“卓越工程师教育培养计划2.0”背景下“机器人竞赛与实训”课程建设探索*

卫鹏斌，崔鹏伟，刘荣升，李 静，杨富超

（河南工学院智能工程学院，河南 新乡 453003）

《教育部 工业和信息化部 中国工程院关于加快建设发展新工科实施卓越工程师教育培养计划2.0的意见》（以下简称《意见》）指出[1]，要以新工科建设为重要抓手，持续深化工程教育改革，加快培养适应和引领新一轮科技革命和产业变革的卓越工程科技人才。这就要求工科院校在人才培养模式、课程资源建设、教学手段与教学方法上要有所改革[2-8]。正是在此背景下，结合当前企业的实际需求，对机器人工程专业的人才培养方案进行了修订，创造性地增加了三门学科创新课程，分别是“机器人竞赛与实训”“智能机器人技术创新”“机器人综合创新与应用”。这三门创新课程相互联系，难度依次递增，依据以“学生中心、产出导向、持续改进”的先进理念，采用了以工作任务为驱动的工程项目式教学模式，着力提升学生解决复杂问题的能力。课题组主要就“机器人竞赛与实训”这门创新基础课的课程建设进行探讨，分别从项目载体、教学模式、考核方式以及实施效果四个方面展开。

1 项目载体

“机器人竞赛与实训”是一门实践性很强的课程，需要大量的时间进行实际操作、编程、调试等，同时，课程又具有较强的工程实践背景，要尽可能地和当今产业需求、学科竞赛等紧密结合。因此，选择一个合适的项目载体尤为重要。

《意见》指出，深入实施新工科研究与实践项目，更加注重产业需求导向，更加注重跨界交叉融合，探索建立工程教育的新理念、新标准、新模式、新方法、新技术、新文化。因此，在开发“机器人竞赛与实训”的工程项目载体时，团队充分调研了一线企业，包括勤工机器人、新松机器人等公司，确保项目载体能够与产业需求导向相结合。机器人又是一门交叉的综合学科，涉及人工智能、数字图像处理技术、通信技术、嵌入式系统应用、传感器应用、驱动技术以及机械传动等多个领域，项目载体也要能够涉及较多知识点领域，同时，又要适合整个教学过程。综上所述，团队最终确定设计搭建具有某种功能的智能小车作为项目载体。这里的某种功能是柔性的，既可以是避障，也可以是寻迹或跟随等。这里的柔性指的是每次课程的最终任务可能都不尽相同，甚至以后每个小组的最终课程任务也都不尽相同，这样可以尽量避免学生之间相互抄袭。

根据最终的目标，课题组将其分为划分为8个模块，每个模块4个课时，共计32个课时，分别是竞赛机器人平台搭建与调试、竞赛机器人结构与三维数字化建模、竞赛机器人直流电机及驱动、竞赛机器人的无线通信、竞赛机器人的舵机控制、竞赛机器人的传感器、竞赛机器人差速转向控制以及竞赛机器人的综合应用。同时，对于这8个模块，采用了模块化的授课方式，团队教师分别教授自己擅长的领域，更加有针对性。前7个模块相当于实现某一基础功能，重在打基础；最后1个模块则是选取当前机器人大赛主流的某项任务进行的综合应用，重在考查学生的综合运用能力。这次授课的任务目标选择了中国机器人大赛中的一个子赛项——寻迹越野游，寻迹越野游的主要规则是在一定的黑色轨迹线上完成指定障碍越野，在完成任务的同时，用时最少者胜。课程的主要任务目标是让竞赛机器人具备基础的寻迹功能。

该项目载体不仅可以使学生较全面地认识智能机器人的电机、电机驱动电路、车架结构、主控制器、传感器等部件，还可以锻炼学生使用某种语言编程、调试的能力；同时，该项目载体又和教育部主导的一些学科竞赛如全国大学生机器人大赛、中国机器人大赛等的项目高度重合，使学生具备参加上述比赛的能力，一举两得。

2 教学模式

《意见》指出，全面落实“学生中心、产出导向、持续改进”的先进理念，面向全体学生，关注学习成效，建设质量文化，持续提升工程人才培养水平。因此，“机器人竞赛与实训”课程采用了“以学生为中心”的教学理念和以工作任务为驱动的工程项目式教学模式。

相比于传统授课方式的教师满堂灌，“以学生为中心”的教学理念给予学生充分的自由，让学生充分地占据课堂的主导地位。以工作任务为驱动的工程项目式教学，主要是以目标为导向，将知识点融入到一项具体的工作任务中，学生在完成工作任务的同时学习相应的知识点。

具体做法如下：上课前一周左右通过学习通网络授课平台发布相应的学习任务，这部分属于线上学习的部分，学生需要通过任务学习卡，将里面的问题通过查阅资料等方式提前完成。回到课堂后，这部分属于线下学习部分，以解答学生之前出现的问题为主，辅以一定的知识点讲授；之后给定新的课堂任务，学生采用PBL小组合作方式完成课堂任务；最后需要验收，验收包括教师评定、同组之间评定以及小组之间评定三种验收评价方式。整个过程中，学生充分地参与到课堂中，教师则主要负责组织课程以及解答学生的疑问。同时，采用了线上、线下相结合的授课方式，使得学生的学习兴趣空前高涨。

3 考核方式

考核方式由传统的期末试卷考试转换为过程化考核与评价方法。《意见》指出，要优化人才培养全过程、各环节。因此，考核与评价应注重过程化考核，在教学的整个过程中都应该有考核和评价，而不是以最终结果作为考核的唯一标准，充分尊重学生的创新性或发散性思维方式。

考核总成绩由线上学习成绩、课堂实操分组任务以及答辩竞赛成绩组成。其中：线上学习成绩为100分（权重20%），由前7个模块的课程任务点以及课前学习任务卡完成情况构成；课堂实操分组任务成绩为100分（权重50%），由前7个模块具体课堂实操完成情况构成；前两部分考核总占比达70%，充分体现了过程化考核；答辩竞赛成绩为100分（权重30%），由最后1个模块的竞赛成绩构成。

4 实施效果

“机器人竞赛与实训”课程改革后，先后有服务机器人、工业机器人1、工业机器人2、机械电子1、机械电子2共计5个本科班级上课，学生的平均成绩及标准差成绩分别如表1、表2所示。其中：表中过程化考核（70%）由线上学习成绩（20%）以及课堂实操成绩（50%）构成，综合成绩=过程化考核×0.7+答辩竞赛×0.3。

表1 平均成绩

表2 标准差成绩

课程改革以后，学生的学习兴趣普遍有所提高，成绩也有所提高，无不及格现象。从表1可以看出，5个班级过程化考核成绩平均在75分以上，答辩成绩平均在88分以上，最终综合成绩在80分以上，学习效果明显提升。从表2可以看出，5个班级过程化考核标准差成绩最小5.99分，最大10.12分，说明平时过程化考核还是可以拉开成绩的；5个班级答辩竞赛标准差成绩最小1.21分，最大4.10分，说明学生答辩竞赛的成绩差别不大；5个班级综合标准差成绩最小4.62分，最大7.03分，说明学生的最终成绩还是有所差距的。

5 结束语

课题组对“机器人竞赛与实训”进行了课程建设及改革，采用了“以学生为中心”的教学理念和以工作任务为驱动的工程项目式教学模式；突出对学生动手能力、专业技能和创新思维的培养，体现能力本位的特点；采用过程化考核与评价方式，对学生学习全过程进行考核和评价。

5个班级的试验结果表明：最终5个班综合平均成绩均在80分以上，学习效果明显提升；学生学习兴趣普遍提高；设计能力、动手实践能力、分析解决问题能力有所提高。