程景萌 李?yuàn)檴?李 輝 王玉潔 周 圍

（1.河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,天津 300130；2.衡水科技工程學(xué)校,河北 衡水 053000）

機(jī)器人技術(shù)涉及運(yùn)動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)視覺(jué)、人工智能、傳感器技術(shù)等研究領(lǐng)域，其代表了當(dāng)今機(jī)電一體化的最高成就[1]。工程教育專業(yè)認(rèn)證是高校工程教育國(guó)際化的重要途徑，也對(duì)高校工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)提出了新要求。已有不少學(xué)者提出，可以通過(guò)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)來(lái)培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)能力、發(fā)展能力以及創(chuàng)造性地分析與解決問(wèn)題的能力[2]。

1 機(jī)器人實(shí)驗(yàn)教學(xué)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀以及存在問(wèn)題

目前，國(guó)外很多高校相繼開展機(jī)器人實(shí)驗(yàn)課程，尤其是美國(guó)高校，普遍開設(shè)了機(jī)器人課程，并鼓勵(lì)學(xué)生積極參加機(jī)器人設(shè)計(jì)競(jìng)賽活動(dòng)[3]。日本多數(shù)高校都設(shè)有高水平機(jī)器人研究會(huì)，鼓勵(lì)和促進(jìn)機(jī)器人教育、機(jī)器人技術(shù)和產(chǎn)品的不斷發(fā)展[4]。面對(duì)海外高校機(jī)器人課程的開設(shè)，國(guó)內(nèi)部分高校開始奮起直追：西安交通大學(xué)積極構(gòu)建機(jī)器人實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，主要包括開放源代碼的固高等國(guó)產(chǎn)機(jī)器人、具有示教手持盒的日本生產(chǎn)的商業(yè)機(jī)器人和進(jìn)行二次開發(fā)的博時(shí)機(jī)器人應(yīng)用于研究生和本科生教學(xué)[5]；華南理工大學(xué)廣州學(xué)院安排了工業(yè)自動(dòng)化強(qiáng)化訓(xùn)練Ⅰ和Ⅱ兩個(gè)課程，將機(jī)器人控制系統(tǒng)作為PLC和單片機(jī)強(qiáng)化訓(xùn)練項(xiàng)目來(lái)開展[6]；西安科技大學(xué)構(gòu)建了“機(jī)器人創(chuàng)新實(shí)訓(xùn)基地”[7]。

當(dāng)今我國(guó)高校在機(jī)器人實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面雖然取得了部分成就，但是仍然存在一些問(wèn)題，比如：⑴ 實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段傳統(tǒng)，往往以理論和教師講解為主，學(xué)生主動(dòng)性很差；⑵ 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)過(guò)于單一，相當(dāng)一部分的學(xué)校只搭建一到兩種機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)；⑶ 單一的考核方法，學(xué)生成績(jī)的評(píng)定基本都是由指導(dǎo)教師根據(jù)實(shí)驗(yàn)報(bào)告進(jìn)行評(píng)定；⑷ 學(xué)生實(shí)驗(yàn)時(shí)間太受限制，學(xué)生只能在教師規(guī)定時(shí)間去實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

2 機(jī)器人開放性實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式改革內(nèi)容以及特點(diǎn)

2.1 設(shè)置階梯式開放性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

介于學(xué)生層次水平的不同，將開放性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目按模塊劃分，單元模塊中項(xiàng)目之間的關(guān)系是階梯式的。實(shí)驗(yàn)?zāi)K分為基本技能模塊、綜合應(yīng)用模塊和創(chuàng)新設(shè)計(jì)模塊，每個(gè)模塊內(nèi)部由多個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目構(gòu)成。基本技能模塊主要設(shè)置有舵機(jī)控制、機(jī)器人傳感器使用；綜合應(yīng)用模塊設(shè)置有小車主動(dòng)避障、示蹤，人機(jī)對(duì)話等；創(chuàng)新設(shè)計(jì)模塊需要與科研及國(guó)內(nèi)外競(jìng)賽項(xiàng)目緊密結(jié)合，如擂臺(tái)賽機(jī)器人等。

通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的合理設(shè)置，可以滿足不同專業(yè)、年級(jí)的學(xué)生，構(gòu)建一個(gè)能夠滿足多層次需求的機(jī)器人開放性實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。學(xué)生在親歷實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，可以有效培養(yǎng)探索意識(shí)和解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力。

2.2 實(shí)行以學(xué)生為主的預(yù)約式開放性實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

開放性實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式是以學(xué)生為主體、而教師著重對(duì)學(xué)生進(jìn)行啟發(fā)與引導(dǎo)的一種實(shí)踐性教學(xué)模式。該模式下，學(xué)生在一個(gè)完全自主學(xué)習(xí)與思考的環(huán)境中進(jìn)行專業(yè)技能的鍛煉，當(dāng)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中遇到問(wèn)題時(shí)，實(shí)驗(yàn)老師只需給予適度的啟發(fā)和引導(dǎo)。學(xué)生進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室的時(shí)間需提前預(yù)約，方便學(xué)生根據(jù)自己的時(shí)間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，不拘泥于以往教學(xué)中規(guī)定好的實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)數(shù)，從而讓其能夠充分挖掘自身潛能。競(jìng)賽項(xiàng)目的實(shí)施更能培養(yǎng)學(xué)生的自主決策、獨(dú)立操作、分析和處理問(wèn)題的能力，并能將競(jìng)賽項(xiàng)目合理地應(yīng)用到實(shí)驗(yàn)室體系中來(lái)，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室資源高效共享。

2.3 形成閉合反饋式考核評(píng)價(jià)方法

根據(jù)每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的性質(zhì)采用不同的考核方式，可以采取提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告或直接提交作品、上臺(tái)演示演講、公開答辯或小組自評(píng)互評(píng)等方式，老師根據(jù)掌握的情況對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果給出合理評(píng)價(jià)，將考核結(jié)果反饋給學(xué)生進(jìn)行改進(jìn)，形成閉合反饋的考核評(píng)價(jià)方法。

3 機(jī)器人開放性實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式改革效果

工程教育專業(yè)認(rèn)證從12個(gè)方面明確了本科畢業(yè)生應(yīng)具備的素養(yǎng)和能力?；诠こ探逃龑I(yè)認(rèn)證的先進(jìn)理念，有力推動(dòng)了機(jī)器人實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式改革，從輸出到輸入，對(duì)教學(xué)方式和教學(xué)模式進(jìn)行革新，從而有利促進(jìn)教學(xué)工作，提高教學(xué)質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室資源的高效共享。

河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械電子工程實(shí)驗(yàn)室打破以往重復(fù)驗(yàn)證為主的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ胶鸵员粍?dòng)接受為主的傳統(tǒng)學(xué)習(xí)模式，以機(jī)器人為平臺(tái)，從開放性的課程設(shè)置、實(shí)驗(yàn)過(guò)程、評(píng)價(jià)體系等方面進(jìn)行改革和實(shí)踐，建立以學(xué)生為主實(shí)踐創(chuàng)新培養(yǎng)體系，極大地激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。圖1和圖2為開放性實(shí)驗(yàn)改革前后的實(shí)驗(yàn)課程組織流程。

圖1 改革前實(shí)驗(yàn)課程組織流程

圖2 改革后實(shí)驗(yàn)課程組織流程

實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式改革前，實(shí)驗(yàn)課程的授課方式為線性化特點(diǎn)，以教師講解為主，教學(xué)環(huán)節(jié)中缺少互動(dòng)，課程教學(xué)內(nèi)容側(cè)重于理論課程中知識(shí)點(diǎn)的講授，學(xué)生自主發(fā)揮的環(huán)節(jié)比較少。實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式改革后，以學(xué)生小組為單位的研討成為課堂的重要環(huán)節(jié)。將課堂時(shí)間交給學(xué)生，要求學(xué)生以小組為單位針對(duì)具體實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，以問(wèn)題為導(dǎo)向，利用教材、小組頭腦風(fēng)暴以及網(wǎng)絡(luò)等多種形式，自主完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，并清晰地將實(shí)驗(yàn)過(guò)程闡述出來(lái)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，教師將考核結(jié)果反饋給學(xué)生，采用閉合式考核方式。這種方式使學(xué)生真正成為課堂的主體，而不再是被動(dòng)的接受者，如此一來(lái)學(xué)生的自主性和積極性將得到大幅提高。

4 提高教學(xué)質(zhì)量作用和意義

以模塊化機(jī)器人為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)機(jī)器人開放性實(shí)驗(yàn)激發(fā)學(xué)生的主動(dòng)探索的積極性，對(duì)促進(jìn)教學(xué)工作，提高教學(xué)質(zhì)量的具有非常重要的作用和意義。

4.1 提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和創(chuàng)新能力

傳統(tǒng)的機(jī)器人實(shí)驗(yàn)教學(xué)，往往以理論和教師講解為主，學(xué)生則參照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書的操作步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，學(xué)生主動(dòng)性很差，難以激發(fā)學(xué)生對(duì)機(jī)器人進(jìn)行學(xué)習(xí)和操作的積極性。本項(xiàng)目打破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證性的封閉性和學(xué)生被動(dòng)學(xué)習(xí)的學(xué)習(xí)模式，提高了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和創(chuàng)造性。

4.2 增加機(jī)器人實(shí)驗(yàn)教學(xué)的廣度

搭建機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)所需的器材費(fèi)用非常高，相當(dāng)一部分的學(xué)校只能購(gòu)買并搭建一到兩種機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，因而能夠讓學(xué)生動(dòng)手操作、親身體驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)資源非常有限，導(dǎo)致機(jī)器人實(shí)驗(yàn)的教學(xué)內(nèi)容比較單調(diào)。本項(xiàng)目通過(guò)模塊化機(jī)器人實(shí)驗(yàn)教學(xué)降低實(shí)驗(yàn)成本，使更多的學(xué)生參與到實(shí)驗(yàn)中來(lái)，拓寬了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的廣度。

4.3 促進(jìn)機(jī)械電子工程專業(yè)教學(xué)模式的改革與創(chuàng)新具有重要的意義與作用

本項(xiàng)目研究試圖將機(jī)器人開放性實(shí)驗(yàn)有機(jī)嵌合到整個(gè)機(jī)器人技術(shù)、機(jī)電一體化等相關(guān)課程的教學(xué)過(guò)程中，改變傳統(tǒng)教學(xué)中存在的重理論輕實(shí)踐的傾向，體現(xiàn)以學(xué)生能力培養(yǎng)為核心、以學(xué)生為教學(xué)主體的教學(xué)理念。

5 機(jī)器人開放性實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式改革遇到的關(guān)鍵問(wèn)題

5.1 構(gòu)建良好可用的機(jī)器人開放教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

建立實(shí)用性比較強(qiáng)的開放性實(shí)驗(yàn)課程管理平臺(tái)，內(nèi)容包含教師提交教學(xué)任務(wù)、學(xué)生開放預(yù)約、學(xué)生信息管理、成績(jī)反饋等等。通過(guò)教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的使用可以將預(yù)約式開放性實(shí)驗(yàn)在管理上更加規(guī)范。

5.2 設(shè)置合理的開放性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

開放性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的選擇需要面對(duì)不同專業(yè)、年級(jí)的學(xué)生，就需要教師設(shè)定不同階梯式的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，以激發(fā)學(xué)生的興趣，否則學(xué)生無(wú)法真正達(dá)到訓(xùn)練其獨(dú)立設(shè)計(jì)、動(dòng)手能力的目的，而指導(dǎo)教師也被迫不斷降低開放性實(shí)驗(yàn)的要求。

5.3 建立強(qiáng)有力的支持體系

預(yù)約式開放性創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的可持續(xù)開展，有賴于自學(xué)校管理層面到教師個(gè)體的完整有效的支持體系和制度保證。本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理辦法、開放性實(shí)驗(yàn)管理辦法等全面覆蓋的制度。在激勵(lì)機(jī)制上體現(xiàn)激勵(lì)教師貢獻(xiàn)、認(rèn)定學(xué)生學(xué)分，同時(shí)制定支持主講教師、學(xué)生便捷進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室利用實(shí)驗(yàn)室教學(xué)資源的預(yù)約制度。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)改變實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，可以培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜問(wèn)題的能力，保證畢業(yè)生達(dá)到行業(yè)認(rèn)可的既定質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求，并且將開放性實(shí)驗(yàn)應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室資源的高效共享。根據(jù)畢業(yè)要求指標(biāo)配置實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容，利用模塊化的機(jī)器人實(shí)驗(yàn)降低實(shí)驗(yàn)入門的難度，減少實(shí)驗(yàn)成本。開放性機(jī)器人實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式能激發(fā)學(xué)生主動(dòng)探索的積極性，對(duì)促進(jìn)教學(xué)工作、提高教學(xué)質(zhì)量具有非常重要的作用和意義。