机器人工程设计实践课程启发式教学方法探索

白小山 李畅 邹嘉豪 张博

摘  要：随着科技的不断发展，机器人技术得到了广泛的应用和发展，机器人工程设计与实践课程也成为高校工科教育中的热门课程。为推进本科自动化专业实践教学体系的改革，探索将启发式教学理念运用于机器人工程设计与实践课程教学的可行性。针对传统教育模式的现状与存在的问题，提出一系列基于启发式教学理念的解决方案，并最终对取得的教学效果予以分析。

关键词：机器人；启发式教学；工程设计与实践；课程改革；教学效果

中图分类号：G642      文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2023）33-0110-04

Abstract： With the continuous development of science and technology， robot technology has been widely applied and developed， and the course of Robot Engineering Design and Practice has become a hot topic in engineering education in universities. In order to promote the reform of the practical teaching system for undergraduate automation majors， the feasibility of applying heuristic teaching concepts to the teaching of robot engineering design and practice course is explored. Aiming at the current situation and existing problems of traditional teaching models， a series of solutions based on heuristic teaching concepts are proposed， and finally the resulting teaching effects are evaluated.

Keywords： robot; heuristic teaching; engineering design and practice; curriculum reform; teaching effect

机器人是“制造业皇冠顶端的明珠”，其研发、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[1]。机器人工程设计与实践课程作为理工科尤其是自动化专业中重要的专业核心课程，是将机械、自动化、机器人等重点学科理论知识和工程设计与实践相结合的天然桥梁，兼具理论性和实践性。机器人课程可以培养学生的创新思维、动手能力和科技素养，提高其综合能力和就业竞争力。通过机器人相关课程的学习，学生可以了解机器人的原理、构造和应用，培养学生解决问题的能力和团队合作精神[2-4]。机器人工程设计与实践课程目標不仅定位于培养学生掌握轮式机器人、履带底盘机器人、足式机器人等机器人的结构设计与编程控制等基本知识，更着重于培养学生科学严谨的逻辑思维能力和锐意进取的实践创新能力，为粤港澳大湾区建设与发展培养勇于探索、意志坚定、能解决自动化领域复杂工程问题的应用型人才。

国家目前大力支持机器人相关技术研发与设计，其中《中国制造2025》提出，要将关键工序智能化、关键岗位机器人替代，促进机器人标准化和模块化，突破机器人技术瓶颈[5-6]。为更好培养能解决机器人领域复杂工程问题、意志坚定的应用型人才，机器人工程设计与实践课程改革应着重于建立高效的创新教学方法，在教学过程中持续启发同学们对为什么要学习本课程、本课程每周上课期间要掌握什么课程内容，以及该如何很好地掌握课程内容等与课程密切相关问题的思考与认识，充分发挥学生课程学习与实践的主观能动性和自主性探索能力。然而，针对机器人工程设计与实践类型课程，当前教学方式大多采用 “填鸭式”教学方式一味给学生被动地“灌输”教科书知识。在实际教学中同学们常认为这是一门单纯的实践课，不知如何灵活运用自动控制技术、C程序设计和机器人技术的相关原理与方法解决课程中的实际工程问题，以至于学习兴趣和学习效率有待提升，无法很好培养学生勇于探索、锐意进取的实践创新能力。因此，急需探索和实践高效创新的启发式教学方法以培养学生主动思考等良好习惯，从而有效激发学生的创新性思维和提升他们的自主探索学习能力[7-10]。

一  传统教学的现状与存在的问题

基于笔者对机器人工程设计与实践等相关课程的教学经验、学生反馈和课程报告分析，发现该课程在传统教学方式授课下的缺点和不足主要包括下述四个方面。

其一，学生的主观能动性较低。传统教学方式注重知识的传授和灌输，学生往往是被动接受和消化知识，缺乏主动性和创造性。在这种教育环境下，学生缺乏对自己学习过程的掌控和主导能力，往往只是被要求记忆和重复课堂上所学的内容，而缺乏对知识的理解和应用能力。因此，这种教学方式难以激发学生的主动性和创造性。

其二，在机器人工程设计与实践等相关实践课程中，学生需要具备一定的动手能力和实践经验，才能够顺利完成课程任务。然而，大部分学生缺乏必备的实践经验和动手能力。除此之外，编写代码也是这类课程中必不可少的技能之一。但是，部分学生编写代码的能力较低，无法熟练地使用相关编程语言。这种情况不仅影响了学生的学习效果，还可能对学生的自信心造成较大的打击：由于无法在规定的教学时间内完成课堂任务，学生可能会对自己的能力产生怀疑，从而降低他们对课程的兴趣和积极性，甚至产生畏难心理。

其三，学生的差异性难以应对，传统教学方式往往是“一刀切”的教学模式，不能满足学生不同的学习需求和学习风格，导致学生的学习效果和兴趣受到影响。例如，对于那些基础薄弱的同学，他们往往需要更多的时间来理解和掌握学习内容，无法在规定的教学时间内掌握当堂课程的学习内容，进而产生挫败感，对学习失去兴趣。而对于那些基础较好、学习能力强的同学，不仅能很快掌握当堂课程的学习内容，快速完成当堂课的课程任务，甚至能自学下节课的学习内容。这些学生可能会觉得课堂内容不够充实，想要学习更多的知识。但传统教学方式却无法提供更多的学习机会，从而让这些优秀学生感到课程知识乏味不足。

其四，当前课程中部分学生遇到问题时，由于缺乏自信和探索精神，常常选择优先向老师或助教进行求助，而非自己思考和探索。这种行为不仅限制了学生的自主性和创新性，也会让学生失去解决问题和积累经验的机会，导致其缺乏实践操作和经验总结，继而造成他们的综合能力和创新能力较低。

综上所述，传统教学方式存在学生主观能动性较低、课程学习积极性不高、差异性难以应对和自主探索能力薄弱等问题。针对上述问题，笔者將通过以问题为导向的方式来探索和实践高效的启发式教学方法，对机器人工程设计与实践课程讲授方法进行改革。

二  启发式教学理念

启发式教学是一种基于学生自主探究和发现的教学方法，强调学生的主动性和创造性，在教学过程中引导学生通过发现问题、探究问题和解决问题的方式来学习。相较于传统教学的“灌输式”教学模式，启发式教学更加贴近学生的学习需求，能够让学生更加积极主动地参与学习，从而激发他们的学习兴趣和动力，提高学生的学习效果。此外，相较于传统教学的理论讲解，启发式教学注重实践性和探究性，通过实践探究和解决问题的方式来培养学生的实践能力和创新能力。这种教学方式更加贴近学生的学习需求，可以有效激发学生的学习兴趣和动力，提高他们的学习效果。其次，相较于传统教学的“一刀切”教学模式，启发式教学更加注重个性化和多元化，能够适应不同学生的学习风格和需求，更好地满足学生的学习需求和提高教学效果。最后，相较于传统教学的“教师为中心”教学模式，启发式教学强调学生的自主性和思考性，在教学过程中引导学生通过探究和发现问题的方式来主动学习，能够更好地激发学生的学习兴趣和动力[11]。这种教学方式可以更好地培养学生的综合素质和能力，提高他们的综合能力和创新能力。

总之，启发式教学是一种有效的教育方式，特别适合现代学生的多样化学习需求，可以解决传统教学方式存在的问题，通过激发学生的学习兴趣和动力、引导学生的探究和发现、个性化教学、培养学生的综合能力和创新能力等方式，以提高教学效果和质量，培养学生的综合素质和能力[12]。

三  启发式教学课程改革

启发式教学是一种以学生为中心的教学方法，旨在激发学生的学习兴趣、提高学习效果。其具体课程改革内容如下。

首先，针对每节课程知识点选取恰当适用的启发性问题。恰当合适地选择相关启发性问题，既有利于调动学生的学习兴趣，又有助于学生学以致用、持续发展。教师在选择问题和案例时应尽可能从学生熟悉的身边实例和热点社会现象着手。这样不仅有助于启发学生的思维，还能激发他们的兴趣并提高教学效果。比如，在讲授主控版芯片控制小车循迹过程中小车移动速度及移动位置精确度的局限性时，可以启发同学们思考为什么美国期望通过禁止华为公司采购美国芯片来延缓我国高新科技的发展速度，通过让同学们了解认识到我国在高精度芯片研发、设计和制造等重要研究领域与当前国际科技强国之间的差距，引导学生建立矢志奋斗，勇于拼搏的责任感和使命感，有效激发学生们的学习动力和主观能动性。

其次，巧妙设计课程实践项目以增强学生的自主探索能力。在机器人工程设计与实践课程当中，设计兼具趣味性与挑战性的移动机器人闯关晋级技能挑战赛实践项目，如对集避障、循迹、货物搬运与卸载等多功能于一体的自主移动小车进行结构设计、组装及编程控制。不同机械结构和控制策略往往都可以让小车具备要实现的相关功能，如具备循迹功能的小车可以采用前轮驱动的方式进行循迹，也可以选择以后轮驱动的方式进行循迹，可以是组装轮式小车进行循迹，也可以组装履带底盘类型小车进行循迹。在同学们对机器人进行组装及编程控制的过程中，引导学生思考、联想，结合运用既有理论和实践经验展开创造性思维，建立突破陈规、追求进步和锐意进取的改革创新时代精神，学会发现新的问题和提出有效的解决方案，不断提升学生的自主探索能力。

最后，采用多元化的教学方式。传统教学主要以课堂讲解为主，容易使学生产生学习疲劳，降低学习积极性。并且在机器人工程设计与实践课程中，有一些课程实践内容重复度高，因此，可以采用多元化的教学方式来激发学生的兴趣和学习热情。例如，采用“分组对抗”的方式，即学生自行组建团队，团队内协调合作，团队间相互竞争。一方面，团队合作可以极大节省一部分枯燥且乏味的机器人安装步骤，有利于学生掌握机器人小车的其他控件组装技术，推动机器人小车组装多元化发展。另一方面，团队竞争极大地调动了学生的积极性和探索性，让他们在实践中更好地掌握机器人小车的相关组装技术。

基于笔者前期在机器人工程设计与实践等课程上的教学经验，将以问题为导向的方式构建高效的启发式教学方法，具体步骤分为以下五个环节。

其一，启发式问题构建阶段。启发式问题是一种开放性、挑战性、启示性强的问题，与学生所学知识、理论等紧密联系，能够引导学生思考和探究，激发学生的好奇心和求知欲。同时，所构建的启发式问题应兼具趣味性和灵活性。问题的形式应该多样化，可以采用游戏、案例、视频、热点社会现象等多种形式，以吸引学生的注意力。此外，问题的答案也应该尽可能开放，给学生充足的思考空间，鼓励他们自主探索。为了帮助学生更好地探究问题，教师可以提供丰富的学习资源，例如文献、案例、网站链接等，以帮助学生深入了解问题的背景和相关知识。

其二，问题分析阶段。第二步是让学生充分讨论和分析问题，并通过团队协作和竞争锻炼学生的能力。采用团队/小组协作形式可以促进理论知识和实践技能的学习，同时也能够提升学生的沟通和协作能力。此外，不同团队的竞争又使得团队成员通过各展所长和紧密配合来做好团队建设以取得更好的成绩。由于课时有限，对于知识点较少且比较简单的问题，可以在课堂上采用随堂讨论的方式进行探讨；而对于知识点较多、复杂性和综合型的问题，则建议学生在课后认真搜集资料，形成一个书面方案，并在课堂上进行组内同学之间的交流和讨论。这样可以在有限的课时内更好地激发学生的学习兴趣，同时也有利于学生的知识掌握和能力提升。在此阶段，教师作用是通过提问引导学生更好地理解问题，而非直接提供答案。

其三，问题解决阶段。在问题解决阶段，学生将在小组讨论中提出解决方案。此阶段以小组展开为主，旨在锻炼学生的理解洞察能力、语言表达能力、逻辑思考能力和材料组织能力，同时也重点培养学生团队合作的能力。此阶段，先引导学生对小组讨论的情况做出全面介绍，然后再由教师重点考察他们对课程问题和有关理论的准确理解，以及解决方案在创造性、科学性、可操作性等方面的表现。

在解决问题过程中，学生需要通过小组讨论来集思广益，不断寻找最佳的解决方案。在这个过程中，学生能发挥自己的才智和创造力，锻炼自己理解问题和解决问题的能力。此外，在小組讨论的过程中，学生还能培养出团队合作的能力：他们需要与小组成员紧密合作，相互协作，共同制定出最佳解决方案。通过这种方式，学生不仅能够高效率地完成任务，还能够提升自己的团队合作能力。

其四，方案辨析启发阶段。方案辨析环节是整个教学过程中非常关键的一个阶段，其旨在实现“启发”的目的。在教师的引导下，各个小组学生可以进行持续性的问答和碰撞，并在回答和互动中归纳出新的结论或方案。这个过程中，教师应该把学生的误解或错误记录下来，而不是直接指出来，这样可以鼓励学生继续参与讨论，发掘潜在的思维盲点和局限性。

在方案辨析环节中，教师的角色类似于“知识助产者”，引导学生深入思考，完成从实践层面到理论层面的跨越。教师应该注重提问的技巧和方法，让学生在思考的过程中逐渐形成自己的思考框架和思维方式。同时，教师还应该考虑学生思维过程和思维方式的多样性，鼓励学生在思维碰撞中发掘不同的思路和方案。思维的激烈碰撞能够增强学生的学习动力和深度理解，从而达成更好的学习效果。在方案辨析环节中，学生可以通过互动和交流的方式，不断完善和优化自己的方案，从而提高自己解决问题的能力和创新能力。教师应该在这个过程中发挥指导和引导的作用，激发学生的学习热情和创造力，让他们在学习中不断成长和进步。

其五，升华阶段。升华阶段是对前四个阶段的总结提升。每个小组学生依次上台，总结问题解决过程中涉及的知识点、理论和方法。每个小组发言的学生要尽可能与之前该小组汇报方案的学生不同。该阶段的主要目的是有理有据地得出最佳方案或明确阐述自身小组的全部方案。任课教师在学生总结的基础上进行最后点评，视情况补充讲解相关理论知识，并与学生一起评选出一支最佳小组/团队，起到榜样作用和激励作用。此外，教师还可以通过设置课后作业等方式巧妙地引导下一次课即将实践组装的主要内容。

总的来说，启发式教学的具体步骤包括启发式问题构建阶段、问题分析阶段、问题解决阶段、方案辨析启发阶段和升华阶段。这种教学方式可以提高学生的学习兴趣、学习效果和自主学习能力，帮助学生更好地掌握知识。

四  教学改革效果评估

笔者运用启发式教学模式在机器人工程设计与实践课程中，取得了显著的效果。首先，基于学生不记名的问卷调查发现，启发式教学取得的教学效果良好：大多数问卷反馈者认为课程中所采用的教学方法使自己的学习兴趣明显变浓，对于更好地理解课程知识起到了关键作用。其次，学生的创新能力和解决问题的能力得到了显著的提升。在实践操作中，学生需要不断地解决各种问题，培养了他们的创新能力和解决问题的能力。此外，个性化教学也取得了很好的效果。针对学生的不同学习需求和学习风格，采用差异化教学、小组合作和个性化辅导等方式，让学生得到了更好的支持和帮助。最终，学生的综合能力得到了很好的提升，他们的团队协作能力、沟通能力和实践操作能力得到了显著的提高。

五  结束语

启发式教学作为一种基于学生主动学习的教学模式，将在未来得到更广泛的应用和发展。未来，启发式教学将会更加注重个性化教学，采用更多的数字化技术和教育技术手段，满足学生不同的学习需求和学习风格，提高学生的学习效果。同时，启发式教学也将更加注重学生的实践操作和实践经验的积累，通过更多的实践活动和项目设计，培养学生的综合能力和创新能力。此外，启发式教学还将更加注重跨学科的融合，将不同学科的知识和技能进行整合和综合，培养学生的综合素质和能力。最终，未来的启发式教学将会更加注重培养学生的终身学习能力和自主学习能力，让学生在全球化和信息化的背景下，具备更强的适应性和竞争力。

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