实践类机器人系统导论课程的创新与探索

哈尔滨工业大学(深圳)机电工程与自动化学院 广东深圳 518000

机器人是控制科学的重要载体，随着“工业4.0”概念的全球化和“中国制造2025”行动纲领的明确提出，机器人概念已经成为国家重大战略部署的核心体现之一。作为国家创新型科研人才的重要培养基地，哈尔滨工业大学(以下简称“哈工大”)一直以来都将国家需求摆在首位，也是中国最早开展机器人技术研究的单位之一。控制科学与工程学科作为哈工大的“双一流”学科，也将机器人作为重点研究方向，哈工大(深圳)自动化专业针对该方向建立了一套逐层深化的“本研一体化”教学体系，机器人设计与实践就是针对本专业本科一年级学生开设的实践类机器人系统导论课程。

1 教学体系存在的问题分析

课程体系设计和课程设置需要支撑培养目标和毕业要求的达成，成果导向是高等工程教育的重要特征[1]，在课程前期调研中发现，许多高校课程体系及内容设置并不能很好地体现培养目标和毕业要求。主要体现在以下几方面。

(1)专业导论课程内容过时，教学方式死板且形式单一，对于课程体系的描述不够具象化，无法体现基础类课程与专业课程间的顺承关系，导致学生无法意识到基础课程的重要性，给之后的专业课学习带来障碍。

(2)课程考核评价方式不利于学生创新能力培养。虽然已摒弃了唯分数论，但课程的考核评价依然以笔试为主，实验部分主要为“三段式”教学管理[2]，评分标准单一，难以测评学生的真实学习状况和对知识的掌握能力。

(3)创新创业能力培养启蒙过晚。高校是创新创业教育的主阵地，近年来越来越多的高校将创新创业作为学生培养的重要方向，但都无法在培养形式上取得突破，完成基础课程教学后结合专业知识开展创新活动已成为思维定式，前两个学年的创新能力培养课程比重小。

(4)教学计划的统一性忽视了个体差异。社会对于人才评价的多样性决定了学校培养学生能力的广度，而就业行业的专业性又要求学生对于专业知识的掌握达到一定的深度，若二者兼顾，必须对于创新思维、科研能力和主动学习、终身学习都予以足够的重视。

2 著名高校类似课程开展情况

很多著名高校都非常重视学生实践能力的持续培养，在本科一年级就为学生开设了实践类导论课程。香港科技大学工学院秉承“工程+”教育理念，面向全校大一本科生开设了Introduction to Electro-Robot Design(ELEC1100)导论课程，这是其根据OBE(Outcome-Based Education)成果导向教育模式设立的，使学生能够在课程结束时，必须运用课程所学设计和构建一个满足特定功能的机器人。美国麻省理工学院(MIT)是CDIO(Conceive构思、Design设计、Implement实现、Operate运作)工程教育模式的创立者和倡导者，其电气工程与计算机科学系(Electrical Engineering & Computer Science，EECS) 的授课方向主要为控制与通信理论、人工智能与机器人学等，也在大一学期开设了Introduction to EECS via Robotics(6.01)导论课程，通过大量的移动机器人实验揭示实际工程设计的关键问题，其实验学分占课程总学分的一半[3]。该专业一直以来秉承的教育理念就是不断把高级课程中的共性内容抽取出来构成新的初级课程[4]，这种基于“做中学”和“基于项目教育和学习”的工程教育理念[5]，不但能够使学生从最开始就重视基础课程知识，同时也迎合了宽口径培养人才的趋势，加强了对学生综合能力的培养。

3 明确课程定位

3.1 应用层面的导论课程

课程概要性地介绍了典型机器人系统涉及的基本知识，主要包括模拟电路技术、数字电路技术、传感器技术、机构技术、电机技术、嵌入式编程技术和控制技术等。针对特定机器人系统，了解其基本组成，学习普通电子元器件、特定电子芯片、电机等使用方法和简单机械零部件设计。通过本课程的学习使得刚入学的新生对自动化学科领域有基本认识，为自动化专业后续课程打下较好的基础。

3.2 实践为主 理论为辅

长期以来，学校对于实验教学的定位一直是教学的辅助环节，在教学过程中无法得到实质性的重视，其改革进程也滞后于理论教学改革[6-10]。本课程打破了实验辅助的定位，主要围绕机器人系统的设计和实现展开，通过循序渐进、层层加深的方法，从一个简单系统出发，逐步引入，增加电子器件、传感器、驱动器以及机械机构，引导学生逐步搭建自动化系统，进行实际调试与测试，实现一定的功能。

因此，实践操作是课程的核心内容，将理论讲解作为辅助，自学成为学生获取相关知识的主要途径。不但培养学生分析问题、解决问题的能力和创新意识，提高学生的实际动手能力，还能够激发学生自主学习和终身学习的热情，加强学生学习后续自动化课程的主观能动性。

3.3 创新创业培养 贯穿本科教学始终

课程旨在采用项目教学法使学生全过程参与项目的实现过程，在此系统基础上，鼓励学生增加个性化功能，充分发挥学生个体的创新能力。作为大学一年级年度立项的重要先修课程，与高级语言程序设计课程共同成为保证专业课程体系开放性和创新性的基础。

4 建立“系统级”教学体系 实现任务驱动式教学

作为自动化专业的实践类导论课程，通过一个项目(寻线轮式机器人)将公共基础课程和部分专业课程串联起来，内容上具有章节独立性，每堂课完成一个任务点，所有课程结束后完成整个项目(见表1)，不但是自动化专业导论课程内容的补充和延展，也在工程应用层面上完成了相关知识的概述。这是对于高校教育和工程实践关系的重构，在加强基础理论学习的同时，使关注点回归于工程应用本身[11]，将科学思维和工程概念的灌输置于本科培养的全过程中，从大学一年级就开始培养控制的“大系统”概念，从基础知识培养阶段解决学生工程能力缺乏的核心问题。

表1 机器人设计与实践课程内容

5 过程管理考核方法改革

5.1 强迫学生预习 提高预习效果

传统的“三段式”实验教学管理模式受制于学生主动学习能力不足的影响，将实验课退化成操作课，降低了实验教学效果[2]。本课程删除了部分基于学生自主学习掌握知识的假设，通过课上问答、随堂测试、课后作业以及掌控实验进度等手段对其进行监管，既将主动学习和思考的权利交给学生，又让其必须履行主动学习和思考的义务，进而迫使学生利用更多的课外时间提前预习和思考，提前构建初步的知识体系，然后通过实验自行印证，改善预习效果。

5.2 教导变引导 把实验室交给学生

实验教学中教师的角色是引路人，主要以探讨的形式启发学生处理项目中遇到的迫切需要解决又无法自行解决的问题[12]，鼓励学生主动思考及学生间相互交流，同时在排课上保证实验的完整性，充分给予学生验证时间，将正常实验课后的所有课时全部开放给学生[13]，课上由教师和实验员指导实验，开放时间由研究生助教管理，提供必要的设备及材料支持，既让学生成为实验的主角，又实时掌握学生的学习状态和对知识的接受程度。这种教学模式不但培养了学生提出、分析和解决问题的能力，也锻炼了学生提取、处理、传递和使用信息的能力[14,15]，收到更好的授课效果。

5.3 考核方式多样化 考核内容开放化

将实验课所有的过程管理模式纳入考核体系，通过实验实践与实验问答、课堂小测试和课外作业、期末考试、期末机器人制作考核及竞赛(附加分)反馈学生自主学习的效果，同时保证考核内容的开放性，综合测试学生对于知识的掌握程度。

6 结语

通过学生学习状态、制作考核及竞赛成果证明，在本科一年级开设机器人系统实践导论课程对学生进行创新能力、实践能力的培养，能够极大地调动学生学习的积极性和主动性，使学生对于专业课程体系结构知识具有应用层面的系统了解。随后将针对课程周期中发现的问题，再次调整教学内容的侧重点，对重点知识进行补充，同时把握好引导及考核的尺度，不断提升教学效果，实现课程的最优化。