创新能力培养的机器人专业系列实验课程探索与实践

栗 琳，郑莉芳，马 飞，刘新洋，孙 浩

（北京科技大学机械工程学院，北京 100083）

0 引言

机器人技术集数理、设计、机械、电子、计算机和其他学科于一体，在智能制造、资源勘探、国防、医疗等各个行业中发挥着不可替代的作用。机器人技术是新工科建设最具代表性的前沿交叉学科，也是新工科建设最重要的突破口［1～2］。在全球范围内，欧美日等国都竞相将机器人列为未来战略新兴技术，在“中国制造2025”中，机器人技术已经被纳入国家战略当中。为了满足机器人技术人才的迫切需求，机器人工程专业应势而生，截止到2021 年，国内共有301 所高校相继开设机器人工程专业［3］。

机器人工程专业以培养适合产业发展需求的创新人才为目标，多学科交叉融合，因而要求更强的实践性、综合性、新颖性，实验教学设计方案是否合理直接影响目标达成度。传统实验教学模式已不能满足综合素质人才的培养要求［4-5］。国内学者以学科建设角度提出了教学改革思路，如李瑞峰等［6］介绍了哈尔滨工业大学机器人专业人才培养的经验，范良志等［7］从机器人知识体系角度针对不同类型的高校提出相应的建设策略，此外，有学者对具体实验课程进行教学改革，如战强等［8］以“能力培养”的主导思想，从教学内容和方法等方面对机器人教学进行了改革，另有学者采用多种教学手段，以提高学生的学习兴趣和课程教学质量［9-10］。以上实践教学研究仍多以“教师为中心”，而缺少“以学生为中心”的教学思考。

“以学生为中心”（Student-Centered，SC）的教育理念改革始于20 世纪80 年代，席卷了美国所有高校，这场运动目前仍在继续。它提出新的教学范式，提高学生的学习能力，促进学生的发展［11-12］。SC模式特点是以学生发展为中心、以学生学习为中心、以学习效果为中心，即教师根据科学原理、针对学生学习特点与困难，引导学生积极投入，让学生成为整个学习活动的中心，以学生能力培养为导向，最终实现学生学习成效的最优化。

基于SC教学理念，以我校机器人专业为例，针对创新实践类课程面临的问题，提出了具体教学改革措施及效果评估，在“产教融合，校企合作”建设途径基础上，从课程内容设计、教学模式探索、实验平台建设3 方面探讨创新实践课程设计策略，以满足新工科背景下创新人才培养的要求。

1 实验课程建设难点

（1）创新性的综合实验案例不完善。传统意义上认为实验教学是理论教学的辅助教学部分，通常几个学时，以验证性实验为主。但是机器人创新综合实践课程是独立实验课，共计48 学时，涉及多个学科。因此，该专业综合实验教学必须转变理念，在夯实专业综合实验基本技能的基础上，加强综合性、设计性实验，实施自主开放的专业实验教学模式。由于国内机器人专业建设尚处于探索阶段，综合性、创新性的实验案例不足，成为亟待解决的关键问题之一。

（2）学科交叉的知识构成导致教学难度增大。一般实验课开设在理论课程之后，认为学生先具备理论基础知识，才能开展实验。但是对于交叉学科而言，在所有涉及知识点的理论课都结束再进行实验，会导致实验课开设过晚，时间上落后于机器人相关比赛，影响学生积极性。因此，综合创新的实践项目需要师生共同努力，适应“做中学”常态化。实验指导教师既有多学科知识储备，又要有较强动手能力；学生也需要从被动到主动学习，从单科到多科自主学习的转变［13］。

（3）考核形式有待改进。传统实验课的考核是通过既定格式的实验报告来完成，但对于综合性较强的机器人专业学生，单一的考核形式显然不能满足要求。机器人专业更注重实践能力，能否完成既定设计目标，如机器人制作情况、功能完成度、设计中体系的创新度等，将过程性评价纳入考核能够对学生学习成效进行更真实全面的反馈。

2 SC理念下多方协同的机器人专业创新综合实践课程设计

基于SC 理念，对我校机器人工程专业机器人创新设计与综合实践系列课程的内容设计、教学模式探索、实验平台建设3 个维度进行了全面、深层次的研究。

2.1 覆盖本科全程的项目式系列实践课程内容设计

图1 所示为课程知识体系架构，机器人创新设计与综合实践系列课程分为上、下两个阶段，创新设计与综合实践（上）面向大一、大二学生，完成基础机器人的制作，以项目形式开展，应用机械套件搭建本体结构、TTL传感器应用、电机控制及Arduino 控制程序的编写。项目开展期间学生知识储备有C 语言程序设计、控制技术、机械设计基础。项目层层递进，由扫地机器人、循迹机器人至擂台机器人。创新设计与综合实践（下）面向大三、大四学生，完成特定功能的中高级智能机器人的应用。仍以项目形式开展，项目开展内容包括移动底盘结构设计、ROS（Robet Operating System）主流操作系统、机械臂的正、逆运动学建模、SLAM（Simultaneous Localization and Mapping）导航技术及机器视觉算法。项目开展期间学生理论基础包括机器人学、机器人结构设计基础、嵌入式系统及机器人视觉。项目包括清洁机器人、室内巡检机器人、自动跟随等，也可自拟题目或结合大赛选题。

图1 创新实践系列课程架构

2.2 以学生为中心的多手段融合互动立体化教学模式

（1）SC理念下融合项目教学法、同伴教学法及探究式教学法等多手段教学方法。教师要以学生为中心，把学习机会尽可能留给学生，培养学生自学能力，教师要始终考虑的是如何帮助学生学习，如何为学生学习提供组织、引导、帮助和“脚手架”（包括必要的讲授）［14］。创新实践系列课程分小组完成，每组3 人。首先，教师建立资源库，整合每个实践项目的知识点。领取项目后，学生需自行完成资源库预习，根据自身知识结构自学，课内学时中教师通过引导式教学来完成知识点的重点讲解。此外，课上通过小组讨论及师生讨论促进学生对项目的理解。最后，创新设计与综合实践（上）以擂台机器人项目课内擂台赛的形式呈现，学生表现出对新知识、新技术的极大兴趣，花费了很多时间在课后讨论、调试。创新设计与综合实践（下）课内学时结束后，学生选题结合SRTP（大学生科研训练计划）创新平台继续开展项目，作为相关机器人比赛的项目孵化基础，达到持续贯通目的。

（2）建立线上课程辅助学习平台，发挥教学资源库辅助教学的作用。使用“云班课”作为线上辅助学习平台，能上传资料、线上开课时辅助签到、课后作业提交和评分。教师将整合的知识点及每个项目涉及的详细资源都存储在资料库中，内容包括视频、PPT、指导书、硬件使用资料和代码例程等。学生通过该平台有针对性地预习；通过线上查阅资料，分组讨论、与老师互动，并与小组成员共同完成后，在系统上提交视频和项目报告书，项目完成形式更加开放和自主。

（3）持续优化改进教学项目内容。对于新兴交叉专业的建设，要有不断完善改进教学项目或方式的心理预期。首先，紧跟行业动态，与企业保持沟通，持续不断地将机器人领域最新的实验项目和技术动态引入教学中，使学校教育紧跟产业技术需求［15-16］；其次，收集来自学生的反馈意见，从对教师的教学建议中完善教学的不足，思考如何改进方式方法。

（4）引入多方资源，建立多方协同育人机制。将多方资源引入创新实践系列课程教学，从学校、企业、多元化社会主体、政府4 个层面拓展资源，借助学校相关优势学科、平行学院、前沿企业汲取优秀实验案例，借助教育部协同育人平台，产教深入融合，参与课程大纲讨论、教学实践项目的内容、实践基地建设、参与项目和大赛的课外指导及师资培训。图2 所示为我校创新实践课程产学合作的具体框架，课程组教师和企业共同开发自制设备已在其他实验课中应用，校企合作共同编制校内讲义和规划教材，企业捐赠ROS移动底盘平台，将教学内容与企业对人才的诉求相结合，建立长效化的校企合作机制，形成共赢局面。

图2 多方协同育人框架

（5）完善教学评价体系。SC 理念更注重学生的学习效果，与传统单一的考核形式相比，应构建以学习效果为中心的教学评价体系。对学生的考核包括项目考核和过程考核两部分，项目考核中突出学生动手实践能力考察，如机器人功能的完成度、项目总结的实践反思，有助于提高学生的综合实践能力与技术水平的提升。二是将过程考核纳入到学生考核中，如项目中个人的贡献，包括开放实验室的出勤、方案技术的检索查新、课上方案讨论互动、队员间的沟通协调工作。此外，将学生对课程的反馈纳入教学评价，促使教师对教学不断完善与反思。

2.3 开放性实验项目平台建设

机器人创新系列实践课程离不开硬件设备支持，硬件平台随不同的实验项目也有所区别。例如，基础机器人制作涉及机械构件、传感器、控制开发板、电动机等一些小件，按组分发给学生，并开放实验室，学生可获得更高的自由度来开展实验项目。STM32 控制板、智能底盘、深度相机、激光雷达等设备根据学生比赛需求，开放共享给学生。其次，中高级的机器人项目在课内学时结束后仍可以继续，结合SRTP 创新项目及各类大赛题目开展实验活动。依托该课程，组织学生参加机器人专业相关比赛，以提高学生的学习热情，培养其探索与创新的能力。此外，依托校企实践基地开展学生进企业参观实习，与企业工程师进行直接交流，获得直观的感受和专业学习建议。

3 实践效果

我校机器人工程专业每年招收一个试验班，共计30 人，该创新实践系列课程已经在2018 级学生实施完成。通过对2018 级学生实践项目效果和评价反馈对该课程建设成效进行分析。

3.1 实践项目效果

擂台机器人项目以课内赛的形式展现，激发学生的项目热情，以赛促教，技术能力提升的同时学生也收获了实战经验。80%的学生将中高级机器人实践项目孵化为校内SRTP 创新项目，对科研产生了浓厚的兴趣。优秀学生在该创新实践项目的基础上，通过层层选拔进入校智能车队和校机器人队，并代表学校参赛，斩获2021 ROBOCON 全国大学生机器人大赛亚军、2021 全国大学生智能车竞赛冠军，并代表中国征战亚太大学生机器人大赛。学生累计获得“智能车”、RoboMaster、ROBOCON、高校智能机器人创意大赛等国家级奖项32 项，“挑战杯”首都赛区特等奖、“互联网+”大赛北京赛区二、三等奖在内的省部级奖项42项。4 年来，该试验班学生参加机器人相关的各级比赛，参与率100%，获奖率为100%。此外，基于创新实践项目，学生发表SCI期刊论文2 篇，EI论文1 篇，获批专利成果3 项。由此可见，“以学生为中心”的创新实践项目对创新人才的培养发挥了积极作用，学生自身各项能力得到发展，学习效果明显增强。

3.2 评价反馈

在学生对课程反馈上，问卷调查包括创新实践系列课程的整体以及过程评价的好评占比，包括线上资源库、机器人项目内容设计、教学模式、实验环境的评价的好评占比见图3。学生对教学模式评价最高，其次是实验环境和项目内容设计，线上资源库尚需完善。认为该教学模式能按照自身情况灵活选择开展时间，拥有令人满意的硬件配备和开放实验室，有了更强的学习意愿，动手能力的提高增强了其参加大赛信心。由此可见，SC教学理念下的实践课程建设得到了学生认可。

图3 创新实践系列课程调查的好评占比

4 结语

机器人工程专业以培养适合产业发展的创新人才为目标，多学科交叉融合，在课程设置上相比传统工科专业具有更强的实践性、综合性、创新性。机器人创新实践系列课程正是顺应培养目标而设立的实践教学课程。该系列课程引入“以学生为中心”的教学理念，针对目前新专业实践教学中存在的问题，在尊重学生学习的规律和特点基础上，引入企业最新优秀案例，革新课程内容设计，以项目形式覆盖本科全程来组织课程教学。结合线上资源库，融合探究式、同伴式等多手段教学方法，产教深度融合，构建合理的教学评价体系，实行以学生为主体，多方协同育人的教学模式。教学中将项目任务留给学生，而教师只扮演设计者、组织者、引导者，为学生学习提供组织、引导、帮助和“脚手架”。实践证明，“以学生为中心”的交叉学科课程设计充分调动了学生学习的积极性，提升了其创新能力与综合实践能力，符合对新工科背景下高校创新人才培养的要求。