機器人課程跟進式教學(xué)改革探索

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1引言

當前許多大院校設(shè)立了機器人相關(guān)課程，旨在讓大學(xué)生能掌握機器人基本技術(shù)，跟上時代的步伐。然而機器人技術(shù)本身是綜合性交叉學(xué)科，涉及的知識面相當廣，相關(guān)課程一般覆蓋機械設(shè)計、運動學(xué)、傳感控制技術(shù)、計算機語言等較多學(xué)科的內(nèi)容，對學(xué)生基礎(chǔ)知識的儲備提出了很高的要求，因此如何上好機器人課程并不簡單。同時學(xué)習(xí)該課程有助于學(xué)生對其他課程的知識進行綜合應(yīng)用或者對其他課程起到串接和指導(dǎo)作用。此外，該課程還有利于培養(yǎng)學(xué)生的綜合應(yīng)用能力和創(chuàng)新思維。因此，目前較多高校、科研院所對機器人課程的教學(xué)方法進行了較為深入的研究。

2機器人課程教學(xué)中存在的問題

南通大學(xué)機械工程學(xué)院根據(jù)機械工程類專業(yè)學(xué)生的背景特點，圍繞機械與結(jié)構(gòu)為主的知識開設(shè)了“機器人工學(xué)”，該課程著重介紹工業(yè)機器人基本發(fā)展與應(yīng)用，主要在機器人的機械結(jié)構(gòu)和運動學(xué)方面深入教學(xué)，對傳感與控制也配以一定的教學(xué)量。這樣由于知識多且概念難懂，實際的傳統(tǒng)教學(xué)效果并不如意，表現(xiàn)在以下幾個方面：2.1機器人理論知識深，學(xué)生理解難。機器人的理論知識，尤其是運動學(xué)、動力學(xué)、控制原理等方面的知識，非常抽象，邏輯性很強。對于數(shù)學(xué)、控制理論基礎(chǔ)不強的機械類學(xué)生來說，這些理論他們一時消化不了，理解困難。加上與他們在電影里看到的生動的機器人完全不是一回事，會突然產(chǎn)生現(xiàn)實與理想差距太大的心理恐懼感。按照傳統(tǒng)方法講授這些理論，嚴重削弱了他們對機器人的興趣和學(xué)習(xí)熱情。張秀華[1]、李芳[2]也指出機器人課程教學(xué)中抽象而繁瑣的理論確實易使學(xué)生畏懼。2.2傳統(tǒng)灌輸式教學(xué)難以讓學(xué)生興奮。目前大學(xué)課程普遍存在“教師講，學(xué)生聽”的灌輸式教學(xué)。本學(xué)院“機器人工學(xué)”的授課傳統(tǒng)仍然是教師課堂講授為主，以灌輸式教學(xué)占據(jù)主導(dǎo)地位，教學(xué)過程單調(diào)死板。張秀華[1]、李鴻[3]也指出機器人課程傳統(tǒng)教學(xué)普遍存在著類似的問題。即便對于相對直觀的機械結(jié)構(gòu)，如果教師只是單純地按課本知識講，即便認真詳細，學(xué)生可能仍然不夠興奮，對機器人的機械結(jié)構(gòu)存在不主動理解、不感興趣的情形。加上當代大學(xué)生由于科幻電影看得多，對這現(xiàn)實與理想的大落差，似乎仍未能接受，在他們眼里，機器人并不是由這些看上去死氣沉沉的機械結(jié)構(gòu)組成，不應(yīng)該這么枯燥乏味，因此對機械結(jié)構(gòu)的探究興趣不濃，甚至存在一定的抵觸情緒。2.3學(xué)生所學(xué)知識在機器人中的應(yīng)用跟進不足。機器人本身是集機械、電子、計算機、控制等多個學(xué)科于一體的載體，因此學(xué)生在學(xué)習(xí)機器人課程之前本身應(yīng)具備機械原理、機械設(shè)計、機械制造工藝學(xué)、電工電子學(xué)、傳感技術(shù)、測試技術(shù)、控制工程基礎(chǔ)、機械設(shè)備電氣控制等先行課程的相關(guān)知識，否則對機器人的相關(guān)知識會存在理解困難的問題。蘇艷娟[4]、黃文濤[5]也提及應(yīng)設(shè)法應(yīng)對這種困難。然而，目前“機器人工學(xué)”課程教學(xué)中，學(xué)生不擅長在課堂中對先行課程的知識跟進應(yīng)用，表現(xiàn)為對知識的關(guān)聯(lián)性認識不足。有的表現(xiàn)為不擅長把機器人的結(jié)構(gòu)與之前的機械設(shè)計知識相聯(lián)系；有的對運動學(xué)的推導(dǎo)顯得沒耐心研究，不愿把矩陣知識與當前的機器人空間結(jié)構(gòu)相聯(lián)系；有的對機器人的簡單接近傳感器都一無所知，顯然沒有學(xué)好之前的傳感技術(shù)或相關(guān)課程，等等。張秀華[1]也指出，機器人教學(xué)中存在教學(xué)傳達機器人相關(guān)知識關(guān)聯(lián)性不充分，學(xué)生不能理解眾多知識的關(guān)聯(lián)性等問題。其次，學(xué)生在學(xué)習(xí)和相關(guān)實驗中，對所學(xué)的知識跟進應(yīng)用不足，理論與實踐脫節(jié)，丁力[6]也指出實驗教學(xué)環(huán)節(jié)的類似問題。表現(xiàn)在：有的學(xué)生實驗時存在依賴教師手把手教的習(xí)慣，不愿意自己動手、自己思考；有的學(xué)生在機器人不能按設(shè)想運行時，不知如何調(diào)整軟件邏輯，以前所學(xué)軟件流程等知識沒有意識跟進應(yīng)用；有的學(xué)生在實驗中遇到軟硬件上的混合問題時，不能夠運用所學(xué)單片機、傳感知識，提出解決辦法，表現(xiàn)出理論指導(dǎo)實踐的意識與能力比較薄弱。

3跟進式教育理論的思想

跟進式教育理論由南通大學(xué)黨委書記浦玉忠教授于2013年提出[7]，主要針對學(xué)生的政治思想教育，要求學(xué)生的思想、需要和興趣走到哪里，高校的思想政治教育就跟進到哪里。跟進式教育的核心是“以學(xué)生為本”，其關(guān)鍵是“與時俱進”，其源泉是“不斷創(chuàng)新”。其原則包括三個跟進：“主動跟進”，即教師主動介入學(xué)生生活和學(xué)習(xí)、前瞻性引導(dǎo)學(xué)生成人成才；“及時跟進”，即對時代形勢變化及時洞察，對學(xué)生思想、需要和興趣及時把握；“有效跟進”，指以一系列切實可行的措施，使有關(guān)教育讓學(xué)生滿意，得到學(xué)生認可，為學(xué)生所喜愛。南通大學(xué)基于跟進式教育理論，近年來在全校開展跟進式課堂教學(xué)改革，旨在克服“滿堂灌”，將“教師講，學(xué)生聽”的灌輸式教學(xué)變?yōu)椤皩W(xué)生自主學(xué)習(xí)”為特征的課堂形態(tài)，實現(xiàn)八個轉(zhuǎn)變：知識課堂向能力課堂轉(zhuǎn)變；灌輸課堂向研討課堂轉(zhuǎn)變；封閉課堂向開放課堂轉(zhuǎn)變；重知輕行向知行合一轉(zhuǎn)變；重研輕教向研教融合轉(zhuǎn)變；重教輕學(xué)向?qū)W生中心轉(zhuǎn)變；共性培養(yǎng)向因材施教轉(zhuǎn)變；終結(jié)評價向發(fā)展評價轉(zhuǎn)變。根據(jù)跟進式教育以學(xué)生為本、主張學(xué)生自主學(xué)習(xí)的要求，我們近期在“機器人工學(xué)”課堂上開展了跟進式教學(xué)改革，強調(diào)學(xué)生對以往知識的跟進應(yīng)用，教師對學(xué)生所學(xué)機器人知識進行跟進調(diào)查，實現(xiàn)學(xué)生被動學(xué)習(xí)向自主學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)型，由知識課堂向能力課堂轉(zhuǎn)型、灌輸課堂向研討課堂轉(zhuǎn)型。

4機器人課程跟進式教學(xué)改革的措施

根據(jù)跟進式教育理論的思想和機器人課程跟進式教學(xué)改革的目標，提出了如下措施，有關(guān)措施也在實際課堂教學(xué)中得以實施。4.1基于PBL教學(xué)模式，提高學(xué)生學(xué)習(xí)主動性。基于PBL(ProblemBasedLearning)教學(xué)模式，即讓學(xué)生帶著問題進行學(xué)習(xí)。課堂教學(xué)難免會有各種各樣的問題，讓學(xué)生在聽課中回答問題，無疑是教師在課堂中常用的手段，其有助于提高學(xué)生注意力，引導(dǎo)學(xué)生多思考。然而對于比較復(fù)雜的問題，讓學(xué)生當場回答不太切合實際。為此，教改措施中讓學(xué)生課前預(yù)先查閱文獻與其他資料，事先充分準備如何解決或回答有關(guān)問題。比如，“機器人工學(xué)”教學(xué)中，以爬樓機器人有哪些結(jié)構(gòu)實現(xiàn)爬樓為基本問題，讓學(xué)生事先搜集相關(guān)資料，分析爬樓機構(gòu)，同時讓學(xué)生學(xué)做PPT幻燈片，與其他同學(xué)匯報自己的調(diào)查與分析結(jié)果以及分享心得。爬樓機構(gòu)這樣的科學(xué)問題對于大學(xué)生來說不難理解，教師引導(dǎo)學(xué)生分析各類爬樓機器人的特點，有利于活躍課堂氣氛，增強師生互動。通過這種方式，學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性、積極性得以提高；同時學(xué)生在主動匯報時，教師也在旁進行指導(dǎo)、糾正或補充，使其他同學(xué)能正確理解知識。該基于PBL的教學(xué)模式符合跟進式教學(xué)改革的要求，可實現(xiàn)知識課堂向能力課堂轉(zhuǎn)變，灌輸課堂向研討課堂的轉(zhuǎn)變。4.2基于CBL教學(xué)模式，推動多學(xué)科知識的跟進應(yīng)用?；贑BL(CaseBasedLearning)教學(xué)模式的特點是以鮮明案例引導(dǎo)教學(xué)，使學(xué)生更直觀地感受知識的應(yīng)用，往往能大大提高教學(xué)效果，克服一些知識抽象難以消化的弊端。機器人課程涉及的知識面廣、抽象難懂，加上大學(xué)生本身接受能力不如研究生，最適合以案例作為載體，將各學(xué)科的知識以較為直觀的形式展現(xiàn)，有利于學(xué)生對問題的理解。在“機器人工學(xué)”教學(xué)中，仍然以爬樓機器人的常見爬樓結(jié)構(gòu)作為分析教學(xué)的案例，引導(dǎo)學(xué)生掌握機械設(shè)計、機械原理等在各類爬樓機構(gòu)中的應(yīng)用。進一步地，以我們自己設(shè)計的樓梯清潔機器人[8,9]為例，讓學(xué)生了解數(shù)學(xué)、物理、電子控制、計算機軟件編程，以及最新3D打印技術(shù)等知識在該機器人中的應(yīng)用。為了啟發(fā)學(xué)生，教師讓學(xué)生將該機器人與他們自己搜集的科研成果作對比，引導(dǎo)他們思考應(yīng)怎樣設(shè)計才能更好地滿足樓梯清潔的任務(wù)。通過CBL教學(xué)模式的實踐，不難發(fā)現(xiàn)該模式符合跟進式教學(xué)改革的要求，其有利于學(xué)生對所學(xué)知識的跟進應(yīng)用，方便教師對學(xué)生所學(xué)知識進行跟進調(diào)查。4.3結(jié)合學(xué)生興趣點的互動式教學(xué)新模式。互動式教學(xué)本身是一種常見的教學(xué)模式，其通過教學(xué)雙方的交流探討，達到不同觀點碰撞交融，從而激發(fā)學(xué)生的主動性和探索性。但該模式的缺點是組織難度大，學(xué)員所提問題的深度和廣度具有不可控制性，往往會影響教學(xué)進程。所以雖然大多教師知道該方法比較有效，但由于擔心教學(xué)進度受影響，往往不愿在課堂寶貴的時間中實施。然而在機器人課程上，互動式教學(xué)卻有發(fā)揮的空間。因為機器人課程本身存在知識面廣的特點，允許問題涉及面廣些，學(xué)生有較大的空間選擇自身感興趣或擅長的科學(xué)問題。通過實際在課堂中實踐，確實發(fā)現(xiàn)有的同學(xué)對機械結(jié)構(gòu)感興趣，有的同學(xué)喜歡其中的力學(xué)與物理學(xué)分析，有的同學(xué)對機器人使用的傳感器感興趣，有的同學(xué)對程序設(shè)計感興趣，也有的同學(xué)喜歡研究其中的控制算法，等等。教師將上課的班級按興趣分成相應(yīng)的小組，組織學(xué)生分組進行討論交流。教師也參與其中，形成學(xué)生與學(xué)生、教師與學(xué)生的互動學(xué)習(xí)。傳統(tǒng)教學(xué)的缺點是不管學(xué)生感不感興趣，進行單方向灌輸，而這種互動式教學(xué)模式的優(yōu)點是每位學(xué)生可以避開自己不擅長的區(qū)域，更專注于自己的興趣點，從而最大限度地調(diào)動每位學(xué)生的積極性與主動性。結(jié)合學(xué)生興趣點，開展互動教學(xué)，有利于跟進式課堂教學(xué)改革提出的灌輸課堂向研討課堂轉(zhuǎn)變、重教輕學(xué)向?qū)W生中心轉(zhuǎn)變和共性培養(yǎng)向因材施教轉(zhuǎn)變。這種方式與機器人課程的本身特點非常吻合，可謂相得益彰。機器人課程促進了互動式教學(xué)的改進，而互動式教學(xué)推動了機器人課程教學(xué)形式的多樣化，對跟進式教學(xué)改革起到了補充作用。

5結(jié)論

針對機器人課程教學(xué)中存在的問題，結(jié)合本校開展的跟進式課堂教學(xué)改革，本文研究了機器人課程跟進式教學(xué)改革的若干方法，包括：基于PBL的教學(xué)模式改革、基于CBL的教學(xué)模式改革以及結(jié)合學(xué)生興趣點的互動式教學(xué)模式改革。介紹了這些教改方法在機器人課程中實施的策略與過程，并且在本學(xué)院的“機器人工學(xué)”課堂上進行了實際應(yīng)用，取得了良好的教學(xué)效果。此外，總結(jié)了本文的研究對跟進式教學(xué)改革所起的作用。本文的研究有望對今后理論深、知識面廣的課程教學(xué)改革起到借鑒和拋磚引玉的作用。

作者:張磊 張興國 姚興田 趙南生 單位:南通大學(xué)機械工程學(xué)院