應(yīng)用型本科院校機器人類課程教學(xué)研究

［摘 要］ 教育是一國發(fā)展的重中之重，高校的發(fā)展更是代表了一國的教育質(zhì)量與教育水平。近年來，人工智能越來越多地被運用到醫(yī)療、教育、軍事等各個領(lǐng)域，給人類帶來了極大的便利。相對于學(xué)術(shù)型本科院校教育，應(yīng)用型本科院校教育為適應(yīng)我國經(jīng)濟發(fā)展，對高素質(zhì)應(yīng)用型人才培養(yǎng)的需要和推動我國教育大眾化進程發(fā)揮了積極的促進作用。面對人工智能技術(shù)的興起與廣泛應(yīng)用，應(yīng)用型本科院校教育行業(yè)工作者應(yīng)當(dāng)抓住機遇，變革傳統(tǒng)教育觀念，創(chuàng)新教學(xué)方式，推動應(yīng)用型本科高校教育事業(yè)的改革和發(fā)展。分析了應(yīng)用型本科院校開展機器人類課程教學(xué)研究項目的先進性，以及應(yīng)用型本科院校教育中機器人類課程教學(xué)的意義，最后探討了提高機器人類課程教學(xué)質(zhì)量的途徑，希望能夠?qū)ο嚓P(guān)工作者有所啟發(fā)。

［關(guān)鍵詞］ 應(yīng)用型本科院校教育；機器人類課程；教學(xué)意義；達(dá)成度分析；教學(xué)途徑

［基金項目］ 2019年度江西省教育廳科技重點項目“基于視覺機器人目標(biāo)識別定位關(guān)鍵技術(shù)研究”（GJJ190941）；2017年度國家自然科學(xué)基金資助項目“類人雙臂移動機器人整體性運動規(guī)劃及基于圖像和深度信息融合的目標(biāo)抓取機理研究”（61763032）；2021年度江西省教育廳自然科學(xué)基金項目“風(fēng)電葉片多激勵雙自由度疲勞加載系統(tǒng)機電耦合動力學(xué)研究”（20212BAB204039）；2023年度江西省科學(xué)教育學(xué)會在校研究生課題“多傳感器信息融合的移動機器人目標(biāo)識別跟蹤研究”（2023KXJYS069）；2023年度瑤湖學(xué)院學(xué)生創(chuàng)新基金項目“面向協(xié)同跟蹤任務(wù)共融類人機器人運動優(yōu)化研究”

［作者簡介］ 王紅星（1973—），男，江西鄱陽人，工學(xué)博士，南昌工程學(xué)院機械工程學(xué)院副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事機器人研究；吳歡娣（1990—），女，江西豐城人，碩士，南昌工程學(xué)院圖書館館員（通信作者），主要從事圖書檢索和機器人外語研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標(biāo)識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2024）38-0153-04 ［收稿日期］ 2023-05-26

引言

21世紀(jì)是快速變化的時代，是一系列新政策、新理念、新想法層出不窮的時代，不僅極大地改變了社會的生產(chǎn)方式，也使我們的生活發(fā)生了翻天覆地的變化。在多元化的時代，不得不提的也是時下熱門的一個詞就是人工智能。所謂人工智能（artificial intelligence， AI），其實是由計算機科學(xué)領(lǐng)域奠基人圖靈提出的概念，是研究、模擬、延伸、拓展人的智慧的一門技術(shù)學(xué)科。人工智能主要由傳感器及建立在傳感信息基礎(chǔ)上的相關(guān)智能軟件組成，包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、機器學(xué)習(xí)和專家系統(tǒng)等。信息化是人類發(fā)展不可逆轉(zhuǎn)的時代潮流，應(yīng)用型本科院校機器人類課程的繁榮也絕非天方夜譚［1］。應(yīng)用型本科院校注重學(xué)生理論與實踐知識相結(jié)合的能力，其核心環(huán)節(jié)以實踐教學(xué)和項目研究為主。作為以實踐為主、理論與實踐結(jié)合緊密的機器人類課程，較為適合應(yīng)用型本科院校的設(shè)立和發(fā)展。站在新時代的起點，面向嶄新的社會形勢，我們能做的就是大力推進應(yīng)用型本科院校機器人類課程的發(fā)展與興盛。因此，探討應(yīng)用型本科院校教育中機器人類課程的教學(xué)現(xiàn)狀及其途徑就成為值得研究的一項課題。

一、教學(xué)研究項目的先進性

從1956年提出人工智能學(xué)科開始，人工智能學(xué)科得到了巨大的發(fā)展，并逐步形成了一個廣泛的交叉領(lǐng)域與前沿科學(xué)體系。在信息化的21世紀(jì)，人工智能更是掀起了一股熱潮，許多高校陸續(xù)開設(shè)了人工智能學(xué)科［2］。智能機器人是一個集機器人環(huán)境感知認(rèn)知、機器人控制、智能決策的平臺，其中環(huán)境感知認(rèn)知包括傳感器、信號采集與處理、目標(biāo)識別、環(huán)境建模和理解、感知信息融合等內(nèi)容；機器人控制包括運動控制、操作控制、多目標(biāo)協(xié)調(diào)控制等相關(guān)內(nèi)容；智能決策包括策略與決策、行為規(guī)劃、情感決策、機器學(xué)習(xí)、群體智能、合作與協(xié)調(diào)等相關(guān)內(nèi)容。智能機器人涵蓋了經(jīng)典控制論、運籌學(xué)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊理論、圖像處理與分析、模式識別、人工智能等相關(guān)理論［3］。

機器人的發(fā)展，特別是智能機器人的發(fā)展更是日新月異。人工智能與機器人這兩個學(xué)科在理論上與實踐上的結(jié)合，將會取得一種理想的效果，一個智能系統(tǒng)必須取得其工作環(huán)境和內(nèi)部參數(shù)的各種信息，實現(xiàn)人、機和環(huán)境的相互作用，成為共融性機器人，以實現(xiàn)特定的任務(wù)。智能機器人正好是人工智能的一個載體，它為人工智能的教學(xué)提供了一個直接和感性的工具。因此，可以毫不夸張地說，應(yīng)用型本科院校機器人類課程對課堂質(zhì)量的提升大有裨益，對學(xué)生的未來發(fā)展具有不可小覷的意義。

二、應(yīng)用型本科院校開設(shè)機器人類課程的意義

目前，盡管應(yīng)用型本科院校機器人類課程正在如火如荼地開展，但是，部分高校在面對機器人類課程時持懷疑的態(tài)度，沒有意識到在應(yīng)用型本科院校教育中開展機器人類課程的重要意義。筆者認(rèn)為，應(yīng)用型本科院校教育中機器人類課程的開設(shè)具有如下優(yōu)勢。

（一）有助于教學(xué)研究

機器人教育是實踐與理論的結(jié)合體，既能夠有效地鍛煉學(xué)生的邏輯思維能力，幫助學(xué)生培養(yǎng)探究能力，又能夠發(fā)揮學(xué)生的自我個性，全方位地提高學(xué)生的思考能力。此外，不論是搭建機器人，還是使用機器人的過程，都是一項協(xié)調(diào)眼、手、腦的活動，通過這些活動，可以將教師與學(xué)生聯(lián)系起來，教師可以在與學(xué)生接觸的過程中明確學(xué)生存在的問題，并逐漸摸索出適合的教學(xué)方式，從而促進機器人類課程質(zhì)量的提高，并將其融入其他課程。

（二）有助于提高學(xué)生對本學(xué)科的興趣

學(xué)生可能在理論學(xué)習(xí)方面的能力較強，但是在實踐方面的能力相對比較薄弱，創(chuàng)新能力欠缺，學(xué)習(xí)興趣不足。機器人類課程的開設(shè)則在一定程度上解決了該問題。相信每一名學(xué)生都不會對機器人教育有抵觸心理，因為學(xué)生的好奇心會讓他們對這些科技產(chǎn)物產(chǎn)生無窮的探索欲與求知欲。科技的海洋無邊無際，學(xué)生的好奇心永遠(yuǎn)都能夠保持下去，他們的學(xué)習(xí)興趣也會隨著好奇心而不斷增強。

三、貫徹落實應(yīng)用型本科院校教育中機器人類課程開設(shè)的必要性

（一）契合相關(guān)文件的要求

國家出臺過很多相關(guān)文件對教育進行規(guī)范和引導(dǎo)，其中包括《中國學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)（征求意見稿）》提出的“核心素養(yǎng)”。此外，2017年，國務(wù)院印發(fā)的《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》提到，要開辟專門渠道，實行特殊政策，實現(xiàn)人工智能高端人才精準(zhǔn)引進。在中小學(xué)階段設(shè)置人工智能相關(guān)課程，盡快建立人工智能學(xué)院，增加相關(guān)博士、碩士招生名額。應(yīng)用型本科院校機器人類課程則完全契合國家對學(xué)生核心素養(yǎng)的要求。機器人類課程有利于培養(yǎng)學(xué)生鮮明的形象思維和豐富的想象力，而且機器人類課程常常是基于團隊合作完成的，有利于增強學(xué)生的團隊合作意識與能力。學(xué)生在相互合作的過程中，不同的觀點與意見相互碰撞，又產(chǎn)生新的觀點，“頭腦風(fēng)暴”式的討論對學(xué)生思維能力的發(fā)展十分有利。

（二）應(yīng)用型本科院校教育現(xiàn)狀存在的問題要求貫徹落實機器人類課程

個性化學(xué)習(xí)是近年來使用非常普遍的教學(xué)方法，它通過結(jié)合各個學(xué)生的特征與能力，制訂出相匹配的應(yīng)對方案。然而，要徹底實現(xiàn)以學(xué)生為核心的教學(xué)，就必須對長期以來以教師為核心的教學(xué)方式進行改革。說起來容易，但真正實施起來卻面臨諸多的困難與挑戰(zhàn)，特別是對有著寶貴經(jīng)驗和一定實施成效的資深教師來說。我們往往可以看到，在課堂教學(xué)過程中教師很容易受限：一是習(xí)慣于傳統(tǒng)教育觀念，在上課時教師很容易落入“填鴨式”的教學(xué)弊端；二是存在教師面對多種多媒體工具使用不熟悉、態(tài)度不夠端正的問題。21世紀(jì)是信息多元化的時代，多媒體教學(xué)顯然已經(jīng)成為這個時代的主流方向，我們必須以合理的方式引入機器人類課程，變革傳統(tǒng)的“填鴨式”教學(xué)，讓高效課堂“活”起來。

四、提升應(yīng)用型本科院校教育中機器人類課程的有效途徑

教師是學(xué)生在學(xué)校中可以依靠并信賴的存在，是學(xué)生未來的耕耘者和引路人。教師主持課堂秩序和營造課堂氛圍，既要培養(yǎng)好學(xué)生的想象力，又必須同時兼顧好機器人在其中的合理運用，這離不開教師學(xué)富五車的知識儲備與科學(xué)的教學(xué)理念，更要高校的教師共同努力、堅持不懈。筆者認(rèn)為，要在教學(xué)中更好地發(fā)揮機器人的作用，可以從以下幾個方面著手。

（一）熟知學(xué)生定位，給予學(xué)生自主“想象”的空間

在教學(xué)過程中，不難發(fā)現(xiàn)有這么一個現(xiàn)象，部分學(xué)生課上不愛與教師交流，并且小心翼翼、行動謹(jǐn)慎。這不僅在于他們不愿意表達(dá)或是不喜與人溝通，還由于他們懼怕自己講錯話，擔(dān)心言行不正確而會遭到教師指責(zé)。這些思想是不能促進課堂教學(xué)的，且作用也微乎其微。在整個機器人類課程的教學(xué)實施環(huán)節(jié)中，學(xué)生對機器人的掌握程度常常與學(xué)生在實際生活中的經(jīng)歷息息相關(guān)，學(xué)生在教室制造、編程、調(diào)試機器人的整個過程，也為他們提供了一次完整的體驗科學(xué)實驗過程的機會。教師要充分把握這個過程，掌控每一個教學(xué)環(huán)節(jié)，在教學(xué)過程中適當(dāng)啟發(fā)學(xué)生，順利完成課堂教學(xué)的重點和難點的突破。所以，教師必須拋棄以往的傳統(tǒng)教學(xué)方法，給學(xué)生營造一種自然開放的教學(xué)氛圍，使學(xué)生可以在參與探究時毫無心理壓力，充分表現(xiàn)自己的思想和看法。在此期間，教師要做到耐心認(rèn)真，面對學(xué)生提出的問題，教師要耐心指導(dǎo)，盡力解決學(xué)生的疑問。

（二）增加有趣的課堂活動，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情

按照不同的群體制訂不同的教學(xué)計劃對教師的教學(xué)工作很有必要，選擇課程教學(xué)方案并設(shè)計相關(guān)教學(xué)實踐，由此充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。因為教師往往面對的是不同的學(xué)習(xí)者，他們具有不同的個性、不同的學(xué)習(xí)方法，又或者是具有不同程度的知識。因此，教師在課堂過程中應(yīng)通過借助豐富多彩的課堂活動，啟發(fā)學(xué)生發(fā)散性思考，讓有各種興趣的學(xué)生也可以加入其中，從而激發(fā)學(xué)生的熱情。例如，在學(xué)校內(nèi)設(shè)立與機器人相關(guān)的社團活動，讓機器人深入每個學(xué)生的日常生活；設(shè)置機器人競賽，通過這種學(xué)習(xí)方法，讓學(xué)生能夠獨立完成編輯各類小程序，獲得成功的喜悅，激發(fā)了學(xué)生對程序?qū)W習(xí)的興趣。為增強競賽效果，教師可以給表現(xiàn)好的團隊一定的獎勵，在學(xué)生隊伍內(nèi)營造“評、比、學(xué)”的氛圍。

（三）強化團隊合作，讓“每一個都不落下”

機器人類課程教學(xué)多以小組形式展開，在學(xué)習(xí)或競賽過程中，學(xué)生需要不斷地溝通磨合，最后達(dá)成統(tǒng)一的意見。這個過程極大地增強了學(xué)生溝通合作的能力。要使學(xué)生獨立，就要為其提供自由的思想空間，與學(xué)生一起討論交流促使他們的知識體系更加完善，在學(xué)習(xí)方法上相互學(xué)習(xí)借鑒，不同想法相互碰撞。針對學(xué)生不愿與教師溝通的現(xiàn)狀，可以促進學(xué)生之間的學(xué)習(xí)探討，選擇適合學(xué)生的方法。因此，教師在教學(xué)過程中可以適當(dāng)?shù)亟M織團隊協(xié)作。

（四）引進課程目標(biāo)達(dá)成度分析，細(xì)化機器人類課程評分標(biāo)準(zhǔn)，促進課程的改革創(chuàng)新

機器人類課程是實驗性較強的科目，引進課程目標(biāo)達(dá)成度分析［4］，有助于細(xì)化機器人課程評分，從而促成機器人類課程建設(shè)。筆者所授課程“機器人技術(shù)基礎(chǔ)”“人工智能與機器學(xué)習(xí)”和研究生課程“機器人學(xué)”“模式識別與機器學(xué)習(xí)”都屬于典型的機器人類課程，包括理論、實驗、項目設(shè)計和編程，目標(biāo)達(dá)成度評價包括平時考核、實驗考核、項目考核、編程考核和期末考試等部分，直接考核學(xué)生對知識的掌握程度及對專業(yè)知識的掌握情況，對學(xué)生的實際學(xué)習(xí)成果進行評價，分析課程目標(biāo)達(dá)成度結(jié)果。當(dāng)課程目標(biāo)達(dá)成度低于期望值時，應(yīng)該及時有所調(diào)整并進行必要的改進；當(dāng)課程目標(biāo)達(dá)成度高于期望值時，應(yīng)總結(jié)經(jīng)驗、反復(fù)驗證，形成能夠進行推廣的機器人類課程教學(xué)模式。

結(jié)語

機器人教育順應(yīng)了時代的發(fā)展，是新時代發(fā)展的產(chǎn)物，也是教育信息化發(fā)展下的新型教育形式。在人工智能日益普及的社會背景下，不僅應(yīng)用型本科院校開辦了機器人專業(yè)，一批教育機構(gòu)也獲得教育部認(rèn)可，開展機器人教育，輔助國家辦學(xué)，在國際機器人比賽獲得優(yōu)異成績，讓世界看到我國機器人教育發(fā)展的良好態(tài)勢。筆者提出的以上意見能夠在實踐中得到運用，本文教學(xué)途徑體系將有助于機器人工程專業(yè)人才實踐能力和學(xué)生自我學(xué)習(xí)能力的提高。

（課題組成員：吳歡娣、許春霞、廖高華）

參考文獻

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［2］熊根良，萬偉民，張華，等.新工科背景下機器人本科專業(yè)人才培養(yǎng)模式初探：以南昌大學(xué)機電學(xué)院為例［J］.教育教學(xué)論壇，2019（31）：132-136.

［3］魏長赟，廖華麗，王婷婷.新工科背景下研究型高校機器人工程專業(yè)課程體系建設(shè)與探究［J］.教育教學(xué)論壇，2019（23）：87-88.

［4］胡瑞，許春霞，熊吉，等.基于OBE理念以達(dá)成度為導(dǎo)向的機械原理課程教學(xué)模式構(gòu)建研究［J］.江西科學(xué)，2022，40（1）：154-157+164.

Research on Teaching of Robot-Related Courses in Applied Undergraduate Colleges

WANG Hong-xinga， WU Huan-dib， XU Chun-xiaa， LIAO Gao-huaa

（a. School of Mechanical Engineering， b. Library， Nanchang Institute of Technology， Nanchang， Jiangxi 330099， China）

Abstract： Education is the top priority of a country’s development， and the development of universities represents the quality and level of education in a country. In recent years， artificial intelligence has been increasingly applied to various fields such as healthcare， education， and military， bringing great convenience to humanity. Compared to academic undergraduate education， applied undergraduate education has played a positive role in meeting the needs of China’s economic and social development， and the demands for high-level applied talents， and promoting the popularization of higher education in China. Faced with the rise and widespread application of artificial intelligence technology， workers in the applied undergraduate education industry should seize the opportunity， change traditional educational concepts， innovate teaching methods， and promote the reform and development of applied undergraduate education. This paper first analyzes the progressiveness of robot-related teaching research project and the teaching significance of the robot-related courses in the applied undergraduate education. Finally， this article explores ways to improve the teaching quality of this course， hoping to inspire relevant workers.

Key words： applied undergraduate education; robot-related courses; teaching significance; achievement analysis; teaching approach