“四位一體”機(jī)器人實(shí)踐教學(xué)模式探索

謝應(yīng)孝 李云 劉玉良

摘 ?要：機(jī)器人實(shí)踐課程一個(gè)突出特點(diǎn)是多學(xué)科的融合，伴隨機(jī)器人專(zhuān)業(yè)的快速發(fā)展，原有的機(jī)器人實(shí)踐課程教學(xué)己無(wú)法滿(mǎn)足新要求，該文提出了“四位一體”機(jī)器人實(shí)踐教學(xué)模式。通過(guò)建立“學(xué)生社團(tuán)+基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)+實(shí)訓(xùn)+競(jìng)賽”一體化實(shí)踐教學(xué)體系，為機(jī)器人實(shí)踐教學(xué)改革提供了切實(shí)可行的改革思路與實(shí)施方案，達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生的綜合實(shí)踐及創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人 ?實(shí)踐 ?教學(xué) ?四位一體

中圖分類(lèi)號(hào)：TP242-4 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1672-3791（2021）03（a）-0057-04

Exploration of "Four in One" Robot Practice Teaching Mode

XIE Yingxiao ?LI Yun ?LIU Yuliang

（Zhejiang Ocean University， Zhoushan， Zhejiang Province， 316022 ?China）

Abstract：Multi-disciplinary integration is considered a prominent feature of robot practical course. The original robot practice teaching could not meet the new requirements with the rapid development of robots."Four in one" robot practical teaching mode was proposed in this paper. The practical reform ideas and implementation scheme for robot practice teaching reform was provided for practical teaching reform by integrating student associations， basic experiments， practical training and competitions to cultivate students' comprehensive practice and innovation ability.

Key Words：Robot; Practice; Teaching; Four in one

機(jī)器人教學(xué)實(shí)踐課程被現(xiàn)代教育學(xué)家認(rèn)為是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造力和想象力的有效活動(dòng)[1]。機(jī)器人實(shí)踐課程一個(gè)突出特點(diǎn)是多學(xué)科的融合，包括控制工程、機(jī)械工程、電氣工程、電子工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)等學(xué)科。通過(guò)機(jī)器人實(shí)踐課的教學(xué)，能夠很好地激發(fā)學(xué)生的綜合實(shí)踐及創(chuàng)新能力。伴隨機(jī)器人專(zhuān)業(yè)的快速發(fā)展，原有的機(jī)器人實(shí)踐課程教學(xué)以無(wú)法滿(mǎn)足新要求，因此在原有機(jī)器人實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容基礎(chǔ)上，進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)改革與探索十分必要[2]。為此，加強(qiáng)高校機(jī)器人實(shí)踐教學(xué)改革，有利于機(jī)器人專(zhuān)業(yè)發(fā)展、機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)的自主認(rèn)知和對(duì)當(dāng)前最新科技發(fā)展趨勢(shì)的掌握，更好地服務(wù)于國(guó)家與地方的產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，服務(wù)于中國(guó)制造2025的國(guó)家戰(zhàn)略[3]。

1 ?機(jī)器人實(shí)踐教學(xué)現(xiàn)狀及面對(duì)問(wèn)題

1.1 實(shí)踐教學(xué)研究現(xiàn)狀

大連理工大學(xué)通過(guò)建立深度廣度結(jié)合、軟件硬件結(jié)合、科技創(chuàng)業(yè)結(jié)合的“三結(jié)合”科學(xué)化教學(xué)體系，構(gòu)造“實(shí)訓(xùn)型”集約化教學(xué)平臺(tái)和“產(chǎn)、學(xué)、研”一體化教學(xué)鏈條，形成較完整的高校機(jī)器人創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)體系的改革[1]。

寧波大學(xué)開(kāi)展“以項(xiàng)目為導(dǎo)向”的實(shí)踐教學(xué)法改革與實(shí)踐，基于ROS實(shí)踐平臺(tái)開(kāi)展以項(xiàng)目為導(dǎo)向的機(jī)器人實(shí)踐教學(xué)，學(xué)生在完成項(xiàng)目過(guò)程中掌握專(zhuān)業(yè)知識(shí)并鍛煉解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力[4]。

西安交通大學(xué)提出多種實(shí)驗(yàn)形式結(jié)合、機(jī)器人機(jī)構(gòu)及控制等多方面相結(jié)合系統(tǒng)性地開(kāi)發(fā)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)。在教學(xué)方法與工程實(shí)際相結(jié)合，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注技術(shù)前沿，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)[5]。

嶺南師范學(xué)院構(gòu)建多維漸進(jìn)式機(jī)器人課程實(shí)踐教學(xué)體系，將實(shí)驗(yàn)教學(xué)、創(chuàng)客教學(xué)、競(jìng)賽教學(xué)和教學(xué)評(píng)價(jià)融于一體，理論與實(shí)際相結(jié)合，培養(yǎng)高質(zhì)量的機(jī)器人教育人才[6]。

重慶科技學(xué)院以機(jī)器人競(jìng)賽為主線開(kāi)展大學(xué)生創(chuàng)新性學(xué)習(xí)和實(shí)踐動(dòng)手能力的培養(yǎng)，提高學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的興趣、創(chuàng)新能力培養(yǎng)與科學(xué)研究的熱情[7]。

1.2 實(shí)踐教學(xué)中突出問(wèn)題。

1.2.1 各實(shí)踐環(huán)節(jié)“各自為戰(zhàn)”，缺少統(tǒng)一規(guī)劃與融合

不同的實(shí)踐環(huán)節(jié)由不同的指導(dǎo)教師制訂教學(xué)計(jì)劃，各環(huán)節(jié)間大家缺少溝通，致使不同實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)出現(xiàn)前后環(huán)節(jié)實(shí)踐內(nèi)容不銜接或?qū)嵺`內(nèi)容重復(fù)的現(xiàn)象。

1.2.2 學(xué)生普遍“走馬觀花”，激發(fā)不起興趣

學(xué)生進(jìn)行實(shí)踐時(shí)，由于機(jī)器人設(shè)計(jì)眾多專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域的融合，所以對(duì)機(jī)器人相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的缺失，再加上短時(shí)間自己動(dòng)手的實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生很難找到興趣點(diǎn)和切入點(diǎn)，多是為了分?jǐn)?shù)應(yīng)付實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，無(wú)功而返[8]。

1.2.3 授課形式單一

對(duì)于機(jī)器人實(shí)踐課程的授課形式目前是先由老師對(duì)實(shí)踐內(nèi)容的介紹，學(xué)生開(kāi)始實(shí)際操作，學(xué)生將實(shí)驗(yàn)成果讓指導(dǎo)教師檢查，最后上交實(shí)驗(yàn)報(bào)告。整個(gè)教學(xué)過(guò)程仍然學(xué)生重復(fù)實(shí)踐內(nèi)容形式單調(diào)死板，缺少探索與主動(dòng)解決問(wèn)題能力。這種單一的授課形式不能適應(yīng)機(jī)器人學(xué)現(xiàn)代教育教學(xué)的需要，遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于機(jī)器人技術(shù)的快速發(fā)展[9]。

我國(guó)高校的機(jī)器人實(shí)踐教學(xué)仍處于起步階段，仍然存在學(xué)科歸屬不清晰、教學(xué)體系不成熟等方面的問(wèn)題[10]，且大部分學(xué)校剛剛開(kāi)設(shè)機(jī)器人相關(guān)專(zhuān)業(yè)，與之匹配的實(shí)踐教學(xué)體系更是少之又少。為此，該研究將從實(shí)踐教學(xué)工作總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，提出“四位一體”機(jī)器人實(shí)踐教學(xué)模式，為機(jī)器人實(shí)踐教學(xué)提供借鑒[11]。

2 ?改革思路

由于機(jī)器人實(shí)踐教學(xué)可以將多領(lǐng)域多專(zhuān)業(yè)的融合，非常符合機(jī)器人專(zhuān)業(yè)的學(xué)科特點(diǎn)，因此對(duì)機(jī)器人實(shí)踐教學(xué)的改革更有利于機(jī)器人教學(xué)的發(fā)展。該文將對(duì)機(jī)器人實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中存在的問(wèn)題提出解決方法，并建立“四位一體”機(jī)器人實(shí)踐教學(xué)模式，從而達(dá)到培養(yǎng)機(jī)器人專(zhuān)業(yè)學(xué)生的實(shí)踐及創(chuàng)新能力，更好地服務(wù)國(guó)家創(chuàng)新發(fā)展的重要目標(biāo)。

2.1 “四位一體”實(shí)踐教學(xué)模式內(nèi)涵

“四位一體”實(shí)踐教學(xué)模式是將社團(tuán)、基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)、競(jìng)賽這4個(gè)實(shí)踐環(huán)節(jié)融為一體，打破原有的各實(shí)踐環(huán)節(jié)“各自為戰(zhàn)”現(xiàn)狀，將各環(huán)節(jié)統(tǒng)一規(guī)劃。實(shí)踐教學(xué)不僅是服務(wù)于理論教學(xué)，而是將所有實(shí)踐環(huán)節(jié)打通，形成一體化的實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)及完整的實(shí)踐教學(xué)體系。

2.2 實(shí)踐教學(xué)體系建設(shè)

建設(shè)綜合性、項(xiàng)目導(dǎo)向性、學(xué)科交叉性、自動(dòng)更新性的新型實(shí)踐課程群，將基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)、競(jìng)賽、社團(tuán)作為實(shí)踐環(huán)節(jié)統(tǒng)一規(guī)劃。

2.3 一體化實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)

整合各實(shí)踐環(huán)節(jié)的教學(xué)資源，建立各環(huán)節(jié)資源共享管理制度，加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)室的開(kāi)放功能，學(xué)生可以自主、充分地利用各實(shí)踐環(huán)節(jié)的實(shí)驗(yàn)資源，提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)與創(chuàng)新能力。

3 ?實(shí)施措施

3.1 建立一體化實(shí)踐教學(xué)體系

3.1.1 建立“社團(tuán)+基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)+實(shí)訓(xùn)+競(jìng)賽”一體化實(shí)踐教學(xué)體系

統(tǒng)一規(guī)劃各實(shí)踐環(huán)節(jié)的教學(xué)。以競(jìng)賽和創(chuàng)新項(xiàng)目為導(dǎo)向梳理出所需要的知識(shí)點(diǎn)，根據(jù)知識(shí)點(diǎn)的依賴(lài)關(guān)系分別設(shè)置不同實(shí)踐環(huán)節(jié)的教學(xué)內(nèi)容。在競(jìng)賽及創(chuàng)新項(xiàng)目的實(shí)踐中對(duì)新知識(shí)點(diǎn)的探索，并根據(jù)新知識(shí)點(diǎn)所涉及實(shí)踐環(huán)節(jié)的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行更新，更新的實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容對(duì)新知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行訓(xùn)練與完善，使各實(shí)踐環(huán)節(jié)形成閉環(huán)，構(gòu)成不斷自我更新與完善的一體化機(jī)器人實(shí)踐教學(xué)體系[12]。

3.1.2 建設(shè)開(kāi)放共享的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

對(duì)各個(gè)實(shí)踐環(huán)節(jié)的實(shí)驗(yàn)資源統(tǒng)一管理，提高實(shí)驗(yàn)資源的使用效率，加強(qiáng)設(shè)備及耗材的共享，避免重復(fù)購(gòu)買(mǎi)與浪費(fèi)。通過(guò)各實(shí)踐場(chǎng)地及設(shè)備的開(kāi)放加強(qiáng)各環(huán)節(jié)的合作與共享，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)一體化[13]。

3.2 學(xué)生社團(tuán)與機(jī)器人專(zhuān)業(yè)的融合

3.2.1 物質(zhì)保障

確保學(xué)生社團(tuán)活動(dòng)開(kāi)展的活動(dòng)場(chǎng)地及社團(tuán)活動(dòng)經(jīng)費(fèi)。獨(dú)立的場(chǎng)地可以為學(xué)生提供寬松自主的活動(dòng)空間。社團(tuán)經(jīng)費(fèi)用于購(gòu)買(mǎi)機(jī)器人技術(shù)所需的基本儀器及耗材。

3.2.2 功能提升

通過(guò)專(zhuān)業(yè)知識(shí)的引入、指導(dǎo)教師的輔導(dǎo)將學(xué)生社團(tuán)改造為學(xué)生自主實(shí)踐平臺(tái)及創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的孵化器。社團(tuán)通過(guò)定期組織科技活動(dòng)吸引低年級(jí)的同學(xué)加入社團(tuán)，新同學(xué)加入后，由老的社團(tuán)成員及指導(dǎo)老師對(duì)新社員進(jìn)行指導(dǎo)，以此增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐技能、科研能力及競(jìng)賽技巧。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的學(xué)習(xí)，根據(jù)新老成員的情況建立團(tuán)隊(duì)為各類(lèi)學(xué)生競(jìng)賽、學(xué)生項(xiàng)目及老師的科研項(xiàng)目注入新鮮的血液。同時(shí)，利用競(jìng)賽、科研項(xiàng)目等實(shí)踐環(huán)節(jié)資源反哺社團(tuán)的發(fā)展[14]。

3.2.3 學(xué)生團(tuán)隊(duì)建設(shè)

組建新老成員分布能力互補(bǔ)的學(xué)生團(tuán)隊(duì)。由于機(jī)器人涉及多領(lǐng)域多學(xué)科融合的技術(shù)特點(diǎn)，學(xué)生團(tuán)隊(duì)宜采用多年級(jí)、多專(zhuān)業(yè)、以老帶新的模式進(jìn)行組建。學(xué)生團(tuán)隊(duì)的建設(shè)可以充分發(fā)揮學(xué)生的自我管理與自我學(xué)習(xí)的優(yōu)勢(shì)。指導(dǎo)教師以學(xué)生團(tuán)隊(duì)為單位進(jìn)行指導(dǎo)，可以大大提高指導(dǎo)學(xué)生的效率。

3.3 廣覆蓋基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)

3.3.1 以項(xiàng)目為導(dǎo)向的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)置

梳理出實(shí)訓(xùn)、競(jìng)賽及創(chuàng)新項(xiàng)目相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，再根據(jù)各個(gè)知識(shí)點(diǎn)設(shè)置基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，并根據(jù)其他實(shí)踐環(huán)節(jié)的技術(shù)發(fā)展及時(shí)更新基礎(chǔ)實(shí)踐項(xiàng)目，同時(shí)充分利用線上資源擴(kuò)充基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。使基礎(chǔ)實(shí)踐環(huán)節(jié)廣泛地覆蓋各類(lèi)實(shí)踐環(huán)節(jié)所涉及的知識(shí)點(diǎn)和技術(shù)，為其他實(shí)踐環(huán)節(jié)提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[15]。

3.3.2 以基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放促進(jìn)實(shí)踐環(huán)節(jié)融合

除完成實(shí)踐計(jì)劃外，基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室應(yīng)加大開(kāi)放力度，使其他實(shí)踐環(huán)節(jié)遇到問(wèn)題隨時(shí)可以在基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室中尋找解決方案。通過(guò)實(shí)驗(yàn)室的開(kāi)放解決了不同實(shí)踐環(huán)節(jié)時(shí)間及空間上的壁壘，促進(jìn)各實(shí)踐環(huán)節(jié)的融合與統(tǒng)一。

3.4 以工程項(xiàng)目為導(dǎo)向的實(shí)訓(xùn)教學(xué)

3.4.1 實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的實(shí)施

實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目應(yīng)結(jié)合工程實(shí)際重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)綜合性。學(xué)生以團(tuán)隊(duì)為單位，自我分工共同完成實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目。實(shí)訓(xùn)過(guò)程指導(dǎo)教師首先介紹實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的應(yīng)用背;景以及所涉及的關(guān)鍵技術(shù)，在實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目進(jìn)行中教師分階段跟蹤各組的項(xiàng)目進(jìn)展情況，并對(duì)項(xiàng)目遇到的困難進(jìn)行指導(dǎo)，最后根據(jù)分組情況對(duì)學(xué)生進(jìn)行團(tuán)隊(duì)評(píng)價(jià)[16]。

3.4.2 實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的評(píng)價(jià)考核

實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的評(píng)價(jià)考核應(yīng)在實(shí)施過(guò)程中的每個(gè)階段任務(wù)完成后及時(shí)評(píng)價(jià)，最后再根據(jù)整個(gè)項(xiàng)目的完成情況給予評(píng)價(jià)。實(shí)訓(xùn)報(bào)告可參考技術(shù)報(bào)告為模板，對(duì)整個(gè)項(xiàng)目的背景、技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r、關(guān)鍵技術(shù)、主要研究?jī)?nèi)容等進(jìn)行介紹。通過(guò)完成實(shí)訓(xùn)報(bào)告增強(qiáng)學(xué)生的技術(shù)文稿的撰寫(xiě)能力，同時(shí)為其他實(shí)踐環(huán)節(jié)積累技術(shù)資料。

3.5 結(jié)合學(xué)生競(jìng)賽，全面提升學(xué)生綜合能力

積極引入機(jī)器人競(jìng)賽、電子設(shè)計(jì)大賽、機(jī)械設(shè)計(jì)大賽等學(xué)生競(jìng)賽，以賽促學(xué)。將各類(lèi)競(jìng)賽核心技術(shù)進(jìn)行整理，并融入到社團(tuán)、基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)的實(shí)踐教學(xué)中。推廣“以老帶新、學(xué)生團(tuán)隊(duì)”模式吸引大批學(xué)生參與競(jìng)賽。通過(guò)競(jìng)賽使學(xué)生在基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室、實(shí)訓(xùn)中心、社團(tuán)活動(dòng)場(chǎng)所以及科研實(shí)驗(yàn)室流動(dòng)，真正做到資源共享。定期通過(guò)競(jìng)賽或社團(tuán)舉辦校內(nèi)競(jìng)賽，將比賽情況作為他實(shí)踐環(huán)節(jié)考核的參考。將這4個(gè)實(shí)踐環(huán)節(jié)融為一體[17]。

4 ?結(jié)語(yǔ)

該文論述了機(jī)器人實(shí)踐教學(xué)工作的研究現(xiàn)狀及突出問(wèn)題，提出了社團(tuán)+基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)+實(shí)訓(xùn)+競(jìng)賽“四位一體”機(jī)器人實(shí)踐教學(xué)模式，為機(jī)器人實(shí)踐教學(xué)改革提供了切實(shí)可行的改革思路與實(shí)施方案。通過(guò)幾年的試行，學(xué)生社團(tuán)被評(píng)為校級(jí)優(yōu)秀社團(tuán);經(jīng)過(guò)“四位一體”實(shí)踐教學(xué)模式培養(yǎng)的學(xué)生積極參與機(jī)器人等各類(lèi)學(xué)生競(jìng)賽及科技創(chuàng)新活動(dòng)，取得較好的成績(jī);新增多個(gè)實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)中更加積極主動(dòng)完成實(shí)踐內(nèi)容，提高了學(xué)生的實(shí)踐及創(chuàng)新能力。

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