“新工科”背景下高校机器人实验改革的探索

张 琦 甘永莹 李 晓 任风华 杨 青

（1.桂林电子科技大学电子工程与自动化学院，广西 桂林 541004；2.桂林电子科技大学教学实践部，广西 桂林 541004）

0 引言

科技的飞速发展不断推进时代的变换，现如今信息化、智能化和工业化不断融合，以智能制造为主导的时代正在兴起。为了应对新一轮的科技和产业变革，我国教育部积极推进“新工科”建设，即针对新兴产业构建新的工科专业结构，以互联网和工业智能为核心，如大数据、云计算、智能制造、机器人等，同时还对传统专业进行升级改造。智能时代是大势所趋，智能制造业是实施制造强国战略的重要行动。目前以机器人产业为代表的智能制造业成为各国关注的热点，因此，培养优秀的全面的机器人工程专业人才十分必要[1]。高等学校作为国家建设人才库，在高等教育上也应紧跟时代发展步伐，针对“新工科”提出相应的改革，重点培养具有可持续竞争力的实践和创新型人才。

机器人在工业和家居生活等领域的快速发展，引起智能制造业的热潮。我国各高校也相继开设了机器人相关课程和构建了相应的课程体系来培养机器人专业人才。机器人属于多学科交叉专业，包含了自动化、机械学、计算机科学、光电信息处理以及电子工程等学科。该类课程的理论课往往繁杂枯燥，晦涩难懂，要求学生有扎实的数学基础和专业储备，学生难以运用理论知识解决实际工程问题，仅停留在传统工科的教学方法上，难以培养实践能力和创新能力兼备的复合型人才[2]。因此，“新工科”背景下的机器人专业应提高机器人实验课的地位，针对学生的学习能力开设渐进式的实验项目，将学生的实践能力和创新能力摆在第一位。本文将针对“新工科”背景下机器人实验课程的改革进行探索。

1 教学现状

目前，常见的工科教学，往往偏重基础理论知识的讲解，而实验课仅仅作为辅助课程，其内容简单、课时少，使得大部分学生对实验课程不够重视。而且大多数实验课与理论教学相关性小，这就造成了实践与理论脱节，学生对实验目标不明确，对实验目的不清楚，盲目地跟从教师依葫芦画瓢，机械地完成实验，缺少师生交流，学生属于被动接受知识，没有自主思考，从而影响了整体的教学质量。机器人实验教学也不例外，而且由于机器人技术飞速发展，传统的机器人实验内容滞后，更新换代慢，难以满足现代机器人企业对人才培养的需求。教学设备若想要跟上技术的发展，势必会造成资源浪费和教学成本激增。

机器人实验课通常有离线教学和实体教学，由于离线教学不具体，学生没有参与感，且对实验结果没有具体概念，实验效果无法保证。因此仍然需要在实体机器人上进行示教，而目前实验机器人的成本仍然高昂，学校用于实验机器人的经费有限，机器人与学生的比例不匹配，导致学生只能以小组的形式完成实验。且由于机器人种类繁多，学习量大，实体机器教学时间过长等问题，实验内容不宜复杂，学生只能在有限的资源中完成简单的验证性实验。这对于提高学生的实践能力没有真正帮助，更不利于筛选和培养能力更强的学生[3，4]。

在实际的实体教学中，初学者往往误操作率较高，对于复杂的编程路径，难以取得令人满意的效果，且容易造成机械故障，这不仅不利于教学效果，更增加了维护实验设备的成本。因此许多机器人实验教学仍然是单一的多媒体教学，教师向学生单向输出，学生被动接受，缺少师生的有效交流，这使得学生的思维容易固化，无法培养学生独立思考、自主创新的能力。单向输出的模式使得教师在课堂中无法及时收到学生的反馈，进而不能对课程内容进行调整[5]。

传统的机器人实验考核方式单一，作为辅助课程的实验课通常以当堂实验结果为主，课后撰写实验报告为辅。而由于时间的限制，学生很难利用完整的课堂时间独立完成实验，并获得较好的实验结果。再加上教学资源的限制，传统的机器人实验教学往往以小组为依托，这就存在个别学生在小组中只共享不贡献，即便不承担任务也会取得不错的成绩。这就造成了学生成绩两极化，没有个性区分，不能真实反映学生的学习能力。对于当堂完成不了实验的学生而言，既花费了时间心思又得不到好的成果，无疑是巨大的否定，打击了学生学习的积极性。

针对以上问题，应从实验教学的方法、教学模式以及考核方式上进行改革，常规的教学方法已不能满足当下的社会需求，也不符合教育部提出的“新工科”理念。越来越多的教师意识到“以学生为中心”的教学理念，应充分利用网络技术、整合教学资源，挖掘学生各方面的能力，在教学过程中强调过程，使学生在获得知识的同时还能学以致用，运用所学知识解决实际问题。

2 机器人实验改革的探索

充分利用线上平台设立前导课，减轻课堂负担。机器人是各学科交叉的综合学科，涉及的理论和技术往往比较抽象难懂。教师可在课前充分利用线上教学平台设立前导课，将实验课内容涉及到的相关技术介绍或设备操作视频上传到平台，供学生进行课前预习。通过简单易懂的视频，让学生在课前直观的了解上课流程，做到心中有数，带着问题进行实验，可以大大提高教学效率和教学质量。线上教育平台已逐渐成熟，种类繁多，例如，清华大学开发的雨课堂，即为混合式教学工具。教师端可实现课程资源分享，设立前导课，学生端可通过教师发布的练习或者观看视频完成练习。雨课堂还可以借助智能手机平台加深师生互动，加强师生交流。教师可通过数据分析实时掌握学生的预习情况、学习进度，以及大多数学生的学习难点。将课堂上的时间更多的留给学生讨论和实践，增强学生自主思考的能力。

增加实验课时，设立渐进式实验内容。增加实验课时，提高学生对实验课程的重视，在实践中讲解理论，使得学生对知识点有更充分的理解，提高学习效率。机器人相关的课程通常在高年级中开设，参与实验的学生被认为已具备一定的基础知识和专业储备，这正是培养学生理论联系实际，提高实践创新能力的好时机。实验内容从验证性实验到综合性实验渐进式开设，实验内容环环相扣，有利于培养学生在简单工程问题中去思考复杂工程问题。在简单的验证性实验阶段，要求学生全员参与所有实验内容，到中后期的综合性实验，引入下文的项目式学习。由于机器人专业涉及计算机编程、机械电子作图、电子设计等知识，学生可在项目式学习中根据自己的兴趣爱好或擅长的领域组队完成项目。渐进式实验内容由简到难，有助于建立学生的自信心，激发学生的探索欲，有利于培养能力更强的学生。

实验教学采用项目式学习。项目式学习在我国高校有较高的认可度，但目前的项目式学习仍倾向于教学内容，对学生的技能习得和探究习惯的培养还有待提高，因此项目式学习在教学设计和实践质量方面仍需进一步提高。结合渐进式实验教学，在实验中后期，可适当增加实验难度，综合各知识点，将项目式学习引入。项目式学习应将实验项目模块化，减少理论传授，增加机器人技术方面的训练，教学内容实时更新，将新理念、新技术引入课堂。项目式实验教学要求学生以小组的形式在教师的指导下查阅资料、收集信息、设计创新性方案、小组成员各自完成模块内容并组合成一个综合项目，最后实现目标功能以及展示汇报。项目式实验充分体现了“以学生为中心”和以能力为导向的教学理念[6]。项目式学习旨在重点培养学生的自主创新能力，以及团结协作的能力。对相关竞赛感兴趣的学生在项目式学习中得到提前训练，发挥各自擅长的部分，用课堂知识解决实际工程问题，提高学生学习的成就感。

应用虚拟仿真技术示教，提高教学质量。由于实验设备成本高，实体示教难度大、时间长等问题，导致学生人均教学资源不足，教学效果差，降低学生的学习积极性。网络技术不断更新发展的今天，虚拟仿真技术在各个领域均有应用，将虚拟仿真技术与实验教学相结合，电脑模型代替机械设备，用虚拟工业机器人代替实体机器人示教，可解决以上问题[7，8]。RobotStudio是ABB公司开发的工业机器人仿真实验平台，其强大的仿真功能可进行实时仿真以及对配套设备的控制，对于初学者来说，简单上手，趣味十足。虚拟仿真技术将学生的编程与结果通过可视的界面显示，以直观的感受做实验的过程，能更好的激发学生的学习动力、增强学习体验，提高学生的学习兴趣。采用虚拟仿真技术还可以减少教学过程中因操作失误而出现事故，降低危险性，打破时间、空间的限制，提高教学效率和教学质量。对教师而言，虚拟仿真技术还可以将实体机器中不可见的部分或隐藏式的结构展示给学生，让学生更好的了解机器人结构以及工作原理，教师还可以通过RobotStudio平台的评估结果及时了解学生在实验过程中的操作。虚拟仿真技术在机器人实验中的应用使得教学手段丰富多样，也降低了教师的管理难度。

多角度全方位考核，调节环节占比注重过程考核。不同类型的实验类型设置不同的考核内容，针对验证性实验，则注重学生在课堂的实验表现，作为实验成绩。利用互联网平台将课前预习、课后答疑和练习都纳入平时成绩中，教师通过互联网平台发布考核内容，以及收集考核结果，做到课前—课中—课后的考核全覆盖。而项目式的综合实验则根据小组成员领取任务的完成度来考核，项目式综合实验不但看重最终结果，更注重过程以及团队的协作能力。为避免团队成员不贡献只共享，每位组员按项目的模块进行任务领取，各组员的完成度计入个人的实验成绩，团队作品的完成度按百分比计入个人实验成绩。项目式实验的平时成绩主要由学生互评和教师评价组成，团队成员在实施任务过程中的沟通协作能力以及解决问题的能力等都将作为评价标准。这种方式增加了学生危机感，避免“不劳而获”的思想，也使得学生的个性化得到发展。

3 结语

为了应对智能信息时代的到来，“新工科”要求注重学生实践能力和创新能力的培养。机器人技术作为一门跨学科的综合性课程，其实验课具有探索性和创新性的特点，机器人实验课的改革探索是培养机器人专业学生的创新实践能力的重要一环。设立前导课，减轻课堂教学负担；增加课时，提高学生对实验课的重视，循序渐进式的实验内容可以降低学生的学习门槛，建立信心；利用线上教学平台开设前导课，将课堂的时间交由学生自主探索；项目式学习提高了学生理论与实践相结合的能力，也增加了学生参加学科竞赛的经验和竞争力；应用虚拟仿真技术降低了实体示教的成本并提高了教学质量；全方位的考核制度，为机器人实验课程改革开拓了思路和方向。