适应新工科与工程能力培养要求的机器人技术实践教学模式探索

王杨 陈以农 姚光顺

摘要：随着人工智能技术的兴起，机器人技术这门课在很多本科高校开授，但在教学过程中存在理论内容抽象，实验设备不足，学生兴趣不高等问题。滁州学院作为一所地方应用型本科院校，在适应新工科与工程能力培养背景下，结合专业人才培养方案，以“培养学生实践能力”为出发点，从机器人技术实践课程的教学内容、教学方式、实验项目以及以赛促学等方面进行改革，经过两年的探索，有效地提高了学生学习该课程的兴趣，增强了学生实践动手能力，激发了学生创新意识。

关键词：人工智能;机器人技术;新工科;创新意识

中图分类号：G642 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2020）03-0161-03

1 概述

2013年德国率先推出“工业4.0”计划之后，美、日、韩等国也陆续发布了自己国家的制造战略计划[1]。随后，2015年我国提出了“中国制造2025”计划，实现中国制造业强国的战略由“三步走”来完成[2]。为了更好地支持国家完成这一发展计划，我国高校要能够培养出有创造力、有良好工程意识和创新能力的毕业生[3]。因此，教育部在2017年提出“新工科”建设相关计划，这对全国参与新工科建设的应用型本科院校在人才培养上提出了新的要求：①要求各院校积极参与新工科建设，培养适应国家产业发展需要的人才;②對传统工科专业进行升级改造，对目前的人才培养方案培养进行革新，培养出适应新形势下国家需要的人才[4-5]。滁州学院于2018年起积极开展以新工科为主题的教学研讨会，邀请国内专家做报告并与学校老师交流互通，帮助老师更好地理解这一建设计划。其中，计算机科学与技术专业紧跟这一建设计划，对所属课程的教学方式方法进行改革创新，以适应新工科与工程能力培养要求。本文是对机器人技术实践课程进行教学模式改革探索。

2 应用型本科院校机器人技术实践课程现状与困境

2.1 现状与背景分析

随着科技的快速发展和经济全球化的进行，在校大学生对新知识的渴求以及社会对新型人才需求的提高，用人单位对大学生提出的要求越来越高[6]。要求大学生既要具有较扎实的理论基础，又要兼具一定的实践能力;也就是五大能力、三大基础[7]。机器人技术实践课程的开设正是有利于培养学生达到上述目标，机器人技术实践课程教学对培养学生具有良好的工程意识、创新以及创造力具有重要意义，目前国内外很多知名高校都将机器人教育和工科实践紧密结合，以机器人硬件平台作为载体，开展工程实践教学，提高相关专业学生的工程设计能力和创新能力[8一9]。

2.2 课程现状与困境

目前滁州学院的机器人技术实践课程开设在第五学期，每届选修该课程的学生数在120名左右。教学大纲要求通过该课程的学习，真正掌握机器人组件的搭建与运动及感知原理，从而培养学生在机器人开发过程中之任务分析、问题解决与创新实践等能力。该课程理论内容抽象，项目验证性较多，综合度不够，讲授这门课程的师资力量薄弱，教师的工程实践能力不强，教师在这种实践性很强的课程教授中与基础大课的教学方式混同。因此原有的教学过程并没有完全达到教学大纲的要求。因此，为了更好地适应新工科背景下，对学生工程能力培养的要求，该课程教学模式改革迫在眉睫。

3 滁州学院在机器人技术实践课程的探索

3.1 更新授课方式（建立完善“第一课堂”）

因为该课程设置在大三，学生具有一定的编程基础，因此将传统的理论知识讲解加上实验课程验证的授课模式更新为以机器人应用项目设计和编程为主导，让学生了解工程应用项目的设计过程。使学生了解专业相关知识并在机器人应用项目中实践。使学生对该课程感兴趣，有信心，并学会以计算思维的方法解决程序设计和应用的问题。具体为：

（1）推广VIPLE（Visual IOT /RoboticsProgramming LanguageEnvironment）实践平台的使用[10]。该平台由陈以农教授团队研发，功能强大，支持多款机器人硬件平台的开发（如图1所示）。可以将信息学院机器人实验室中的多款设备整合到该平台中，避免目前各设备之间不通用的问题，提高设备的使用效率。同时该平台是可视化编程，使工作流的概念和结构变得更易于人类的构建和理解。

（2）设计好机器人技术实践课程的阶段性实验项目和综合性实验项目，教师需要分析这些项目的需求、总体设计思路、并讲授所需要的知识点。先分阶段性完成一个个实验任务，最终让学生完成综合性实验任务，以此让学生体会并掌握工程设计过程，如图2所示。

（3）建设开放式实验模式，在任课老师帮助下，实验项目可以培养学生的独立思考能力和工程思维、工程经验，提高人才创新能力培养效果，同时，要重点考虑到工程实践基础内容，不要因为注重创新而忽视培养基础能力。因此在第一课堂中包含了初、中级基础实践训练内容，可以面向大一新生作为导论课来授课，只是更加强调学生的分析和创新，而不仅仅是实践操作。并且本阶段培养出的优秀学生可以直接作为参加地方性、全国性机器人竞赛的基础力量。

3.2 引入课外活动（建立完善“第二课堂”）

第二课堂主要让学生参加各类机器人技术竞赛，通过比赛促进教学质量、促进学习质量。积极地为学生提供机器人竞赛所使用的各类设备和师资条件。比赛会很好地锻炼学生的动手能力、组织能力、协调能力、临场应变和突发问题处理能力等重要的工程素养。机器人技术实践课是一种综合性课程，所涉及的理论知识主要有C语言、电路分析、模拟电子、数字电路、信号与分析、单片机原理与应用、电子系统设计技术、自动控制原理、传感与检测技术、电源技术、机器人控制等理工科基础课程及专业课程，通过课外比赛活动将第一课堂所学的内容用到实战中去，让学生不仅学了，还要会用。

3.3 参加社会实践（建立完善“第三课堂”）

第三课堂主要是进行校企合作以及和陈以农教授机器人实验室合作。由于组织学生参加中国机器人大赛和安徽省机器人大赛需要，学院与北京博创尚和科技有限公司、合肥凌翔信息科技有限公司这两家机器人技术研发实力较强的公司建立了长期合作关系，并在此基础上跟这些公司联合申报了有关机器人技术实践方面的创客项目。由公司提出需求，将部分机器人设计任务（所有硬件的设计、程序的编写）交给我们学生来完成。在设计过程中遇到所有的问题，公司都会派出专门的技术人员帮助老师和学生来解决。最后设计出来的机器人，经过公司验收过后，被公司收购。公司将收购的机器人销售获取盈利，然后支付给学生相应的报酬;并支持老师和学生申报了软著和专利等。另外跟美国亚利桑那州立大学陈以农教授的机器人实验室合作完成一些综合性的实验项目，如下表1所示。第三课堂主要让学完相关理论知识和掌握工程设计过程的学生去实战，并通过这种方式极大地提高了学生解决实际问题的能力。

3.4 改革考核方式

该课程原考核方式是期末闭卷考试，将理论知识点整合成一张试卷，学生考试完成。这种考试方式使得部分平时不学习的学生，在期末来临时，死记硬背，为了考试通过而被迫学习。这种考核形式对这门实践性很强的课程来说，会忽略学生平时成绩和创新能力，不能适应应用型人才培养要求。应该把学生平时表现和期末成绩结合起来综合评价，总评成绩由平时成绩、实验成绩和期末成绩组成。占比构成为平时成绩20%，实验成绩30%，期末成绩50%;期末考试由纯粹理论测试转成综合实验项目设计，平时成绩评定包括作业、考勤、随堂测试等;实验成绩评定包括实验课考勤、实验项目完成情况打分等。这样的考核方式更体现出重在平时，淡化期末考试，更能考查出学生的真实水平，也一定程度上削弱了学生作弊的动机。同时为了更好达到以赛促学，以赛促教的目标，提高学生参赛的积极性以及培养学生的创新能力，学生在中国机器人大赛和安徽省机器人大赛中获得二等奖及以上，学生可以免试获取该课程学分，三等奖及以下，平时成绩直接为90分。考核方式的具体办法如下表2所示。

4 主要特色

（1）改进实践课的课程体系结构。实现主体为教师到主体为学生的教学意识改进，实现实践常态化的改变，实现理论工程化的改变，整个教学过程以工程设计思想贯穿其中。

（2）以三个课堂教学为主线。教学模式面向工程项目、面向真实应用，注重实践能力、团队能力的培养，将培养优秀设计师、工程师的思想贯穿整个课程体系和教学过程。在课程设置上体现了电子、信息、计算机、系统软硬件设计、单片机、嵌入式系统等方面的知识运用，使学生能够融会贯通本科所学知识，同时具有较强的实践能力与工程应用能力。

（3）加强校企合作。带领学生到有关机器人技术研发企业内参观学习和合作共同开发项目，来实现培养学生获取工程一线的实际工作能力，为学生高质量就业打下良好的基础。

5 结束语

机器人技术实践教学经过两年探索，以三个课堂融合机制整合VIPLE平台方式使该课程教学质量不断提高，有效地提高了学生学习该课程的兴趣。教学过程中通过三个课堂融合模式面向综合项目、面向真实应用，注重实践能力、团队能力的培养，将培养优秀设计师、工程师的思想贯穿整个课程体系和教学过程，使学生能够融会贯通本科所学知识，具备了较强的实践能力与工程应用能力。学生通过学习参加相关赛事的积极性也更高了，获奖成绩逐年提高，如下表3所示。学生毕业后具有较强的就业竞争力，得到了学生和就业单位的认可。综上，学院已经初步形成了较具特色的机器人技术实践教学模式。

参考文献：

[1]张波涛，王坚.机器人技术的实验教学改革与实践[J].实验技术与管理，2017，34（3）：199-201.

[2]王旭仁，冯安然，熊子晗.智能机器人技术及其仿真课程混合式教学实践与效果评估[J].计算机教育，2018，10（10）：33-36.

[3]王剑，马宏绪.关于本科教育机器人教学的思考[J].电气电子教学学报，201 1，33（2）：19-21.

[4]夏庆锋，丁尧，万凯.基于机器人竞赛的应用型人才培养初探[J].电气电子教学学报，2012，34（4）：60-61.

[5]胡红生，王娟，孙江等.机器换人产业背景下的地方高校应用型人才培养模式[J].实验室研究与探索，2016，35（3）：186-191.

[6]赵弘，赵毅鑫，机器人学课程教育方法的探讨[J].中国现代教育装备，2008（11）：81-83.

[7]邱麗梅.应用型本科院校机器人技术课程教学改革与实践[J].榆林学院学报，2015，3（25）：61-63.

[8]温宏愿，刘小军，倪文彬.应用型本科高校机器人创新人才培养模式探索[J].创新创业理论研究与实践，2018，9（17）：93-95.

[9]刘坤，刘娣，毕云蕊.应用型本科机器人专业课程体系建设的探索[J]中国现代教育装备，2018，8（295）：30-32.

[10]陈以农.基于IOT和机器人的可视化编程实践方法[M].北京：机械工业出版社，2017.