基于翻转课堂的机器人技术实验教学改革

沈 捷 王 莉 王鑫国 李丽娟

南京工业大学电气工程与控制科学学院 江苏南京 211816

根据2015年5月国务院发布的《中国制造2025》规划，机器人已经成为重点发展领域之一[1]。为了贯彻落实好《中国制造2025》，2016年4月工信部出台了《机器人产业发展规划(2016-2020)》文件[2]。目前我国的机器人产业蓬勃兴起，并呈现出快速发展态势。在2016年3月教育部公布的《普通高校本科最新专业备案和审批结果》中，东南大学增设了国内本科阶段首个机器人工程专业。机器人技术课程是机器人专业的核心课程，涉及计算机科学、机械学、电子学、自动控制和人工智能等多个学科[3]。

目前大多数学校的机器人技术课程侧重于理论教学，实验课时较少，甚至没有设置实验环节。然而实验教学是提高实践创新能力的一个非常有效的途径[4]。目前我校测控专业已经开设了机器人技术课程的实验教学，但仍然存在如下问题。(1)课堂上教师统一示范操作实验步骤，学生观察、记忆和重复每一步实验，个性化培养不足。(2)学生实验课前没有预习实验内容。(3)同一实验教师需要在多个班级重复教学，效率较低。(4)课堂上用于师生交流互动的时间较少，教师未能引导学生积极思考问题和探索知识。(5)实验学时少且类型单一。目前实验只有4个学时，全部为验证型。在这种传统的实验教学方式下，很多学生处于被动学习的状态，只是机械重复了实验步骤，未能有效展开实践训练与思维拓展。因此，需要对机器人技术课程的实验教学进行改革，给予学生个性化指导，培养学生的实践能力和自主学习能力。

于1996年在美国被提出的翻转课堂教学将传统教学过程中的知识传授和知识内化2个阶段颠倒过来[5]。知识传授由传统课堂中教师讲授转移至课前由学生通过信息技术的辅助完成，知识的内化则由原先课后做作业的活动转移至课堂中的学习活动。微课是针对某个知识点或教学环节而设计开发的一种视频课程资源[6]。因此可以将微课和翻转课堂进行有机结合，用于机器人技术课程的实验教学过程中。

1 实验教学内容的设计

机器人技术课程的实验教学内容如表1和表2所示，包括基础实验和提高实验两种类别。基础实验以机器人技术的基本原理和方法为基础，旨在帮助学生理解所学的理论知识，实验由学生根据教师设定转变为自主设计实验方案和实验步骤，侧重培养学生自主思考和创新能力。所有学生必须完成全部的基础实验，根据自身的兴趣和能力自主选择完成至少1个提高实验。部分基础实验和提高实验结合了当前各类机器人竞赛的内容。结合竞赛的实验设置可以激发学生学习机器人技术的积极性，提高学生运用机器人技术解决实际问题的能力。

表1 基础实验

表1 (续)

表2 提高实验

2 基于翻转课堂的机器人技术实验教学

笔者针对目前机器人技术实验教学过程存在的问题进行教学模式改革，采用了基于微课翻转课堂的机器人技术实验教学方式，其过程如图1所示。整个教学过程分为课前、课中和课后3个阶段，每个阶段又包括教师教学活动和学生学习活动2个部分[7]，将传统教学中的师生角色翻转，体现了“以学生为中心”的教学理念。

2.1 课前阶段

课前阶段是知识传授阶段，教师根据机器人技术课程的实验内容准备微课教学视频，微课视频的内容主要包括实验目的、基本原理、操作步骤、注意事项以及课堂待讨论的主题等。将制作好的实验教学微课视频发布至网络共享，避免了重复教学。学生可以在课前通过网络随时随地自主学习微课的内容。同时，学生也可以根据自身学习掌握情况，反复观看或者有选择地观看微课视频，实现个性化教学。

2.2 课中阶段

课中阶段是开展实验的具体阶段，即知识内化阶段。在课堂的开始，教师首先根据实验内容进行提问，从而对学生在课前学习情况进行检查。然后对学生在课前学习过程中碰到的共性问题进行解答。接着学生直接进行实验操作，教师观察学生的完成情况，对学生在实验中遇到的个性问题进行指导。最后，教师就微课视频中布置的讨论主题与学生展开讨论并归纳总结，引导学生对理论知识的理解和运用，提高其分析问题和解决问题的能力。由于知识的传授被转移到了课前，学生实际操作和师生互动的时间大大增加，课堂效率大大提高。

图1 基于微课翻转课堂的教学过程设计

2.3 课后评价阶段

课后阶段是知识巩固提高的阶段，学生在实验课结束后总结分析实验结果并撰写实验报告，教师批改实验报告。教师对实验过程中出现的问题进行总结，据此来重新调整优化微课视频。这样，整个翻转课堂的实验教学构成了一个具有积极反馈的良性循环系统。

3 建设成效

在2017年秋季学期南京工业大学测控专业四年级机器人技术课程实验教学过程中尝试了基于微课的翻转课堂教学模式。

通过此次教学实践改革，将传统教学活动的“以教师为主导”转变至“以学生为主导”，激发了学生的学习兴趣和热情。具体的成效如下：(1)实现了对学生的层次化、个性化教学。层次化实验教学内容的设计使得学生可以依据自身能力完成不同难度的实验。在翻转课堂的实验教学过程中，学生的学习和教师教学都可以针对个人的能力和特点开展。(2)培养了学生自主学习的能力。学生根据自己的时间安排来观看网上发布的微课视频，灵活性、主动性更大。(3)提高了学生实践创新能力。学生通过对机器人技术课程实验的学习，积极踊跃参加机器人相关的各类大学生实践创新训练计划以及竞赛。在机器人技术教学团队教师的指导下，学生申请并获得了省级和校级的大学生创新创业训练计划项目。目前，经过课程培训的学生已经在全国大学生智能车竞赛、江苏省大学生机器人大赛、中国工程机器人大赛暨国际公开赛中获得了多个奖项。

4 结语

将基于微课的翻转课堂教学模式应用于机器人技术实验教学中，教学模式使得学生由传统教学中的“被动接受知识”转变为“主动学习知识”，有效激发了学生的学习兴趣。但在目前的教学实践过程中，也发现了一些问题。(1)少数学生无法适应角色的转变，不能在课前积极地自主学习网上发布的微课教学资源，在课堂上也无法与教师和其他同学讨论交流。(2)目前机器人技术实验教学微课视频由机器人技术课程教学团队自己录制开发，主要侧重其功能和内容，在美观性方面略有欠缺。日后考虑邀请专业的视频制作团队参加开发微课视频，提供给学生更加优质丰富的课程资源，以期达到更好的教学效果。