后疫情时代STEAM教育理念下的机器人学课程教学探索

任海川 王东署

摘要：在新冠疫情时起时伏、随时都可能规模性爆发的后疫情时代，如何推行与实施新工科的高质量教学，是教学领域的巨大挑战。教学上，新工科建设更加强调多学科的交叉、融合与实践。针对新工科对机器人学课程的新要求，本文对机器人学课程教学进行了基于STEAM教育理念的教学探索。注重机器人学课程多学科交叉的教学特点，突出课程泛在学习与个性化学习紧密结合，降低教学中的疫情风险，以期提高后疫情时代新工科人才培养质量。

关键词：后疫情时代 新工科 STEAM教育理念 机器人学 泛在教学 个性化学习

Exploration of Robotics Teaching under the STEAM Educational Concept

in the Post Epidemic Era

R EN Haichuan*  WANG Dongshu

（School of Electrical Engineering， Zhengzhou University， Zhengzhou， Henan Province， 450001 China）

Abstract： In the post COVID-19 era， which is going up and will be prone to the large-scale outbreak at any time， how to carry out and implement high quality teaching of new engineering is a great challenge in the field of teaching. In terms of teaching， the new engineering construction lays more emphasis on the intersecting， the integration and the practice of multiple disciplines. According to the new requirements of the new engineering course for Robotics， this paper explores the teaching of Robotics course based on the STEAM education concept. Emphasis should be paid to the multi-disciplinary teaching characteristics of Robotics courses， and the close combinations of the ubiquitous learning and the personalized learning should be highlighted to reduce these epidemic risks during the teaching process， so as to improve qualities of engineering talents training in the post epidemic era.

Key Words：  Post epidemic era; New engineering; STEAM education concept; Robotics; Ubiquitous teaching; Personalized learning

隨着国家“双一流”大学建设、“新工科”建设工作的全面启动，近3年来很多一流大学及高校高专纷纷成立机器人学院与机器人特色学科，培养高水平的机器人科技人才，满足国家对于机器人专业创新人才的迫切需求。机器人学是一门集电气、机械、自动化、计算机、数学、人工智能和工业设计等多学科交叉的综合性课程，用于培养学生通过数学、物理、艺术等多基础学科知识独立解决机器人相关科学、技术与工程问题的能力。机器人学课程教学因其学科的交叉性、融合性和实践操作性，被认为是融合STEAM（科学S、技术T、工程E、艺术A、数学M）教育的一条有效途径，它帮助教师将科学过程、技术素养、工程实践、艺术设计和数学素养置于学生理解的情境中，具有良好的教学研究与实践价值。因此，在STEAM教育理念下重新审视大学的机器人学教学，已成为当下新工科教育改革的研究热点。

2009年开始，美国麻省理工学院开设《认知机器人学》《机器人学导论》等课程，最先探索新型STEAM教育模式，其教学有着多种多样形式，主要有课外实践、实验设计、竞赛等[1-2]。日本、德国虽然起步比美国晚，但极其重视机器人产业化发展，结合自身实际，大学探索STEM教育，设立有机器人课程、机器人研究会以及教育协会，每年定期组织针对不同学龄学生开展的机器人教学与比赛，促进机器人教育的快速发展[3-4]。在“互联网+”的背景下，很多国内学校都开设有机器人相关教学课程，对机器人教育有了一定的研究成果。如清华大学、哈尔滨工业大学、北京航天航空大学等高校将机器人教育与STEAM教育在教学目标、内容及评价等方面进行了融合探索，阐述了机器人教学与STEAM教育融合的必然性，但机器人学课程设置、教学模式、资源整合等方面仍存在很多难题与挑战[5-6]，如机器人课程教学模式与内容相似，无法满足不同专业学生需求，且限制了教师创造性思维，不能很好激发不同专业学生对机器人学课程的学习兴趣;STEAM教育理念下机器人学课程移动式泛在学习与以学生为中心的个性化学习相融合的平台与实践严重缺失;特别是在新冠疫情时起时伏、随时都可能规模性爆发的后疫情时代，对在大学如何开展STEAM教育理论下的机器人学教学改革与实践，降低教学中的疫情风险，多方位提高机器人学教学质量与学生沉浸式泛在学习体验，提出了严峻挑战。本文将围绕STEAM教育理念，结合笔者所在院系（电气工程学院）专业实际情况，针对后疫情时代背景下的机器人学课程存在的问题进行分析，从教学模式、内容、手段等方面对机器人学课程改革与建设进行探索。

1 本院机器人学课程教学现状分析

为详细了解学生对机器人学课程的认识，笔者对本院已学过机器人学课程的相关学生（4个专业240余人）进行问卷调查。根据反馈的调查结果，主要存在以下问题。

1.1教学模式有缺点

机器人学课程教学一直沿用课堂教学讲授为主的模式，偏重理论，学生多为被动学习。而机器人学课程本身知识体系庞杂，涉及多学科交叉，覆盖机械、自动化、物理、数学、工业设计等多个领域知识。对于本院学生而言，平时课堂学习重点关注电学与控制科学相关，对机器人机构学等方面大都无实际经验，难于理解。另一方面，在新冠疫情时起时伏、随时都可能规模性爆发的后疫情时代，仅仅线下讲授教材内容未能与时俱进，难以在降低师生疫情传播风险的前提下，进一步提高教学质量。

1.2教学内容与实际应用有距离

本院机器人学课程除教学课时外无仿真实验与课程实践，教学内容单一，没能与实际应用相结合，无法满足不同专业学生（如本院相关专业）对机器人课程个性化教学、仿真实验与课程实践相融合的需求。学生上课积极性不高，对于课程内容学习不够深入，大多流于表面。

1.3教学手段与后疫情时代新工科人才培养的迫切要求有差距

新冠疫情给新工科教育教学与人才培养带来了巨大挑战，急需采用4G/5G等先进互联网技术，在后疫情时代实现机器人学课程的线上与线下混合教学融合，提供给学生沉浸式的泛在学习体验，真正实现任意地点、任意时间的个性化学习，降低师生疫情传播风险。而现有的教学手段与人才培养方法还不能很好地满足后疫情时代新工科人才培养的要求，存在较大差距。

2 机器人学课程改革探索

针对上述后疫情时代背景下机器人学课程教学过程中存在的问题，笔者结合学校学院教学改革，以与所学专业良好结合，同时兼顾学生实际需求，提高课程的实用性为目标，以期建立STEAM教育理念下的机器人学课程教学体系及模式。具体拟从以下几个方面对机器人学课程教学改革进行探讨。

2.1 构建机器人学课程移动泛在教学平台

通过超星学习通、雨课堂、钉钉等软件建立机器人学课程移动泛在教学平台，包括机器人学课程在线考勤、离线课程讲解、在线课程讲解与复习、课程讨论、课件分享、课程题库、在线预约、学生分组与自评等功能，可实现在手机或移动端（平板等）的机器人学课程线上教学、翻转教学、离线学习、分组讨论与自评以及线上作业，在后疫情时代保障教学质量的前提下，降低师生疫情传播风险，也为教师和教育管理者提供更灵活、更安全的教学和管理方法。此外，该平台也可满足参与学生多元化的实际需求，达到个性化教学的目的。

2.2 探索以学生为中心的后疫情时代机器人学课程个性化教学、仿真实验与课程实践融合

以不同专业学生需求为出发点，探索制定不同层次的机器人学课程教学内容与策略及个性化教学评价方法。依托构建的机器人学移动泛在教学平台，下发STEAM教育理念下的在线调查问卷形式，结合学生自评，充分掌握机器人学课程的个性化学生需求，智能推荐满足不同专业学生需求的教学模式、内容、策略与评价方法，并进行学习讨论分组，便于机器人基础知识、虚拟仿真实验与实验室实践的学习、交流与安排;师生也可通过自主沟通，优化相应的机器人课程教学模式、内容、策略与评价方法，更好地满足学生个性化学习要求。同时以学生为中心，采用STEAM教育理念下的在线学习、翻转教学、離线学习、分组讨论与自评、线上作业等多种模式，实现学生对于机器人基础知识的个性化教学，不同小组或在不同时间参与课程的同学课后作业布置不一样，避免学生抄袭，提高学生自主学习能力。基于MATLAB、ROS等仿真软件搭建机器人虚拟仿真实验平台，并与电气工程学院下属的机器人感知与控制河南省工程实验室现有开源机器人系统（如越疆教育机器人平台、先锋AGV、dSPACE等）实现软硬件集成，为学生机器人课程的仿真实验与实验实践提供平台;根据上述的学生学习讨论分组情况，通过机器人学移动泛在教学平台的在线学习、分组讨论与自评、在线预约功能，师生可更加合理规划线下的机器人学课程仿真实验与实验实践教学，在保障课程教学进度的前提下，实现人员分批分流，降低疫情传播风险，满足不同学生实际需求，提升教师线下教学效率。最终实现以学生为中心的机器人学课程个性化教学、仿真实验与实验实践融合发展，提升现有机器人学课程学习的多样性、趣味性、参与学生的多元化，培养不同专业学生综合素质。

2.3 实践STEAM教育理论下的机器人课程线上线下混合沉浸式教学

以构建的机器人学移动泛在教学平台为基础，基于4G/5G等互联网技术，可实现移动泛在学习的高质量学习资源（如高清音视频图像）的可靠传输，实践后疫情时代机器人学课程线上线下混合教学，使学习空间（包括物理空间之间、物理空间与虚拟空间等）融合，促进学生在正式/非正式情景中的自主学习、团队协作，无缝感知，使个体学习、协作学习、集体学习在虚实空间中随时随地发生，提供学生沉浸式泛在学习体验，实现随时随地个性化学习，激发其学习兴趣，培养学生自主学习与动手能力。

3 结语

后疫情时代背景下，机器人学课程作为新工科专业开设的核心基础课程面临新挑战。本文结合笔者的实际教学经验，以STEAM教学理念指导电气工程学院的相关专业机器人学课程改革。通过分析机器人学教学存在的若干问题，结合本院专业特色，构建机器人学课程移动泛在教学平台，探索后疫情时代STEAM教育理念下的机器人课程教学内容、手段与方法，实践STEAM教育理念下的机器人课程线上线下混合沉浸式教学。通过此次机器人学教学改革探索，可提供学生沉浸式泛在学习体验，实现随时随地个性化学习，提升机器人学课程学习的多样性、趣味性、参与学生的多元化，培养不同专业学生的综合素质，降低教学中的疫情风险，以期提高后疫情时代新工科人才培养的质量。

参考文献

[1] 王益，张剑平.美国机器人教育的特点及其启示[J].现代教育技术，2017（11）：108-112.

[2] 赵慧臣，周昱希，李彦奇，等.跨学科视野下“工匠型”创新人才的培养策略——基于美国STEAM教育活动设计的启示[J].远程教育杂志，2019，35（1）：94-101.

[3] Perignat E， Katz-Buonincontro J.STEAM in practice and research： An integrative literature review[J]. Thinking Skills and Creativity，2019，31：31-43.

[4]冯冬雪.STEM教育的国际比较研究[D].新乡：河南师范大学，2018.

[5]吴振宇，刘禹彤，冯林.机器人实践教学体系改革探索[J].实验室研究与探索，2018，36（6）：192-195.

[6]马云霞.STEAM教育理念下师范院校机器人教学实践研究——以《人工智能》机器人实验课为例[D].西安：陕西师范大学，2017.

中图分类号：TP242.2-4;G642.4 DOI：10.16660/j.cnki.1674-098x.2107-5640-9452

通信作者：任海川（1984—），男，博士，副教授，研究方向为机器人设计及智能控制。E-mail：haichuan.ren@zzu.edu.cn。

作者简介：王东署（1973—），男，博士，副教授，研究方向为机器人智能控制 。

E-mail：wangdongshu@zzu.edu.cn 。

基金项目：河南省教研项目（项目编号：2019SJGLX194）;国家自然基金青年项目（项目编号：61803344）。