合学生在项目各阶段的表现对学生的能力进行综合考核，达到过程考核的标准和目标考核的标准［6］。项目式驱动式课程考核内容与分值比例如表1 所示。

表1 项目驱动式课程考核内容与分值比例

三、实施效果

经过不断探索与实践，项目驱动式实践教学模式充分激发了学生学习的兴趣和积极性，提高学生的实际操作能力和综合应用能力。学生结合项目驱动式课程内容，依托学校成立的“机器人俱乐部”“机器人研创班”以及学校开展的各项机器人相关大学生科技创新及竞赛活动等资源，形成了以科研项目、科创项目、科创竞赛为驱动的学习氛围。近年来，学生在“挑战杯全国大学生课外学术科技作品大赛”“全国机械创新设计大赛”“全国大学生机器人大赛”“中国机器人及人工智能大赛”等重大赛事斩获国家级竞赛奖项30 余项，省级竞赛奖项50 余项。项目驱动式实践教学模式有效提升了课程的教学质量，达到了预期的课程教学目标，促成了专业人才培养目标的实现。

四、结语

以科研项目、科创项目、科创竞赛等实践项目为驱动的教学模式有效激发了学生的学习兴趣与动力，提高了自我学习能力与协作能力，并取得了良好的教学效果。文章以《机器人学应用实践》项目式实践教学为案例，探索了项目式驱动实践教学新模式在人才培养的意义。与传统的教学模式相比，项目式实践教学新模式解决了课时数不足、教学模式和考核方式单一等问题，同时注重培养学生专业理论知识与实践项目有机结合，引导学生主动发现问题，并且通过查阅资料、动手实践、综合分析等过程，最终解决问题并得出结论，教学设计形成闭环。在项目实践的过程中，该模式在实现学生线上自主学习和知识拓展深化、教师线下指导和解决问题的基础上，突出了以学生为中心的个性化培养的教学优势，对提升机器人工程专业的人才培养质量具有重要的意义。