基于创新能力培养的机器人通识课建设的探究

程立英, 李 瑶, 张志美, 张浩华, 刘 玲

(沈阳师范大学 物理科学与技术学院, 沈阳 110034)



基于创新能力培养的机器人通识课建设的探究

程立英, 李 瑶, 张志美, 张浩华, 刘 玲

(沈阳师范大学 物理科学与技术学院, 沈阳 110034)

以沈阳师范大学通识课程《走进机器人世界》的教学实践为例,介绍从课程定位、教学内容、教学模式以及教学效果等方面对培养大学生创新能力以及提升综合素质所进行的尝试,阐述机器人教育通识课程对拓宽认识领域的重要性,探索了因材施教的教学模式,在教学实践中以机器人技术为主线,结合不同学科知识和思维方法,引导学生从不同角度创新思考、提出独特观点并进行实践,有利于培养善于独立思考的既有专门技能又能适应社会发展需求的大学生。将通识课程设计为融自然科学、人文社会科学及科学实践为一体的特色模式,体现了通识教育的的文化价值,对拓展通识课程含义及完善通识课程建设具有一定的参考价值。

创新能力; 机器人教育; 通识课程; 课程建设

0 引 言

由于信息技术的不断发展,当前社会各界都在提倡创新。《国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010—2020年)》明确指出,高等教育要深化教学改革,强化实践教学环节,实现创新型人才培养的目标。所谓创新人才就是具有创新意识、创新精神、创新思维和创新能力的人才。可见,如何与时俱进地培养大学生的创新能力是当前高校教学改革面临的重要问题[1-2]。

机器人作为信息技术发展的前沿领域,机器人技术集控制论与控制工程学、认知科学、机械学、生物学、人类学、计算机科学、电子信息科学、人工智能、社会学等多学科知识发展之大成,是一项综合性很强的新技术[3-4]。随着信息化技术的发展,机器人已应用到各行各业,机器人技术也影响着我们的生活或工作,同时,每个人都可能提出对机器人的使用和设计要求。在大学开设机器人相关的通识课,让各专业的学生了解机器人技术,满足学生的共性及个性需求,将有利于实现电子信息技术与其专业知识的融合,拓展信息时代下大学生的综合知识和创新思维,对学生的价值引导、心智培育和知识拓展等方面发挥重要作用。如何借助机器人通识课程的教学平台,面向全校文、理科多个不同专业的大学生进行创新能力的培养,是值得在高校教学实践中不断探索的问题。

1 机器人课程建设的现状研究

机器人教育的价值不仅体现在其可以作为学校课堂教育和课外活动的载体,也可作为“催化剂”和“增倍器”来推动机器人产业的发展[5-6]。因此,机器人教育在社会和中小学中如火如荼地开展起来[7-9],教育部在中小学信息技术课程标准中,也明确将机器人模块列入教学内容。但是,在我国高校中,机器人教育起步明显晚于中小学[10],并且,目前在高校开展机器人教育主要体现在两种形式上,即开设机器人技术相关课程和学生通过培训参加机器人比赛。随着各种机器人赛事的开展,其推动着机器人技术向前发展的同时,也为培养学生创新精神和综合实践能力提供了空间和机会。但由于现阶段机器人比赛缺乏普及性,很多是针对机器人指定厂家的产品,并且参与比赛功利性很强,只能使极少数学生参与比赛,在高校指导机器人比赛缺乏科学地组织协调,致使机器人赛事的教育功能出现异化倾向。在机器人技术相关课程开设方面,由于各高校师资力量和实验条件所限,仅有部分理工类院校开设了机器人技术课程,据统计,开设该类课程的高校现仅占全国工科院校的2%[11]。并且,大部分高校只是针对研究生开设或者在本科生机械电子、自动化等专业开设理论讲授为主的课程,而其他专业中很少涉及[12]。

因此,在当前信息技术时代,综合性高校开设机器人通识教育课程,并利用此平台,探究根据学生的专业领域和兴趣需求,从多元化的教学内容、不同层次的实践设计来激发学生的创新思维,培养大学生的创新能力是很有意义的,也是势在必行的。

2 基于创新能力培养的机器人通识课程的实践

以面向沈阳师范大学全校文、理、艺多个不同专业,根据学生的专业与兴趣需求,在通识核心课程《走进机器人世界》的教学中探索多元化的教学内容和教学模式,并从培养大学生创新意识和创新能力方面对教学效果进行分析。

2.1 课程定位与目标

通识课程的目的是拓展知识视野,加强不同学科的融合,强化科学精神与人文精神,使学生接受到交叉学科的训练,受到广泛的通识教育。作为机器人相关的课程,由于其理工科的属性,在教学模式上会与文科课程有较大差异;但作为通识课程,由于其教学对象的特点,在教学目标上又有别于专业课程的要求。因此,该课程的教学目标定位为围绕着机器人相关技术,设计合理的教学内容和教学模式,引导学生接触机器人世界,以满足学生的共性及个性需求,实现信息技术与其行业知识的融合,拓展学生的创新思维能力和知识领域。

2.2 通识化的教学内容

课程教学内容的安排既要以机器人相关的专业知识为主线,又要区别于机器人专业课内容,不能从现有的《机器人技术及应用》教材照搬,而需要重新组织设计。

本课程教学内容设计为理论知识和实践操作两部分,通过理论讲授、专题讲座、自主实践、交流总结4个环节,层层深入,不仅使学生了解机器人的发展历史,深入学习机器人的基本结构、工作原理等专业知识,而且通过“虚拟机器人”“机器人比赛”“具有情感感知的机器人”“机器人与我们的生活”等专题讲座一起探讨机器人的前沿技术以及机器人给人类生活带来的影响。在实践环节,考虑学生的个人兴趣和专业特长,学生自主选择实践题目。学校为学生提供基于单片机系统的智能小车和基于Lego的机器人套件,学生通过学习配套软硬件的使用,实现具有循迹、避障等简单功能的机器人的设计与制作。通过小组成员的交流、全班同学的分享展示,使每位学生在有限时间内经历机器人设计与制作的基本过程,了解机器人设计制作过程的基本思想和方法,激发学生探索实践的兴趣,激发学生的创新意识,提高学生的交流沟通与团队合作能力。

2.3 人性化的教学模式

选修《走进机器人世界》课程的学生来自物理学、社会学、软件工程、产品设计等近20个专业,学生的基础知识参差不齐,该课程在教学过程中,以人为本,注重学生的主体性,以学生自主学习为主、教师引导为辅的教学模式,培养学生的合作创新、主动创新、想象力思维和实践验证理论的思维。

在理论授课过程中,通过学生喜闻乐见的机器人相关科幻影片引入主题,结合本专业学生的科研作品实物、图片与视频展示与介绍,对机器人的相关概念、技术原理进行通俗易懂地讲解,让学生通过多种感官活动参与课题互动,寓教于乐,形成以学生为主体,教师为主导,师生互动,生生互动的教学模式。另外,通过课内与课外活动相结合,例如布置问卷调查、室友讨论等任务,调动全体学生的学习兴趣,了解课程相关的内容。在实践操作环节,教师根据学生兴趣不同,灵活分配不同作品的设计任务,并配置相应的指导教师;学生根据任务需要,以实验室为主要课堂,学生分组完成系统模块配置、模块设计、安装调试、编程控制等,由于每组学生的设计方案没有固定模式和标准答案,也不受教材和结论的制约,因此,该课程安排多名有实际操作经验的专业教师组成团队对学生实践进行线上与线下结合的指导。综合实践环节的教学模式使学生具备一定理论知识基础上,在开放性的环境中进行自主研究和探索。最后,学生对作品设计的过程进行总结,通过撰写设计报告、制作PPT进行展示、总结与交流,不仅锻炼了学生的实践能力,而且增强了他们的自信心,激发了学生的积极性和创造性。

2.4 教学效果

学生通过学习实践、汇报交流,不仅了解了机器人的基础知识、相关理论知识和前沿课题,并且亲自参与了机器人的设计制作,调动了其参与实践的积极性,培养了学生主动思考问题、分析问题的能力,锻炼了其团队合作意识,学生能够从不同角度进行创新思考,从而达到了提高学生创新能力的目的。

3 结 语

基于社会对高校培养创新型高素质人才的需求,在研究机器人通识教育的现状基础之上,以沈阳师范大学《走进机器人世界》通识核心课程建设为例,探索了因材施教的人性化教学模式,在教学实践中以机器人技术为主线,引导学生结合自己专业与兴趣从不同角度创新思考并实践研究,有利于培养善于独立思考的既有专门技能又能适应社会发展需求的大学生。该模式基于对学生的创新能力培养,将通识课程设计为融自然科学、人文社会科学及科学实践为一体的特色模式,体现了通识教育的的文化价值,对拓展通识课程含义及完善通识课程建设具有一定的参考价值。

[ 1 ]赵娇洁,王静晶. 信息管理与信息系统专业创新人才培养模式探析[J]. 沈阳师范大学学报(自然科学版), 2014,32(2):313-316.

[ 2 ]贺利乐,郑建校. 以机器人教学和实验平台为载体培养大学生实践创新能力[J]. 装备制造技术, 2014(9):286-288.

[ 3 ]万佑红,蒋国平. 机器人教育与大学生创新能力培养的探索[J]. 电气电子教学学报, 2005,27(4):6-8,54.

[ 4 ]阎世梁,张华,肖晓萍,等. 高等工程教育中的机器人教育探索与实践[J]. 实验室研究与探索, 2013,32(8):149-152,196.

[ 5 ]李涛. 机器人技术教育探索与实践[J]. 科技与企业, 2014(17):288.

[ 6 ]王国飞. 在智能机器人教学中培养学生的能力[J]. 实验教学与仪器, 2014,31(10):64-65.

[ 7 ]王同聚. 普及中小学机器人教育提升学生科技信息素养[J]. 教育信息技术, 2012(8):18-20.

[ 8 ]李杭州. 创新机器人教育教学平台提升机器人教育发展动力[J]. 教育信息技术, 2010(7):12-13,21.

[ 9 ]李宛娜. 教育机器人在创新实践教学中的应用[J]. 科学中国人, 2014(10):97.

[10]黄修峰. 在机器人教学中培养学生的创新与实践能力[J]. 信息技术教育, 2014(14):65.

[11]杨建磊. 我国高校机器人教育的现状分析及对策研究[J]. 江苏科技信息, 2013(9):41-42.

[12]吕勇军,祝尚臻,雷彦华,等. 搭建平台培养应用型创新人才的探索与实践——以机器人平台为例[J]. 中国电力教育, 2014(9):14-15,17.

Research and construction of robot general education course based on innovative ability training

CHENGLiying,LIYao,ZHANGZhimei,ZHANGHaohua,LIULing

(College of Physics Science and Technology, Shenyang Normal University, Shenyang 110034, China)

General education as an important way to innovative ability training hais been paid more attention as and general education course is an important means of general education in university. As an example of the practice of the general education course “Enter the Robot World” in Shenyang Normal University, we introduces the course orientation, teaching content, teaching mode and teaching effect, which are the research and practice for the cultivating college students' innovation consciousness and the overall quality. In this paper, it expounds the importance of the robot general education to broaden the students' knowledge, explores the model of teaching students according to their aptitude with the main line of the robot technology. The design of the general courses combined the natural sciences, humanities and social science and scientific practice, it reflects the cultural value of general education. It offers an has important reference value for expanding the meaning and improving the construction of the general courses.

innovative ability; education of robot; general education course; course construction

2016-02-08。

国家自然科学基金资助项目(61302012); 辽宁省普通高等学校本科教育教学改革研究项目(UPRP20140147)。

程立英(1976-),女,河北衡水人,沈阳师范大学副教授,东北大学博士研究生。

1673-5862(2016)02-0250-03

G642.423

A

10.3969/ j.issn.1673-5862.2016.02.025