沈 捷 王 莉 王鑫國(guó) 李麗娟

南京工業(yè)大學(xué)電氣工程與控制科學(xué)學(xué)院 江蘇南京 211816

根據(jù)2015年5月國(guó)務(wù)院發(fā)布的《中國(guó)制造2025》規(guī)劃，機(jī)器人已經(jīng)成為重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域之一[1]。為了貫徹落實(shí)好《中國(guó)制造2025》，2016年4月工信部出臺(tái)了《機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2016-2020)》文件[2]。目前我國(guó)的機(jī)器人產(chǎn)業(yè)蓬勃興起，并呈現(xiàn)出快速發(fā)展態(tài)勢(shì)。在2016年3月教育部公布的《普通高校本科最新專業(yè)備案和審批結(jié)果》中，東南大學(xué)增設(shè)了國(guó)內(nèi)本科階段首個(gè)機(jī)器人工程專業(yè)。機(jī)器人技術(shù)課程是機(jī)器人專業(yè)的核心課程，涉及計(jì)算機(jī)科學(xué)、機(jī)械學(xué)、電子學(xué)、自動(dòng)控制和人工智能等多個(gè)學(xué)科[3]。

目前大多數(shù)學(xué)校的機(jī)器人技術(shù)課程側(cè)重于理論教學(xué)，實(shí)驗(yàn)課時(shí)較少，甚至沒有設(shè)置實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)。然而實(shí)驗(yàn)教學(xué)是提高實(shí)踐創(chuàng)新能力的一個(gè)非常有效的途徑[4]。目前我校測(cè)控專業(yè)已經(jīng)開設(shè)了機(jī)器人技術(shù)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，但仍然存在如下問題。(1)課堂上教師統(tǒng)一示范操作實(shí)驗(yàn)步驟，學(xué)生觀察、記憶和重復(fù)每一步實(shí)驗(yàn)，個(gè)性化培養(yǎng)不足。(2)學(xué)生實(shí)驗(yàn)課前沒有預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。(3)同一實(shí)驗(yàn)教師需要在多個(gè)班級(jí)重復(fù)教學(xué)，效率較低。(4)課堂上用于師生交流互動(dòng)的時(shí)間較少，教師未能引導(dǎo)學(xué)生積極思考問題和探索知識(shí)。(5)實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)少且類型單一。目前實(shí)驗(yàn)只有4個(gè)學(xué)時(shí)，全部為驗(yàn)證型。在這種傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式下，很多學(xué)生處于被動(dòng)學(xué)習(xí)的狀態(tài)，只是機(jī)械重復(fù)了實(shí)驗(yàn)步驟，未能有效展開實(shí)踐訓(xùn)練與思維拓展。因此，需要對(duì)機(jī)器人技術(shù)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行改革，給予學(xué)生個(gè)性化指導(dǎo)，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和自主學(xué)習(xí)能力。

于1996年在美國(guó)被提出的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)將傳統(tǒng)教學(xué)過程中的知識(shí)傳授和知識(shí)內(nèi)化2個(gè)階段顛倒過來[5]。知識(shí)傳授由傳統(tǒng)課堂中教師講授轉(zhuǎn)移至課前由學(xué)生通過信息技術(shù)的輔助完成，知識(shí)的內(nèi)化則由原先課后做作業(yè)的活動(dòng)轉(zhuǎn)移至課堂中的學(xué)習(xí)活動(dòng)。微課是針對(duì)某個(gè)知識(shí)點(diǎn)或教學(xué)環(huán)節(jié)而設(shè)計(jì)開發(fā)的一種視頻課程資源[6]。因此可以將微課和翻轉(zhuǎn)課堂進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，用于機(jī)器人技術(shù)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中。

1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)

機(jī)器人技術(shù)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容如表1和表2所示，包括基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和提高實(shí)驗(yàn)兩種類別。基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)以機(jī)器人技術(shù)的基本原理和方法為基礎(chǔ)，旨在幫助學(xué)生理解所學(xué)的理論知識(shí)，實(shí)驗(yàn)由學(xué)生根據(jù)教師設(shè)定轉(zhuǎn)變?yōu)樽灾髟O(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案和實(shí)驗(yàn)步驟，側(cè)重培養(yǎng)學(xué)生自主思考和創(chuàng)新能力。所有學(xué)生必須完成全部的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，根據(jù)自身的興趣和能力自主選擇完成至少1個(gè)提高實(shí)驗(yàn)。部分基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和提高實(shí)驗(yàn)結(jié)合了當(dāng)前各類機(jī)器人競(jìng)賽的內(nèi)容。結(jié)合競(jìng)賽的實(shí)驗(yàn)設(shè)置可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)機(jī)器人技術(shù)的積極性，提高學(xué)生運(yùn)用機(jī)器人技術(shù)解決實(shí)際問題的能力。

表1 基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)

表1 (續(xù))

表2 提高實(shí)驗(yàn)

2 基于翻轉(zhuǎn)課堂的機(jī)器人技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)

筆者針對(duì)目前機(jī)器人技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程存在的問題進(jìn)行教學(xué)模式改革，采用了基于微課翻轉(zhuǎn)課堂的機(jī)器人技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，其過程如圖1所示。整個(gè)教學(xué)過程分為課前、課中和課后3個(gè)階段，每個(gè)階段又包括教師教學(xué)活動(dòng)和學(xué)生學(xué)習(xí)活動(dòng)2個(gè)部分[7]，將傳統(tǒng)教學(xué)中的師生角色翻轉(zhuǎn)，體現(xiàn)了“以學(xué)生為中心”的教學(xué)理念。

2.1 課前階段

課前階段是知識(shí)傳授階段，教師根據(jù)機(jī)器人技術(shù)課程的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容準(zhǔn)備微課教學(xué)視頻，微課視頻的內(nèi)容主要包括實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、基本原理、操作步驟、注意事項(xiàng)以及課堂待討論的主題等。將制作好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)微課視頻發(fā)布至網(wǎng)絡(luò)共享，避免了重復(fù)教學(xué)。學(xué)生可以在課前通過網(wǎng)絡(luò)隨時(shí)隨地自主學(xué)習(xí)微課的內(nèi)容。同時(shí)，學(xué)生也可以根據(jù)自身學(xué)習(xí)掌握情況，反復(fù)觀看或者有選擇地觀看微課視頻，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化教學(xué)。

2.2 課中階段

課中階段是開展實(shí)驗(yàn)的具體階段，即知識(shí)內(nèi)化階段。在課堂的開始，教師首先根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行提問，從而對(duì)學(xué)生在課前學(xué)習(xí)情況進(jìn)行檢查。然后對(duì)學(xué)生在課前學(xué)習(xí)過程中碰到的共性問題進(jìn)行解答。接著學(xué)生直接進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，教師觀察學(xué)生的完成情況，對(duì)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中遇到的個(gè)性問題進(jìn)行指導(dǎo)。最后，教師就微課視頻中布置的討論主題與學(xué)生展開討論并歸納總結(jié)，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解和運(yùn)用，提高其分析問題和解決問題的能力。由于知識(shí)的傳授被轉(zhuǎn)移到了課前，學(xué)生實(shí)際操作和師生互動(dòng)的時(shí)間大大增加，課堂效率大大提高。

圖1 基于微課翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)過程設(shè)計(jì)

2.3 課后評(píng)價(jià)階段

課后階段是知識(shí)鞏固提高的階段，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)課結(jié)束后總結(jié)分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果并撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，教師批改實(shí)驗(yàn)報(bào)告。教師對(duì)實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)的問題進(jìn)行總結(jié)，據(jù)此來重新調(diào)整優(yōu)化微課視頻。這樣，整個(gè)翻轉(zhuǎn)課堂的實(shí)驗(yàn)教學(xué)構(gòu)成了一個(gè)具有積極反饋的良性循環(huán)系統(tǒng)。

3 建設(shè)成效

在2017年秋季學(xué)期南京工業(yè)大學(xué)測(cè)控專業(yè)四年級(jí)機(jī)器人技術(shù)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中嘗試了基于微課的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式。

通過此次教學(xué)實(shí)踐改革，將傳統(tǒng)教學(xué)活動(dòng)的“以教師為主導(dǎo)”轉(zhuǎn)變至“以學(xué)生為主導(dǎo)”，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和熱情。具體的成效如下：(1)實(shí)現(xiàn)了對(duì)學(xué)生的層次化、個(gè)性化教學(xué)。層次化實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)使得學(xué)生可以依據(jù)自身能力完成不同難度的實(shí)驗(yàn)。在翻轉(zhuǎn)課堂的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，學(xué)生的學(xué)習(xí)和教師教學(xué)都可以針對(duì)個(gè)人的能力和特點(diǎn)開展。(2)培養(yǎng)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力。學(xué)生根據(jù)自己的時(shí)間安排來觀看網(wǎng)上發(fā)布的微課視頻，靈活性、主動(dòng)性更大。(3)提高了學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力。學(xué)生通過對(duì)機(jī)器人技術(shù)課程實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)，積極踴躍參加機(jī)器人相關(guān)的各類大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃以及競(jìng)賽。在機(jī)器人技術(shù)教學(xué)團(tuán)隊(duì)教師的指導(dǎo)下，學(xué)生申請(qǐng)并獲得了省級(jí)和校級(jí)的大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目。目前，經(jīng)過課程培訓(xùn)的學(xué)生已經(jīng)在全國(guó)大學(xué)生智能車競(jìng)賽、江蘇省大學(xué)生機(jī)器人大賽、中國(guó)工程機(jī)器人大賽暨國(guó)際公開賽中獲得了多個(gè)獎(jiǎng)項(xiàng)。

4 結(jié)語

將基于微課的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式應(yīng)用于機(jī)器人技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教學(xué)模式使得學(xué)生由傳統(tǒng)教學(xué)中的“被動(dòng)接受知識(shí)”轉(zhuǎn)變?yōu)椤爸鲃?dòng)學(xué)習(xí)知識(shí)”，有效激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。但在目前的教學(xué)實(shí)踐過程中，也發(fā)現(xiàn)了一些問題。(1)少數(shù)學(xué)生無法適應(yīng)角色的轉(zhuǎn)變，不能在課前積極地自主學(xué)習(xí)網(wǎng)上發(fā)布的微課教學(xué)資源，在課堂上也無法與教師和其他同學(xué)討論交流。(2)目前機(jī)器人技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)微課視頻由機(jī)器人技術(shù)課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)自己錄制開發(fā)，主要側(cè)重其功能和內(nèi)容，在美觀性方面略有欠缺。日后考慮邀請(qǐng)專業(yè)的視頻制作團(tuán)隊(duì)參加開發(fā)微課視頻，提供給學(xué)生更加優(yōu)質(zhì)豐富的課程資源，以期達(dá)到更好的教學(xué)效果。