与时俱进地开展大学专业特色课教学

周渝斌

摘要：根据我国在经济建设新常态下对创新性人才的要求变化需要，对以前的专业特色课教学方案进行了大幅修改。首先是教学内容，从单一教材发展为多本教材，并添加了跟当前技术发展相匹配的内容;其次是从知识性灌输向实践教学转变，即以项目为目标，确定教学方向;最后是实验课程的变化，从堂内设置的小实验到综合性、制作性实验。

关键词：专业特色教育;教学改革;创新型人才;机器人课程教学;大学教育

中图分类号：G642.0     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2016）36-0093-02

特色课程作为大学高年级的专业综合型、知识拓展型课程，这种课程通常涉及到多门大学专业基础课程的知识，具有交叉性、跨学科，虽然比普通课程难度大，但是好处同样也多，非常有利于学生进行毕业设计和将来增加就业机会[1]，所以一直受到学生们的欢迎。本文以机器人技术基础为例，谈谈如何有效地开展好专业特色课，使这种课既能做到与时俱进地不断引入各种新发展技术，又可以作为大学生创新实践或科技比赛的支持课程[2]。

机器人技术基础本来是机械电子工程专业的专业必修课和机械自动化专业的专业选修课，但是这门课同时也可以作为其他各类学科的一门知识拓展型课程[3]。通过这门课程的学习，学生能够熟悉、使用、研究和设计机器人，为从事机器人工程领域的工作奠定基础。该课程需要学习的内容包括机器人学必要的基础知识、各种类型的机器人部件、各个子系统、各种传感器和机器人应用和理论方面的基本知识。具体来说，机械方面，主要包括机器人本体的机械结构、机械运动学，诸如典型的机械构成、常见的机械组成等;动力与驱动方面，包括电磁、液压电机，以及各类微型或特异形式的驱动方式，如记忆金属、超生波点击等;控制方面，则包括控制系统、微处理器的应用、多种多样的传感器等，如视觉传感器、仿生的触觉传感器等;运动控制方面则包括位姿分析、轨迹计算，如轨迹预测与优化、正向或逆向运动学等;最后还涉及到人工智能，即机械人如果进行逻辑分析、决策判断，如进行语言语义分析、静态或动态的视觉图像分析等。该课程有很强的交叉性，跨多个学科，对学生的基础知识要求也比较高，如机械设计、电子电路、传感器、高等数学、计算机编程能力等，正因为如此，该课程总是作为本科高年级学生或者研究生阶段的专业课程来开设。

在教学过程中我们发现，由于电影电视中对各种机器人的宣传激发了青少年对机器人的兴趣，人们通常认为的机器人或许就像他们从电影、电视里看到的那样，这些都让大学生对该课程的期望比较高。但是作为一门专业课程，又不能太过于娱乐化，因此，课程内容的组织成了首先要解决的问题。机器人课程的教材目前主要有高等教育出版社的《机器人学》，主编为刘极峰;另一本是清华大学出版社的《机器人技术及其应用》，主编为朱世强;还有一本是郭洪红编著的《工业机器人技术》，由西安电子科技大学出版社出版。这三本教材主要教学内容都围绕工业机器人，大概可分为三个部分的教学内容：动力学与控制、传感器、机械结构，机器人学则更加注重机器人控制理论的分析和计算。这三本教材我们都使用过，但是教学效果一直不太理想，主要是因为学生的兴趣要超过我们的教学内容。作为全校公开课，课堂内既有来自理工科专业的学生，也有来自管理学院和艺术学院工业设计系的学生。特别是我们经常遇到一些正在进行跟机器人技术相关的各种创新或者竞赛项目的学生，他们遇到的一些问题，在课堂内无法解决，这让他们比较失望，影响了这门课程的教学效果。对于这样一门面向全校所有专业、不同背景的学生的课程，同时又是一门应用性非常强的课程，如何调整课程内容，使之真正成为学生们希望和期待的那样，也就是说从学习中找到自己探求问题的答案，则成为我们要首先要解决的问题。直到我们发现一门由郭洪红编著的《竞赛机器人设计与实践》，由科学出版社出版，才终于找到了解决办法。

对于以前的教学方案，我们进行了大幅修改。首先是教学内容，从单一教材发展为多本教材，并添加了跟当前技术发展相匹配的内容，如军事机器人、无人飞机、人工智能等;其次是从知识性灌输向实践教学转变，即以项目为目标，确定教学方向;最后是实验课程的变化，以前是设置堂内小实验，现在则是综合性、制作性实验。下面详细介绍一下我们的做法。

现有的三本机器人技术课本，都是针对工业生产型机器人，主要偏重于机械和控制两方面，比如这三本教材都着重介绍了传感器、运动姿态和轨迹规划。人类文明的终极产物就是人造人，机器人，或者生化人。人类对于机器人的恐惧和迷恋，从1927年电影中出现的第一个机器人Maria诞生以来，其实有着长达一个多世纪的时间。全世界的电影人孜孜不倦的将一个又一个经典的机器人形象展现在了大众的面前，学生们对机器人的映像，除了一些展会，就是来自于电影电视，如长兴不衰的《星球大战》、经典的《终结者》，还有《异形》中的生化机器人神父，等等。对于更多的比如生化机器人、人工智能方面则没有涉及。课堂不能与实际脱离，我们在课堂内专门增加了针对生化机器人、仿生机器人相关的人造器官、人机结合方面知识。另一点就是关于人工智能（ArtificialIntelligence：AI），它是研究、开发用于模拟、延伸和扩展人的智能的理论、方法、技术及应用系统的一门新的技术科学，也是机器人发展最重要的一个环节。人工智能企图了解智能的实质，并生产出一种新的能以人类智能相似的方式做出反应的智能机器，该领域的研究包括机器人、语言识别、图像识别、自然语言处理和专家系统等。从AI诞生以来，由于理论和计算机技术的限制，一直没有什么起色。但是近几年来，基于深度神经网络的学习方兴未艾，以前的多层神经网络的问题容易陷入局部极值点，如果训练样本足够充分覆盖未来的样本，那么学到的多层权重可以很好的用来预测新的测试样本，新的研究成果也促使我们在课堂上添加了相关内容。在课程结束前，我们还针对有关机器人是否替代人类以及机器人对人是否有害等哲学方面的问题，开辟了一堂讨论课，激发了同学们对未来的思考。

培养大学生的创新素质是高等学校的一项重要使命，课堂教学也要紧扣这个要求，围绕着如何激发学生的创造力和创新能力展开。以项目为导向是我们进行教学改革的第二项内容。以前我们的教学都是按照知识结构来设计教学大纲，这样的教学类似于传统的“填鸭式”教学，学生的接受意愿不高，教学效果不理想。而近些年来，高校开始重视大学生的素质教育，出现了各种创新项目和创新大赛，在很多大学生类的科技竞赛中，有很多跟机器人相关，比如机器人足球比赛、机器人拳击、防爆灭火救灾机器人比赛等[4]。每年都有很多学生为比赛才报名参加机器人课程的学习。这些新的情况也启发了我们对课程进行相应的调整，将本来比较刻板的单向教学变成有针对性的教学。孔子曾经说过：“知之者不如好之者，好之者不如乐之者。”可见他特别强调兴趣的重要作用。于是我们将原来的教学结构打破，设置了几个比赛类的制造项目，将机器人知识穿插在项目实施中，让学生们带着问题来学习。兴趣是最好的教师，是感情的体现，是学生学习的内在感情驱动。在学生们完成项目的过程中，兴趣让学生对我们课内介绍的知识，能自觉地、主动地、竭尽全力去观察、思考、探究，这样最大限度地发挥学生的主观能动性，容易在学习中产生新的联想，而不同的项目，让他们能够进行知识的移植，做出新的比较，综合出新的成果，进而也更加能培养和促进学生的创新能力。

最后是关于实验课程的改革，以前是设置堂内小实验，比如机器人传感器实验，学生在1个小时内，进行图像抓拍，或者进行超声波障碍物检测。该实验由于时间短、实验内容简单，并不能激发学生们对课程的深入理解。现在我们有了以项目为导向的教学，实验内容改成具有综合性、制作性的实验，每个项目通过在课堂内的辅导，学生在课外进行制作[5]。小制作需要一定的费用，我们将学生们分组，每组学生共同分担，由于每个制作的费用不到两千元，主要部件可以借用学校实验室配件，最后每个学生承担的费用不到一百元。有的学生有大学生创新项目费的支持，可以制作出更加复杂和精美的作品。这样的制作项目，学生既可以跟课堂内容结合，又能跟创新项目结合，激发了学生的求知欲。以前课堂内只有教师讲授，现在的课堂内学生的参与性非常高，常常为了一个问题，大家群策群力，讨论非常活跃，带来了非常好的教学效果。

今天的高校，应该为打造更加全面的新世纪创新型人才培养的体系而改革。通过对专业特色课改革的实践，我们不仅帮助了大学生拓展了知识面，而且增加了锻炼其运用知识分析、解决问题的能力，更加注重培养他们的创新能力。

参考文献：

[1]邵友竹.浅议大学专业课教学的特点[J].辽宁高等教育研究，1988，（6）.

[2]张峰，孙娟.提高大学专业课程教学效果的措施[J].文教资料，2010，（1）：213-215.

[3]王旭仁，姚叶鹏，刘丽珍.机器人课程建设探索和思考[J].计算机教育，2011，（15）：89-91.

[4]刘云平.谈《机器人学》课程教学与大学生创新教育[J].中国科技信息，2011，（13）：152-153.

[5]张天航，李清富，吴泽宁.大学工科专业课教学存在的问题与对策[J].中国电力教育，2007，（S4）：460-461.