李二偉 邊輝 李艷文 趙延治

摘要在“機(jī)器人技術(shù)”課程教學(xué)改革的實(shí)踐中，融入思政教育和TRIZ創(chuàng)新方法，并進(jìn)行了全英文授課的線上線下混合教學(xué)改革。通過梳理課程知識(shí)體系，確定教改總體思路，調(diào)研學(xué)情，文章針對(duì)性設(shè)計(jì)了專思創(chuàng)融合途徑、課程授課模式、課程項(xiàng)目和考核評(píng)價(jià)，有效提高了學(xué)生的專業(yè)素養(yǎng)、雙創(chuàng)能力和價(jià)值觀。效果良好，可供其他專業(yè)課程改革借鑒。

關(guān)鍵詞 專思創(chuàng)融合；機(jī)器人技術(shù)；全英授課；線上線下混合

中圖分類號(hào)：G424文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2023.13.032

隨著創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育的深入推進(jìn)和國(guó)際化辦學(xué)水平的不斷提高[1]，把專業(yè)教育、創(chuàng)新方法應(yīng)用和思政教育相融合[2-3]的全英文授課模式得到進(jìn)一步的發(fā)展，線上線下混合教學(xué)模式也得到了廣泛推廣[4]。“機(jī)器人技術(shù)”是一門多學(xué)科交叉的課程，課程組在總結(jié)前期教改經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上[5]，實(shí)行了把專業(yè)教育、思政教育和創(chuàng)新能力融合一起的全英文授課線上線下混合式教學(xué)改革[6-7]，進(jìn)一步梳理了課程知識(shí)體系，研討了教改總體思路，分析了新的學(xué)情，通過對(duì)專思創(chuàng)融合、全英文授課線上線下混合、課程項(xiàng)目、考核評(píng)價(jià)幾方面進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)，有效提升了課程的兩性一度，積累了一定經(jīng)驗(yàn)。

1總體思路

本課程教學(xué)內(nèi)容主要包括：①機(jī)器人數(shù)學(xué)基礎(chǔ)：剛體位姿描述和齊次變換；②操作臂運(yùn)動(dòng)學(xué)：D-H參數(shù)， IRB1410運(yùn)動(dòng)學(xué)正反解；③操作臂的雅克比矩陣：定義、構(gòu)造方法，靜力學(xué)；④操作臂的動(dòng)力學(xué)：連桿的速度和加速度、動(dòng)力學(xué)建模方法；⑤軌跡生成：關(guān)節(jié)空間規(guī)劃、操作空間規(guī)劃、軌跡生成；⑥實(shí)驗(yàn)：IRB1410操作實(shí)踐；⑦課程項(xiàng)目：針對(duì)多課程聯(lián)合綜合實(shí)訓(xùn)需求，小組完成機(jī)械臂選型、三維造型及仿真和MATLAB編程。本課程的知識(shí)體系如圖1所示（p102）。

通過總結(jié)機(jī)器人技術(shù)前期課改（討論課、多門課程聯(lián)合項(xiàng)目、雙語(yǔ)授課、MOOC資源建設(shè)、思政）的經(jīng)驗(yàn)，課程團(tuán)隊(duì)研討確定了全英授課線上線下混合教學(xué)的十六字理念：理順系統(tǒng)、講練結(jié)合、精講多練、應(yīng)用創(chuàng)新，側(cè)重給學(xué)生厘清機(jī)器人系統(tǒng)各子系統(tǒng)和及其相互關(guān)系，課堂講授和實(shí)驗(yàn)采用同一款機(jī)械臂，保證講、練、做相統(tǒng)一，著重讓學(xué)生學(xué)會(huì)弄懂一款典型機(jī)器人系統(tǒng)，并在課程項(xiàng)目實(shí)施中進(jìn)一步強(qiáng)化所學(xué)。

2教學(xué)改革與實(shí)踐

2.1學(xué)情分析

本課程面向機(jī)械電子工程專業(yè)本科4年級(jí)近200名學(xué)生，于第7學(xué)期開課。課程總共32學(xué)時(shí)，其中，授課20學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)及課程項(xiàng)目實(shí)踐12學(xué)時(shí)。通過MYCOS對(duì)所授課班級(jí)進(jìn)行的課前學(xué)情問卷摸底發(fā)現(xiàn)：①近70%的學(xué)生考研，能投入到課程課下學(xué)習(xí)的時(shí)間有限；②近74%的學(xué)生對(duì)本門課程感興趣，課程具有很好的吸引力；③學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)過編程和建模相關(guān)課程，這為課程項(xiàng)目奠定了良好的基礎(chǔ)；④80%多的學(xué)生通過自己的了解認(rèn)為課程難度較大；⑤60%多的學(xué)生能夠接受線上線下混合授課模式；⑥超過65%的學(xué)生不太看好全英文授課。本課程中涉及大量的公式推導(dǎo)，需要學(xué)生進(jìn)行一定量的練習(xí)并做好復(fù)習(xí)預(yù)習(xí)，學(xué)生需要過渡時(shí)間來適應(yīng)課程的難度與強(qiáng)度，另外課程項(xiàng)目需要與機(jī)電其他專業(yè)相結(jié)合，一定程度上增加了項(xiàng)目完成的難度，對(duì)學(xué)生具有一定挑戰(zhàn)性。針對(duì)上述情況，需要對(duì)課程開展針對(duì)性設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)知識(shí)的有效傳授。

2.2專思創(chuàng)融合設(shè)計(jì)與實(shí)施

結(jié)合課程知識(shí)體系和TRIZ創(chuàng)新方法，在以下章節(jié)進(jìn)行了專思創(chuàng)融合設(shè)計(jì)。緒論部分基于技術(shù)進(jìn)化法則，分析機(jī)器人的進(jìn)化趨勢(shì)，從機(jī)器人的智能發(fā)展和應(yīng)用，分析機(jī)器人智能的未來發(fā)展；由我國(guó)機(jī)器人公司的艱難起步與現(xiàn)在的快速發(fā)展引出擔(dān)當(dāng)和貢獻(xiàn)以及人生觀、價(jià)值觀的思考。操作臂運(yùn)動(dòng)學(xué)部分基于邏輯思維，對(duì)機(jī)器人中的具體構(gòu)件，抽象出主要元素，如連桿參數(shù)和連桿連接參數(shù)，給出各元素的概念，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究和分析；在D-H參數(shù)法建立晶圓機(jī)械手的實(shí)例中，引出歐美對(duì)我國(guó)芯片和高技術(shù)產(chǎn)品的封鎖制裁，以及教育部出臺(tái)的關(guān)于加強(qiáng)高校有組織科研的相關(guān)政策，激發(fā)學(xué)生主動(dòng)服務(wù)國(guó)家戰(zhàn)略的自覺性。操作臂的雅克比部分基于數(shù)學(xué)模型給出各個(gè)構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)傳遞規(guī)律，基于雅克比矩陣法或微分變換法或矢量積法，得到數(shù)學(xué)模型，掌握運(yùn)動(dòng)傳遞的內(nèi)在本質(zhì)和原理；由此引出燕山大學(xué)黃真老先生提出的影響系數(shù)法和其在并聯(lián)機(jī)器人領(lǐng)域的貢獻(xiàn)，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)他的人生追求和愛國(guó)情懷，理解學(xué)術(shù)創(chuàng)新的可能性和創(chuàng)新自信。通過上述設(shè)計(jì)和課堂實(shí)施，實(shí)現(xiàn)專業(yè)知識(shí)傳授、創(chuàng)新能力培養(yǎng)和價(jià)值塑造的有機(jī)融合。

2.3全英文線上線下混合教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)施

針對(duì)大四學(xué)生考研比重大、課外時(shí)間緊張這一特點(diǎn)，課程組研討確定了線上線下學(xué)時(shí)分配、線上實(shí)質(zhì)等效、英文授課策略的教學(xué)探索。本課程總共32學(xué)時(shí)，其中實(shí)驗(yàn)及課程項(xiàng)目12學(xué)時(shí)，線下授課10學(xué)時(shí)，學(xué)生線上學(xué)習(xí)10學(xué)時(shí)；采用一次線下授課一次線上自學(xué)輪替的授課模式，線下側(cè)重講授基本原理并應(yīng)用到IRB1410，線上自學(xué)側(cè)重應(yīng)用，盡量保證講、練、做都在學(xué)時(shí)內(nèi)完成。課堂講授采用基于問題的教學(xué)、啟發(fā)式教學(xué)、案例教學(xué)等方式，并借助雨課堂平臺(tái)，在每個(gè)知識(shí)點(diǎn)后設(shè)計(jì)考核題目，特別是針對(duì)上一次線上自學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)考核題目，并把作答成績(jī)納入考核成績(jī)。線上學(xué)習(xí)資源采用課程組在MOOC平臺(tái)的自建資源。第1次課采用線下課堂授課，介紹課程學(xué)習(xí)目標(biāo)、考核方式、進(jìn)度安排，講授緒論和剛體的位姿描述，課后線上定時(shí)發(fā)布學(xué)生線上自學(xué)內(nèi)容和需達(dá)到的目標(biāo)。第2次線下課堂，首先借助雨課堂考查學(xué)生線上自學(xué)的每一個(gè)知識(shí)點(diǎn)并進(jìn)行串講，而對(duì)重點(diǎn)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行精講；本次課新講D―H法。依次類推，如表1所示（p103），共開展5次線下授課。全英文授課對(duì)學(xué)生和老師都是一種挑戰(zhàn)，課程組采用了英文原版和中文譯版教材，研討確定了前期慢講、專業(yè)詞匯注釋中文、每節(jié)課前集中展示生詞中英對(duì)照等方法。

2.4課程項(xiàng)目設(shè)計(jì)與實(shí)施

本課程項(xiàng)目為基于大工程微縮式實(shí)訓(xùn)的融入專思創(chuàng)的三級(jí)項(xiàng)目教學(xué)實(shí)踐，課程團(tuán)隊(duì)參與系部與山東臨工的深度對(duì)接，對(duì)其代表行業(yè)未來趨勢(shì)的智慧產(chǎn)線和智慧工廠進(jìn)行了深入了解，并結(jié)合本系教學(xué)科研的特點(diǎn)對(duì)智慧產(chǎn)線和智慧工廠進(jìn)行了微縮。機(jī)器人技術(shù)是該大工程微縮式實(shí)訓(xùn)的重要組成部分。經(jīng)過課程團(tuán)隊(duì)的研討，本課程的三級(jí)項(xiàng)目專門針對(duì)該實(shí)訓(xùn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，在項(xiàng)目方案論證階段引導(dǎo)學(xué)生使用創(chuàng)新方法進(jìn)行小組研討，并在項(xiàng)目報(bào)告中體現(xiàn)每人的方案和貢獻(xiàn)。

課程項(xiàng)目的實(shí)施過程如下：①課程組首先與“基于大工程微縮式實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目”（二級(jí)項(xiàng)目）負(fù)責(zé)人研討，確定當(dāng)年的二級(jí)項(xiàng)目方案；②課程組研討確定課程三級(jí)項(xiàng)目選題，并給出契合二級(jí)項(xiàng)目的三級(jí)項(xiàng)目工程背景和設(shè)計(jì)參數(shù)，制作項(xiàng)目指導(dǎo)書和項(xiàng)目報(bào)告參考格式；③第一次課發(fā)布三級(jí)項(xiàng)目題目，大致講述項(xiàng)目脈絡(luò)，讓學(xué)生對(duì)課程和項(xiàng)目有整體了解，并讓學(xué)生自由組隊(duì)，要求此次組隊(duì)盡可能和后期二級(jí)項(xiàng)目分組保持一致；④把三級(jí)項(xiàng)目分成多個(gè)子系統(tǒng)，并與所講授章節(jié)對(duì)應(yīng)，每講授完一個(gè)與三級(jí)項(xiàng)目子系統(tǒng)相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)，就要求學(xué)生著手相應(yīng)部分的方案論證、建模分析等；⑤課程授課階段結(jié)束，學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并以小組為單位開展三級(jí)項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)，包括方案討論、方案確定、建模、分析、造型、編程等；⑥最后一次課進(jìn)行三級(jí)項(xiàng)目匯報(bào)，采用隨機(jī)抽取小組和小組成員的方式進(jìn)行匯報(bào)，并按相關(guān)考核標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行打分。

2.5考核評(píng)價(jià)

課程成績(jī)包括5個(gè)部分，出勤、結(jié)課考試成績(jī)、課程項(xiàng)目成績(jī)、實(shí)驗(yàn)成績(jī)、線上成績(jī)，具體要求及成績(jī)?cè)u(píng)定方法如下：①出勤表現(xiàn)作為扣分項(xiàng)，每缺勤一次扣1分，無故缺勤5次者，取消本門課程的考核資格；②結(jié)課考試成績(jī)占60%，開卷考試，試卷為英文題干，鼓勵(lì)英文作答，不滿卷面成績(jī)60%者，本課程考核不合格；③課程項(xiàng)目成績(jī)占20%，要求學(xué)生按照課程項(xiàng)目分組查閱資料，完成機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)及軌跡規(guī)劃，撰寫項(xiàng)目設(shè)計(jì)研究報(bào)告，制作匯報(bào)采用PPT，并進(jìn)行答辯；每位學(xué)生的課程項(xiàng)目成績(jī)由小組成績(jī)和組內(nèi)成績(jī)兩部分構(gòu)成；小組成績(jī)由以下兩個(gè)方面進(jìn)行評(píng)價(jià)：項(xiàng)目研究?jī)?nèi)容，占項(xiàng)目成績(jī)的60%；報(bào)告、PPT匯報(bào)撰寫及答辯成績(jī)，占項(xiàng)目成績(jī)的40%；小組得分為組內(nèi)所有學(xué)生的平均分，每位學(xué)生的得分依據(jù)其在組內(nèi)的貢獻(xiàn)，在小組平均分的基礎(chǔ)上評(píng)定；未按時(shí)提交課程項(xiàng)目報(bào)告或課程項(xiàng)目報(bào)告有抄襲現(xiàn)象的，課程項(xiàng)目成績(jī)按零分計(jì)；另外報(bào)告內(nèi)容鼓勵(lì)采用英文撰寫；④實(shí)驗(yàn)成績(jī)占10%，要求學(xué)生認(rèn)真準(zhǔn)備，全程參與獨(dú)立完成并按時(shí)提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告；未按時(shí)提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告或?qū)嶒?yàn)報(bào)告有抄襲現(xiàn)象的，該次實(shí)驗(yàn)成績(jī)按零分計(jì)；⑤線上成績(jī)占10%，其中，MOOC學(xué)習(xí)完成度和雨課堂隨堂考核各占50%。

3課程評(píng)價(jià)及改革成效

通過對(duì)教學(xué)效果中期和結(jié)課的問卷調(diào)查發(fā)現(xiàn)，超過90%的學(xué)生認(rèn)為現(xiàn)在的教學(xué)模式很有效果，近80%的學(xué)生認(rèn)可了英文授課模式，在專業(yè)詞匯和英文表達(dá)方面得到了顯著提高。在教學(xué)目標(biāo)與教學(xué)計(jì)劃、教學(xué)實(shí)施的相互支撐下，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)能力得到提高，特別是專思創(chuàng)融合的設(shè)計(jì)和“十六字”教學(xué)理念的貫徹等教學(xué)改革措施的實(shí)施，有效提高了學(xué)生的專業(yè)素養(yǎng)和雙創(chuàng)能力。相關(guān)經(jīng)驗(yàn)可推廣到其他相關(guān)專業(yè)課的教改中。

基金項(xiàng)目：燕山大學(xué)課程思政示范課程（名師、團(tuán)隊(duì)）項(xiàng)目（KCSZSF016）；教育部新工科研究與實(shí)踐項(xiàng)目子項(xiàng)目（2020XGK10、2020XGK11）；科技部“創(chuàng)新方法高等教育人才培養(yǎng)研究與示范”（2020IM030100）。

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