基于OBE的机器人综合实训教学模式改革与成效

张 辉，李积武，黄风立，杨培强

（嘉兴学院a.机电工程学院；b.资产与实验室管理处，浙江嘉兴 314001）

0 引言

机器人专业人才在社会上很紧缺，为了培养适合地方产业发展急需的人才，我校机电类专业开设了机器人课程，旨在培养机器人方向的应用型人才［1-2］。机器人综合实训是一门提升学生机器人开发创新能力的实践课程，传统的实践教学活动集中安排在3周内完成，主要学习慧鱼机器人搭接和LLWin慧鱼图形化控制软件编程，教学实训内容固定僵化，学生多，学习兴趣不高，被动完成任务，教学效果较差［3］。

OBE教育理念以成果导向进行课程内容设计，细化实训目标，优化教学过程［4-5］。为提高教学质量，基于OBE教育理念开展了机器人综合实训教学模式改革，以能力和素质培养为成果导向，将课程内容设置在制作作品的预期目标之下，以兴趣启发学生异想天开、富于梦想，形成自主实践的教育形式，改变评价方式，注重教学效果［6-7］。

1 改革目标

基于OBE的机器人综合实训教学模式改革目标是：以培养学生机器人开发能力、创新能力和综合素质培养为成果导向，以制作创新的机器人作品为预期目标，构建“个性化创意、模块化细分、弹性化时空、数字化管理、审核化评价、人性化环境”的新型教学模式，建设满足学生进行机器人自主实践的环境。学生以个性化创意为兴趣制作机器人作品，通过参加学科竞赛、申报科技项目、申请专利等取得学习成果，获得学习成就感，达到熟练掌握机器人开发技术，具有“敢想敢做”的机器人开发和创新能力，具有机器人工程师的基本素质［8-10］。

2 教学模式

基于OBE的机器人综合实训教学模式改革，以学生“个性化创意”为兴趣，对教学内容进行“模块化细分”，建立“弹性化时空”自主实践的学习形式，创建虚拟社区实现教学过程“数字化管理”，在“人性化环境”中自主制作创新的机器人作品，采用“用自己的尺子量自己”对学生的机器人作品进行“审核化评价”，最后用机器人作品参加学科竞赛、申请科技项目、申请专利取得学习成果，获得学习成就感。改革后教学模式的流程如图1所示。

图1 机器人综合实训教学模式的流程图

2.1 “个性化创意”—激发学习兴趣

机器人综合实训以个性化创意为兴趣，鼓励学生制作创新的机器人作品。个性化创意激发学生异想天开、富于梦想进行自主实践，是学生进行实践的内在动力。指导教师引导学生以省大学生机械设计（慧鱼）竞赛、省大学生机器人竞赛和省大学生工程训练竞赛的主题为目标进行个性化创意，学生作品完成后即可参加校级、省级相关竞赛；学生也可根据兴趣进行个性化创意的非竞赛类机器人作品制作，指导教师引导学生用个性化创意的机器人作品申报学生科技项目或专利。通过作品获奖、申请科技项目和授权专利等学习成果增强学生的学习成就感，拓宽学生作品范围，学生之间展开良性竞争，可以显著提升作品的多样性和质量。

2.2 “模块化细分”—优选教学内容

机器人综合实训把教学内容进行模块化细分，主要分为机器人结构设计与搭接、机器人控制系统设计与编程和机器人自主设计与制作等3个学习模块，每个模块细分为不同内容，见表1。

表1 机器人综合实训教学内容的模块化细分

2.3 “弹性化时空”—灵活学习形式

弹性化时空是学习的时间和空间根据学生自主实践需求充分开放，包括时间、软硬件教学资源及所在空间的开放。学生驻实验室的时间及实验室依赖程度是培养应用型人才的重要标志，是教学资源配置优化程度的主要标志［9］。

（1）弹性化时间。把3周延长到学期末，分为集中实训和分散训练两个阶段，分散训练阶段学生在课余时间自由安排。

集中实训时间3周，主要进行机器人结构设计与搭接、机器人控制系统设计与制作等训练。要求学生组队进行个性化创意后自主设计制作慧鱼机器人，完成搭接、制作基于单片机的电路板、设计编制程序，实现预设功能。每个团队成员搭接慧鱼机器人的某一部件，每个团队成员参与电路板制作、控制系统程序某一模块制作和编程，最后组装调试完成慧鱼机器人作品的预设功能，集中实训后进行考核。完成后参加学科竞赛、申报科技项目、申请专利等。

分散训练时间2个月，主要进行机器人自主设计与制作的训练。要求学生组队自由进行个性化创意设计制作创新机器人，通过3D打印机和数控机床等完成零部件加工并组装机器人本体，然后完成控制系统设计和制作，最后整机调试实现创新机器人作品的预设功能，学期末进行考核。完成后参加学科竞赛、申报科技项目、申请专利等。

（2）弹性化空间。机器人创新实验室的软硬件教学资源及空间对学生全天开放，学生刷卡自由进入机器人创新实验室进行自主实践。

弹性化时空的教学形式导致教学指导工作量大大增加，为了解决此问题，建立协会制和虚拟社区进行实时日常管理。机器人创新实验室成立了大学生机器人创新协会，大学生机器人协会高年级学员负责机器人实验室的日常管理和指导，指导教师会定期去实验室指导或实时在虚拟社区进行答疑解惑。

2.4 “数字化管理”—创新管理方式

机器人综合实训不但注重创新作品，也注重过程监督，实训过程采用数字化管理［11］。首先，创建一个基于QQ群的机器人综合实训虚拟社区，指导教师通过QQ群的作业模块设置3个学习模块，并发布每个模块的实训任务、实训安排和考核要求等。其次，每个学生通过QQ群的各个学习模块提交机器人设计图纸、搭接照片、电路板设计图、电路板照片、程序流程图、编制程序、机器人照片及视频等过程材料，这些材料将作为模块考核内容；QQ群作为老师平时答疑及学生讨论的虚拟社区，学生在QQ群的发言数量会被QQ群自动记为活跃度，活跃度作为评价平时成绩的主要依据。通过QQ群提交的过程材料对每个学生都可见，即可互相参考，也可互相监督等，是一种客观公开的管理方式。

2.5 “审核化评价”—用自己的尺子量自己

机器人综合实训的成绩评定是根据团队预期目标完成度采用审核化评价［12］，审核化评价减轻学生压力，激发学生自主实践的兴趣。每个模块的作品由团队自主设定考核技术指标，指导教师根据“用自己的尺子量自己”进行审核化评价。

考核不仅对慧鱼机器人和创新机器人作品进行评价，也强调过程评价。设置4个考核项目，平时成绩主要是统计虚拟社区的活跃度进行客观评价，其他3个考核项目成绩根据团队预设的指标完成度进行评价，见表2。综合4个考核项目成绩评定团队成绩，每个团队成员成绩相同，通过相同成绩鞭策每个团队成员都要努力为团队贡献，培养团队合作精神和协作能力。

表2 考核指标、内容及成绩权重

2.6 “人性化环境”—整合实训资源

为配合改革，对现有机器人教育资源进行合理配置，以自主实践为目标整合成机器人创新实验室，建立了人性化环境［13-15］。机器人创新实验室由机器人拆装工坊和机器人创新工坊组成，安装了门禁系统和监控系统，由学生自主管理，全天开放。机器人拆装工坊有直角坐标机器人、圆柱坐标机器人、球坐标机器人、关节机器人等，如图2所示。机器人创新工坊有3D打印机、数控机床、70套慧鱼机器人，有3D打印材料、铝板、铝型材等机械加工耗材，还有舵机和单片机等电子元器件，供学生进行慧鱼机器人和创新机器人设计搭接的日常活动等，学生机器人竞赛活动如图3所示。

图2 机器人拆装工坊

图3 学生竞赛活动现场

3 改革成效

（1）改革前后学生成绩对比见表3，2019年比2018年学生的实训成绩明显提高，2019年全部合格，优秀率也明显提高。（2）改革前后学生的学习成果对比见表4，2019年比2018年的学生作品获奖数量和级别明显提高，其中获得省学科竞赛一等奖3项；学生作品申请到的学生科技项目数量明显增多，其中省级项目3项，国家级项目2项；学生作品申请专利数量也明显增多，学生设计的“智能打粉机器人”技术方案申请了4项发明专利。

表3 改革前后学生成绩 %

表4 改革前后学习成果

实施了基于OBE的机器人综合实训教学模式改革后，学生成绩明显提高，作品获奖、申请到科技项目、申请专利等学习成果数量也明显增多，表明学生较熟练掌握了机器人开发技术以及基本的机器人开发和创新能力，具有机器人工程师的基本素质。

4 结语

基于OBE的机器人综合实训的教学模式改革，优化了教学过程，建立了完善的机器人开发自主实践环境，收到了良好的实训成效，提高了实训质量，实现了改革目标。这种教学模式保障了学生驻实验室的时间权和空间权，提高了学生对实验室依赖程度，学生的学习态度实现从“要我学”到“我要学”的转变。指导教师在实训教学过程中，与学生结下良好感情，指导学生获得学习成果的同时也取得了丰富的教研成果，形成了一种良性循环的积极氛围。

·名人名言·

我不喜欢那种没有实验的枯燥的讲课，因为归根到底所有的科学进展都是从实验开始的。

——奥斯特