戎新萍 徐海璐 季春天

南京工業(yè)大學(xué)浦江學(xué)院，江蘇 南京 211200

當(dāng)代科學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展，機(jī)器人產(chǎn)品已應(yīng)用在許多領(lǐng)域。機(jī)器人被譽(yù)為“制造業(yè)皇冠頂端的明珠”。2021 年12 月，工信部、國家發(fā)改委等8 個(gè)部門聯(lián)合印發(fā)《“十四五”智能制造發(fā)展規(guī)劃》，工信部、國家發(fā)改委等15 個(gè)部門聯(lián)合印發(fā)《“十四五”機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》等一系列相關(guān)規(guī)劃，將機(jī)器人產(chǎn)業(yè)作為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，并給予重點(diǎn)支持。機(jī)器人技術(shù)涉及多個(gè)學(xué)科相關(guān)知識(shí)，開展《機(jī)器人技術(shù)》課程有助于擴(kuò)大學(xué)生的知識(shí)面，且對(duì)先前所學(xué)專業(yè)課和專業(yè)基礎(chǔ)課能進(jìn)行綜合理解、應(yīng)用與消化，提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)、創(chuàng)新能力，培養(yǎng)具有多學(xué)科理論基礎(chǔ)和較強(qiáng)實(shí)踐能力的復(fù)合型人才，促進(jìn)我國在機(jī)器人時(shí)代走向世界前列。

一、課程現(xiàn)狀分析

《機(jī)器人技術(shù)》課程是南京工業(yè)大學(xué)浦江學(xué)院機(jī)電學(xué)院所有專業(yè)學(xué)生的專業(yè)必修課，是一門理論與實(shí)踐都很強(qiáng)的應(yīng)用型課程，課程內(nèi)容有理論知識(shí)的講解和實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)。由于本校條件的限制，實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)需要借助其他學(xué)校的教學(xué)資源來完成，且由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備比較昂貴，多個(gè)學(xué)生只能共用一套實(shí)驗(yàn)裝置，又由于時(shí)間限制，師生只能進(jìn)行一些演示性實(shí)驗(yàn)，很難全面開展和指導(dǎo)綜合型、創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)。學(xué)生學(xué)習(xí)了枯燥的理論知識(shí)，再進(jìn)行了簡(jiǎn)單的演示性實(shí)驗(yàn)，最后通過死記硬背來應(yīng)付考試。一些學(xué)生的自主學(xué)習(xí)性本來就較差，再經(jīng)過這么一個(gè)傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)過程，會(huì)大大降低對(duì)機(jī)器人課程學(xué)習(xí)的興趣，而且還會(huì)對(duì)該門課程貼上“無用”的標(biāo)簽，影響下一屆學(xué)生學(xué)習(xí)本門課程的狀態(tài)和興趣，老師的教學(xué)熱情也會(huì)大打折扣。如此以往，該門課程的教學(xué)效果差，質(zhì)量不佳。

面對(duì)落后的教學(xué)方法、枯燥繁多的理論知識(shí)、簡(jiǎn)單無趣的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)以及自主學(xué)習(xí)能力較弱的學(xué)生，對(duì)現(xiàn)有的教學(xué)模式進(jìn)行改革與探索，采用多元化混合的教學(xué)方法滿足不同的教學(xué)要求，提高教學(xué)效果［1］。

二、多元化混合教學(xué)模式

（一）RobotStudio 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

RobotStudio 是一款A(yù)BB 機(jī)器人的虛擬仿真軟件，集創(chuàng)建工作臺(tái)、程序編譯、仿真調(diào)試、二次開發(fā)等功能于一體，能夠模擬真實(shí)的工作環(huán)境。此款軟件里有ABB 任意系列的工業(yè)機(jī)器人庫，可以創(chuàng)建不同的機(jī)器人作業(yè)，其擁有與真實(shí)ABB 工業(yè)機(jī)器人大致相同的虛擬控制器和示教器。因此，利用此款軟件做虛擬仿真實(shí)驗(yàn)時(shí)，給人一種身臨真實(shí)機(jī)器人作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中的感覺。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的實(shí)物演示性實(shí)驗(yàn)，一方面能解決實(shí)驗(yàn)費(fèi)用不足、時(shí)間緊張和場(chǎng)地限制的難題；另一方面還降低了實(shí)驗(yàn)維護(hù)成本，減少了學(xué)生誤操作帶來嚴(yán)重后果的可能性［2-4］。

在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生可以有足夠的時(shí)間反復(fù)練習(xí)、糾正錯(cuò)誤，既可以進(jìn)行驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，也可以進(jìn)行創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)。學(xué)生可自己選擇不同的組件、不同型號(hào)的機(jī)器人等設(shè)計(jì)不同的機(jī)器人作業(yè)場(chǎng)景，打破學(xué)生傳統(tǒng)的固定思維，理論應(yīng)用于實(shí)際，學(xué)習(xí)興趣也會(huì)被大大提升，而“興趣”是最好的老師。另外，虛擬仿真還可以促進(jìn)“教育公平”的發(fā)展，每位學(xué)生都可以擁有相同的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，不會(huì)因?yàn)檎镜锰h(yuǎn)聽不清、看不見老師的實(shí)驗(yàn)講解，也不會(huì)因?yàn)樵O(shè)備少、人多，而摸不到實(shí)驗(yàn)設(shè)備。

（二）項(xiàng)目式教學(xué)

《機(jī)器人技術(shù)》課程是理論與實(shí)踐缺一不可的核心課程，傳統(tǒng)的教學(xué)模式由于理論周期時(shí)間較長(zhǎng)，最后實(shí)踐時(shí)學(xué)生的理論知識(shí)都忘得差不多了，不能真正達(dá)到學(xué)以致用的目的。因此在教學(xué)過程中，將理論融于實(shí)踐，采用項(xiàng)目式教學(xué)模式可以突破傳統(tǒng)先理論、后實(shí)踐的固定模式，充分挖掘?qū)W生的動(dòng)手、動(dòng)腦能力，以及發(fā)現(xiàn)問題、分析問題并解決問題的能力，讓學(xué)生在具體項(xiàng)目實(shí)踐中“做中學(xué)”和“學(xué)中做”［5-6］。

根據(jù)人才的培養(yǎng)規(guī)律和生產(chǎn)實(shí)際出發(fā)，由易及難，設(shè)定了基礎(chǔ)型項(xiàng)目、綜合應(yīng)用型項(xiàng)目和創(chuàng)新型項(xiàng)目?；A(chǔ)型項(xiàng)目有：創(chuàng)建基本工作站、創(chuàng)建用戶工具、創(chuàng)建機(jī)械裝置、離線編程、操縱虛擬控制器和示教器等。綜合應(yīng)用型項(xiàng)目有：汽車后擋風(fēng)玻璃自動(dòng)涂膠系統(tǒng)，ABB 機(jī)器人自動(dòng)焊接、搬運(yùn)、碼垛系統(tǒng)。創(chuàng)新型項(xiàng)目有：基于PLC 的激光切割系統(tǒng)、基于視覺的自動(dòng)分揀系統(tǒng)，或者自己設(shè)計(jì)。每個(gè)項(xiàng)目的內(nèi)容就是課程的知識(shí)點(diǎn)，將理論與實(shí)踐同時(shí)進(jìn)行，并不是以往枯燥、繁雜理論知識(shí)的灌輸。基礎(chǔ)型項(xiàng)目就是讓學(xué)生學(xué)習(xí)該門課程的基礎(chǔ)知識(shí)；綜合應(yīng)用型項(xiàng)目旨在將理論知識(shí)應(yīng)用到工程實(shí)際，學(xué)以致用；創(chuàng)新型項(xiàng)目鼓勵(lì)學(xué)生大膽發(fā)揮想象，自由探索、自由審視、自由創(chuàng)造，從而提高學(xué)生的創(chuàng)新能力。

例如，在創(chuàng)建機(jī)器人基本工作站的過程中，向?qū)W生介紹機(jī)器人的組成及各個(gè)部分的作用。創(chuàng)建用戶工具的項(xiàng)目就是導(dǎo)入其他三維軟件繪制出來的工具三維模型，經(jīng)過相關(guān)操作將導(dǎo)入進(jìn)來的工具能自動(dòng)安裝到機(jī)器人的末端。在此項(xiàng)目中的授課過程中，教師可以向大家展示工件坐標(biāo)選擇不同對(duì)象時(shí)，末端執(zhí)行器的位姿可產(chǎn)生不同的效果，借此向?qū)W生形象地說明什么是大地坐標(biāo)、工件坐標(biāo)、工具坐標(biāo)、關(guān)節(jié)坐標(biāo)等各個(gè)坐標(biāo)系的定義和創(chuàng)建的必要性。在汽車擋風(fēng)玻璃自動(dòng)涂膠系統(tǒng)和ABB 機(jī)器人自動(dòng)搬運(yùn)、碼垛系統(tǒng)的項(xiàng)目中，教師可以設(shè)置不同的參數(shù)向?qū)W生展示機(jī)器人末端運(yùn)行速度以及末端執(zhí)行器的作用力受什么因素的影響，并分析影響效果從而一起推導(dǎo)出機(jī)器人的速度雅可比矩陣和力雅可比矩陣。

通過基礎(chǔ)性項(xiàng)目和綜合應(yīng)用型項(xiàng)目，將書面的二維知識(shí)轉(zhuǎn)變成視覺性很強(qiáng)的三維實(shí)物，形象鮮明，學(xué)生更加容易理解和接受。再經(jīng)過創(chuàng)新型項(xiàng)目的訓(xùn)練，能喚起學(xué)生對(duì)新思想、新事物的好奇心，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

（三）線上線下混合教學(xué)模式

《機(jī)器人技術(shù)》課程知識(shí)點(diǎn)繁多，而且學(xué)生的基礎(chǔ)知識(shí)掌握情況參差不齊，學(xué)習(xí)能力也不相同。因此，想做到面面具善有很大難度。線上課堂打破了傳統(tǒng)課堂時(shí)間和空間上的限制，而線下課堂面授能增強(qiáng)師生之間的情感，促進(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)力，將兩種授課模式相互結(jié)合，取長(zhǎng)補(bǔ)短，其效果相得益彰。

在線下授課之前，教師將本次課程的理論知識(shí)點(diǎn)以微課的形式放在網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)上，供學(xué)生提前預(yù)習(xí)、擴(kuò)展知識(shí)。為了防止囫圇吞棗，設(shè)置了課前預(yù)習(xí)測(cè)試環(huán)節(jié)，測(cè)試題以判斷題、填空題、選擇題等客觀題的形式出現(xiàn)，這些題目從章節(jié)題庫中隨機(jī)抽取，防止相互抄襲。微課形式的線上課前預(yù)習(xí)能節(jié)省大量的理論授課時(shí)間，可用于更多的項(xiàng)目探索和豐富的教學(xué)活動(dòng)中，努力創(chuàng)造輕松的課堂氛圍，讓學(xué)生在“學(xué)中玩”和“玩中學(xué)”。課后教師可在網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)上發(fā)布課后作業(yè)、課后討論，也可進(jìn)行問題反饋、答疑，形成完整的教學(xué)閉環(huán)。線上線下混合教學(xué)使學(xué)生的學(xué)習(xí)過程多元化，不再單一、枯燥，學(xué)生的課堂參與感和體驗(yàn)感爆棚，能有效提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

（四）翻轉(zhuǎn)課堂

翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)模式重構(gòu)學(xué)生的學(xué)習(xí)過程，是以“學(xué)生為主體，教師為導(dǎo)體”的原則進(jìn)行，可加強(qiáng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和終生學(xué)習(xí)的意識(shí)［7］。學(xué)生隨機(jī)組隊(duì)，自擬項(xiàng)目名稱，并書寫項(xiàng)目申請(qǐng)書，答辯通過之后項(xiàng)目才成立。之后，小組內(nèi)部自行分配任務(wù)，學(xué)生可借助網(wǎng)絡(luò)和圖書館廣泛搜集資料，消化吸收，在遇到困難時(shí)，可相互討論解決，也可尋求教師的幫助。并定期向教師和其他組的學(xué)生匯報(bào)項(xiàng)目進(jìn)度，分享所收獲的知識(shí)，教師和其他組的學(xué)生進(jìn)行評(píng)定，給出總結(jié)和持續(xù)性的改進(jìn)建議，幫助每位學(xué)生更加深入、系統(tǒng)性地理解所學(xué)的知識(shí)，這樣大家都能學(xué)到更多的知識(shí)，擴(kuò)大了視野。最后，答辯通過的項(xiàng)目才能給予分?jǐn)?shù)。正所謂“授人以魚不如授人以漁”，通過課堂翻轉(zhuǎn)的教學(xué)模式，一方面教會(huì)學(xué)生如何自學(xué)、如何解決問題、如何為了成果搜集相關(guān)資料，強(qiáng)調(diào)“學(xué)研結(jié)合”。另一方面，提高學(xué)生項(xiàng)目管理的能力，分工協(xié)作、團(tuán)隊(duì)合作以及與他人交流的能力。

（五）多方面考核

《機(jī)器人技術(shù)》課程傳統(tǒng)的考核方式為閉卷考試，總評(píng)成績(jī)包括平時(shí)成績(jī)的20%和實(shí)驗(yàn)成績(jī)的20%，再加上期末考試成績(jī)的60%，平時(shí)成績(jī)包括考勤和課后作業(yè)，且課后作業(yè)的抄襲現(xiàn)象特別嚴(yán)重，完全不能體現(xiàn)學(xué)生平時(shí)的學(xué)習(xí)狀態(tài)。期末考試時(shí)，學(xué)生抱著題庫死記硬背，通過考試。

為了強(qiáng)調(diào)平時(shí)學(xué)習(xí)過程的重要性，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的好習(xí)慣，將該門課程的考核方式變成考查，取消閉卷考試，淡化理論知識(shí)的考核，加強(qiáng)學(xué)生的系統(tǒng)性學(xué)習(xí)能力和實(shí)操能力，總評(píng)成績(jī)變成平時(shí)成績(jī)的40%，加上翻轉(zhuǎn)課堂成績(jī)的30%，再加上虛擬仿真實(shí)驗(yàn)成績(jī)的30%。平時(shí)成績(jī)包括考勤、課后作業(yè)、分組討論及階段性測(cè)試。翻轉(zhuǎn)課堂的成績(jī)由教師和其他組成員共同評(píng)定，再通過小組自評(píng)、互評(píng)后綜合給分，從而保證一定的公平性。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)成績(jī)通過學(xué)生實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的完成情況和知識(shí)的理解程度進(jìn)行給分，重視綜合素質(zhì)的培養(yǎng)。多方面考核側(cè)重于學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解、掌握及應(yīng)用的程度，建立了知識(shí)考核與能力考核并重的考核方式，比較公平、全面地反映出學(xué)生學(xué)習(xí)本門課程的綜合水平。

三、改革成效

該多元化混合的教學(xué)模式讓學(xué)生在上課之前認(rèn)真預(yù)習(xí)，然后在線下課堂上經(jīng)過項(xiàng)目式教學(xué)、翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)模式使得學(xué)生積極參與課堂活動(dòng)，踴躍發(fā)言，積極討論，課后及時(shí)完成課后作業(yè)，和教師進(jìn)行答疑和探討。經(jīng)過一學(xué)期的實(shí)踐，學(xué)生的總評(píng)成績(jī)及學(xué)習(xí)狀態(tài)都得到了有效提高，改革之前和改革之后學(xué)生期末成績(jī)的柱狀分布圖如圖1 所示。改革之前學(xué)生該門課程總評(píng)成績(jī)的不及格率為6%，沒有學(xué)生能達(dá)到優(yōu)秀等級(jí)，平均分為70 分左右。改革之后該門課程沒有學(xué)生考核不通過，大大提高了及格率，且優(yōu)秀率為12%，平均分比改革前足足提高了8 分。

圖1 改革前后學(xué)生期末成績(jī)百分比柱狀分布圖

除此之外，學(xué)生的創(chuàng)新思維、自信心得到有效開發(fā)和提升，能積極申報(bào)校級(jí)、省級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新、創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目，成功申報(bào)的項(xiàng)目數(shù)量也比改革之前增加了很多。

四、結(jié)語

為了提高《機(jī)器人技術(shù)》課程的教學(xué)質(zhì)量，將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、項(xiàng)目式教學(xué)、線上線下混合教學(xué)、翻轉(zhuǎn)課堂等多種教學(xué)模式混合引入到該門課程的授課過程中，增加了課堂的趣味性和創(chuàng)新性，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、自主學(xué)習(xí)及動(dòng)手動(dòng)腦能力。學(xué)生可借助RobotStudio 虛擬仿真軟件發(fā)揮自己的想象力，搭建各種形式和各種功能的機(jī)器人工作站，然后編寫程序進(jìn)行仿真作業(yè)，實(shí)現(xiàn)自己的預(yù)想，達(dá)到學(xué)以致用的目的。該多元化混合教學(xué)模式秉著“以學(xué)生為中心”的教學(xué)理念，明確了培養(yǎng)學(xué)生綜合素質(zhì)的教學(xué)目標(biāo)，理論與實(shí)踐相結(jié)合，將以往的灌輸式教育變成導(dǎo)向教育，教會(huì)學(xué)生如何去學(xué)習(xí)，提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)和終身學(xué)習(xí)的意識(shí)。該多元化混合教學(xué)模式經(jīng)過一學(xué)期的實(shí)踐之后，課堂的活躍度、學(xué)生的積極性都比改革之前明顯改善了許多，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣及動(dòng)手、動(dòng)腦能力顯著得到提高，總之取得了較好的教學(xué)效果。