“四位一体”机器人实践教学模式探索

谢应孝 李云 刘玉良

摘  要：机器人实践课程一个突出特点是多学科的融合，伴随机器人专业的快速发展，原有的机器人实践课程教学己无法满足新要求，该文提出了“四位一体”机器人实践教学模式。通过建立“学生社团+基础实验+实训+竞赛”一体化实践教学体系，为机器人实践教学改革提供了切实可行的改革思路与实施方案，达到培养学生的综合实践及创新能力。

关键词：机器人  实践  教学  四位一体

中图分类号：TP242-4                       文献标识码：A文章编号：1672-3791（2021）03（a）-0057-04

Exploration of "Four in One" Robot Practice Teaching Mode

XIE Yingxiao  LI Yun  LIU Yuliang

（Zhejiang Ocean University， Zhoushan， Zhejiang Province， 316022  China）

Abstract：Multi-disciplinary integration is considered a prominent feature of robot practical course. The original robot practice teaching could not meet the new requirements with the rapid development of robots."Four in one" robot practical teaching mode was proposed in this paper. The practical reform ideas and implementation scheme for robot practice teaching reform was provided for practical teaching reform by integrating student associations， basic experiments， practical training and competitions to cultivate students' comprehensive practice and innovation ability.

Key Words：Robot; Practice; Teaching; Four in one

機器人教学实践课程被现代教育学家认为是培养学生创造力和想象力的有效活动[1]。机器人实践课程一个突出特点是多学科的融合，包括控制工程、机械工程、电气工程、电子工程、计算机科学与技术等学科。通过机器人实践课的教学，能够很好地激发学生的综合实践及创新能力。伴随机器人专业的快速发展，原有的机器人实践课程教学以无法满足新要求，因此在原有机器人实践教学内容基础上，进行实践教学改革与探索十分必要[2]。为此，加强高校机器人实践教学改革，有利于机器人专业发展、机器人关键技术的自主认知和对当前最新科技发展趋势的掌握，更好地服务于国家与地方的产业转型升级，服务于中国制造2025的国家战略[3]。

1  机器人实践教学现状及面对问题

1.1 实践教学研究现状

大连理工大学通过建立深度广度结合、软件硬件结合、科技创业结合的“三结合”科学化教学体系，构造“实训型”集约化教学平台和“产、学、研”一体化教学链条，形成较完整的高校机器人创新实践教学体系的改革[1]。

宁波大学开展“以项目为导向”的实践教学法改革与实践，基于ROS实践平台开展以项目为导向的机器人实践教学，学生在完成项目过程中掌握专业知识并锻炼解决复杂工程问题的能力[4]。

西安交通大学提出多种实验形式结合、机器人机构及控制等多方面相结合系统性地开发机器人实验。在教学方法与工程实际相结合，引导学生关注技术前沿，培养学生创新意识[5]。

岭南师范学院构建多维渐进式机器人课程实践教学体系，将实验教学、创客教学、竞赛教学和教学评价融于一体，理论与实际相结合，培养高质量的机器人教育人才[6]。

重庆科技学院以机器人竞赛为主线开展大学生创新性学习和实践动手能力的培养，提高学生主动学习的兴趣、创新能力培养与科学研究的热情[7]。

1.2 实践教学中突出问题。

1.2.1 各实践环节“各自为战”，缺少统一规划与融合

不同的实践环节由不同的指导教师制订教学计划，各环节间大家缺少沟通，致使不同实践教学环节出现前后环节实践内容不衔接或实践内容重复的现象。

1.2.2 学生普遍“走马观花”，激发不起兴趣

学生进行实践时，由于机器人设计众多专业领域的融合，所以对机器人相关知识点的缺失，再加上短时间自己动手的实践教学过程中，学生很难找到兴趣点和切入点，多是为了分数应付实验项目，无功而返[8]。

1.2.3 授课形式单一

对于机器人实践课程的授课形式目前是先由老师对实践内容的介绍，学生开始实际操作，学生将实验成果让指导教师检查，最后上交实验报告。整个教学过程仍然学生重复实践内容形式单调死板，缺少探索与主动解决问题能力。这种单一的授课形式不能适应机器人学现代教育教学的需要，远远落后于机器人技术的快速发展[9]。

我国高校的机器人实践教学仍处于起步阶段，仍然存在学科归属不清晰、教学体系不成熟等方面的问题[10]，且大部分学校刚刚开设机器人相关专业，与之匹配的实践教学体系更是少之又少。为此，该研究将从实践教学工作总结经验，提出“四位一体”机器人实践教学模式，为机器人实践教学提供借鉴[11]。

2  改革思路

由于机器人实践教学可以将多领域多专业的融合，非常符合机器人专业的学科特点，因此对机器人实践教学的改革更有利于机器人教学的发展。该文将对机器人实践教学过程中存在的问题提出解决方法，并建立“四位一体”机器人实践教学模式，从而达到培养机器人专业学生的实践及创新能力，更好地服务国家创新发展的重要目标。

2.1 “四位一体”实践教学模式内涵

“四位一体”实践教学模式是将社团、基础实验、实训、竞赛这4个实践环节融为一体，打破原有的各实践环节“各自为战”现状，将各环节统一规划。实践教学不仅是服务于理论教学，而是将所有实践环节打通，形成一体化的实践教学平台及完整的实践教学体系。

2.2 实践教学体系建设

建设综合性、项目导向性、学科交叉性、自动更新性的新型实践课程群，将基础实验、实训、竞赛、社团作为实践环节统一规划。

2.3 一体化实践教学平台

整合各实践环节的教学资源，建立各环节资源共享管理制度，加强实验室的开放功能，学生可以自主、充分地利用各实践环节的实验资源，提高学生的自主学习与创新能力。

3  实施措施

3.1 建立一体化实践教学体系

3.1.1 建立“社团+基础实验+实训+竞赛”一体化实践教学体系

统一规划各实践环节的教学。以竞赛和创新项目为导向梳理出所需要的知识点，根据知识点的依赖关系分别设置不同实践环节的教学内容。在竞赛及创新项目的实践中对新知识点的探索，并根据新知识点所涉及实践环节的教学内容进行更新，更新的实践教学内容对新知识点进行训练与完善，使各实践环节形成闭环，构成不断自我更新与完善的一体化机器人实践教学体系[12]。

3.1.2 建设开放共享的实验平台

对各个实践环节的实验资源统一管理，提高实验资源的使用效率，加强设备及耗材的共享，避免重复购买与浪费。通过各实践场地及设备的开放加强各环节的合作与共享，实现平台一体化[13]。

3.2 学生社团与机器人专业的融合

3.2.1 物质保障

确保学生社团活动开展的活动场地及社团活动经费。独立的场地可以为学生提供宽松自主的活动空间。社团经费用于购买机器人技术所需的基本仪器及耗材。

3.2.2 功能提升

通过专业知识的引入、指导教师的辅导将学生社团改造为学生自主实践平台及创新创业的孵化器。社团通过定期组织科技活动吸引低年级的同学加入社团，新同学加入后，由老的社团成员及指导老师对新社员进行指导，以此增强学生的实践技能、科研能力及竞赛技巧。经过一段时间的学习，根据新老成员的情况建立团队为各类学生竞赛、学生项目及老师的科研项目注入新鲜的血液。同时，利用竞赛、科研项目等实践环节资源反哺社团的发展[14]。

3.2.3 学生团队建设

组建新老成员分布能力互补的学生团队。由于机器人涉及多领域多学科融合的技术特点，学生团队宜采用多年级、多专业、以老带新的模式进行组建。学生团队的建设可以充分发挥学生的自我管理与自我学习的优势。指导教师以学生团队为单位进行指导，可以大大提高指导学生的效率。

3.3 广覆盖基础实验教学

3.3.1 以项目为导向的基础实验项目设置

梳理出实训、竞赛及创新项目相关知识点，再根据各个知识点设置基础实验项目，并根据其他实践环节的技术发展及时更新基础实践项目，同时充分利用线上资源扩充基础实验项目。使基础实践环节广泛地覆盖各类实践环节所涉及的知识点和技术，为其他实践环节提供坚实的基础[15]。

3.3.2 以基础实验室开放促进实践环节融合

除完成实践计划外，基础实验室应加大开放力度，使其他实践环节遇到问题随时可以在基础实验室中寻找解决方案。通过实验室的开放解决了不同实践环节时间及空间上的壁垒，促进各实践环节的融合与统一。

3.4 以工程项目为导向的实训教学

3.4.1 实训项目的实施

实训项目应结合工程实际重点强调综合性。学生以团队为单位，自我分工共同完成实训项目。实训过程指导教师首先介绍实训项目的应用背;景以及所涉及的关键技术，在实训项目进行中教师分阶段跟踪各组的项目进展情况，并对项目遇到的困难进行指导，最后根据分组情况对学生进行团队评价[16]。

3.4.2 实训项目的评价考核

实训项目的评价考核应在实施过程中的每个阶段任务完成后及时评价，最后再根据整个项目的完成情况给予评价。实训报告可参考技术报告为模板，对整个项目的背景、技术发展状况、关键技术、主要研究内容等进行介绍。通过完成实训报告增强学生的技术文稿的撰写能力，同时为其他实践环节积累技术资料。

3.5 结合学生竞赛，全面提升学生综合能力

积极引入机器人竞赛、电子设计大赛、机械设计大赛等学生竞赛，以赛促学。将各类竞赛核心技术进行整理，并融入到社团、基础实验、实训的实践教学中。推广“以老带新、学生团队”模式吸引大批学生参与竞赛。通过竞赛使学生在基础实验室、实训中心、社团活动场所以及科研实验室流动，真正做到资源共享。定期通过竞赛或社团举辦校内竞赛，将比赛情况作为他实践环节考核的参考。将这4个实践环节融为一体[17]。

4  结语

该文论述了机器人实践教学工作的研究现状及突出问题，提出了社团+基础实验+实训+竞赛“四位一体”机器人实践教学模式，为机器人实践教学改革提供了切实可行的改革思路与实施方案。通过几年的试行，学生社团被评为校级优秀社团;经过“四位一体”实践教学模式培养的学生积极参与机器人等各类学生竞赛及科技创新活动，取得较好的成绩;新增多个实验、实训项目，学生在实验、实训中更加积极主动完成实践内容，提高了学生的实践及创新能力。

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