机器人课程跟进式教学改革探索

1引言

当前许多大院校设立了机器人相关课程，旨在让大学生能掌握机器人基本技术，跟上时代的步伐。然而机器人技术本身是综合性交叉学科，涉及的知识面相当广，相关课程一般覆盖机械设计、运动学、传感控制技术、计算机语言等较多学科的内容，对学生基础知识的储备提出了很高的要求，因此如何上好机器人课程并不简单。同时学习该课程有助于学生对其他课程的知识进行综合应用或者对其他课程起到串接和指导作用。此外，该课程还有利于培养学生的综合应用能力和创新思维。因此，目前较多高校、科研院所对机器人课程的教学方法进行了较为深入的研究。

2机器人课程教学中存在的问题

南通大学机械工程学院根据机械工程类专业学生的背景特点，围绕机械与结构为主的知识开设了“机器人工学”，该课程着重介绍工业机器人基本发展与应用，主要在机器人的机械结构和运动学方面深入教学，对传感与控制也配以一定的教学量。这样由于知识多且概念难懂，实际的传统教学效果并不如意，表现在以下几个方面：2.1机器人理论知识深，学生理解难。机器人的理论知识，尤其是运动学、动力学、控制原理等方面的知识，非常抽象，逻辑性很强。对于数学、控制理论基础不强的机械类学生来说，这些理论他们一时消化不了，理解困难。加上与他们在电影里看到的生动的机器人完全不是一回事，会突然产生现实与理想差距太大的心理恐惧感。按照传统方法讲授这些理论，严重削弱了他们对机器人的兴趣和学习热情。张秀华[1]、李芳[2]也指出机器人课程教学中抽象而繁琐的理论确实易使学生畏惧。2.2传统灌输式教学难以让学生兴奋。目前大学课程普遍存在“教师讲，学生听”的灌输式教学。本学院“机器人工学”的授课传统仍然是教师课堂讲授为主，以灌输式教学占据主导地位，教学过程单调死板。张秀华[1]、李鸿[3]也指出机器人课程传统教学普遍存在着类似的问题。即便对于相对直观的机械结构，如果教师只是单纯地按课本知识讲，即便认真详细，学生可能仍然不够兴奋，对机器人的机械结构存在不主动理解、不感兴趣的情形。加上当代大学生由于科幻电影看得多，对这现实与理想的大落差，似乎仍未能接受，在他们眼里，机器人并不是由这些看上去死气沉沉的机械结构组成，不应该这么枯燥乏味，因此对机械结构的探究兴趣不浓，甚至存在一定的抵触情绪。2.3学生所学知识在机器人中的应用跟进不足。机器人本身是集机械、电子、计算机、控制等多个学科于一体的载体，因此学生在学习机器人课程之前本身应具备机械原理、机械设计、机械制造工艺学、电工电子学、传感技术、测试技术、控制工程基础、机械设备电气控制等先行课程的相关知识，否则对机器人的相关知识会存在理解困难的问题。苏艳娟[4]、黄文涛[5]也提及应设法应对这种困难。然而，目前“机器人工学”课程教学中，学生不擅长在课堂中对先行课程的知识跟进应用，表现为对知识的关联性认识不足。有的表现为不擅长把机器人的结构与之前的机械设计知识相联系；有的对运动学的推导显得没耐心研究，不愿把矩阵知识与当前的机器人空间结构相联系；有的对机器人的简单接近传感器都一无所知，显然没有学好之前的传感技术或相关课程，等等。张秀华[1]也指出，机器人教学中存在教学传达机器人相关知识关联性不充分，学生不能理解众多知识的关联性等问题。其次，学生在学习和相关实验中，对所学的知识跟进应用不足，理论与实践脱节，丁力[6]也指出实验教学环节的类似问题。表现在：有的学生实验时存在依赖教师手把手教的习惯，不愿意自己动手、自己思考；有的学生在机器人不能按设想运行时，不知如何调整软件逻辑，以前所学软件流程等知识没有意识跟进应用；有的学生在实验中遇到软硬件上的混合问题时，不能够运用所学单片机、传感知识，提出解决办法，表现出理论指导实践的意识与能力比较薄弱。

3跟进式教育理论的思想

跟进式教育理论由南通大学党委书记浦玉忠教授于2013年提出[7]，主要针对学生的政治思想教育，要求学生的思想、需要和兴趣走到哪里，高校的思想政治教育就跟进到哪里。跟进式教育的核心是“以学生为本”，其关键是“与时俱进”，其源泉是“不断创新”。其原则包括三个跟进：“主动跟进”，即教师主动介入学生生活和学习、前瞻性引导学生成人成才；“及时跟进”，即对时代形势变化及时洞察，对学生思想、需要和兴趣及时把握；“有效跟进”，指以一系列切实可行的措施，使有关教育让学生满意，得到学生认可，为学生所喜爱。南通大学基于跟进式教育理论，近年来在全校开展跟进式课堂教学改革，旨在克服“满堂灌”，将“教师讲，学生听”的灌输式教学变为“学生自主学习”为特征的课堂形态，实现八个转变：知识课堂向能力课堂转变；灌输课堂向研讨课堂转变；封闭课堂向开放课堂转变；重知轻行向知行合一转变；重研轻教向研教融合转变；重教轻学向学生中心转变；共性培养向因材施教转变；终结评价向发展评价转变。根据跟进式教育以学生为本、主张学生自主学习的要求，我们近期在“机器人工学”课堂上开展了跟进式教学改革，强调学生对以往知识的跟进应用，教师对学生所学机器人知识进行跟进调查，实现学生被动学习向自主学习转型，由知识课堂向能力课堂转型、灌输课堂向研讨课堂转型。

4机器人课程跟进式教学改革的措施

根据跟进式教育理论的思想和机器人课程跟进式教学改革的目标，提出了如下措施，有关措施也在实际课堂教学中得以实施。4.1基于PBL教学模式，提高学生学习主动性。基于PBL(ProblemBasedLearning)教学模式，即让学生带着问题进行学习。课堂教学难免会有各种各样的问题，让学生在听课中回答问题，无疑是教师在课堂中常用的手段，其有助于提高学生注意力，引导学生多思考。然而对于比较复杂的问题，让学生当场回答不太切合实际。为此，教改措施中让学生课前预先查阅文献与其他资料，事先充分准备如何解决或回答有关问题。比如，“机器人工学”教学中，以爬楼机器人有哪些结构实现爬楼为基本问题，让学生事先搜集相关资料，分析爬楼机构，同时让学生学做PPT幻灯片，与其他同学汇报自己的调查与分析结果以及分享心得。爬楼机构这样的科学问题对于大学生来说不难理解，教师引导学生分析各类爬楼机器人的特点，有利于活跃课堂气氛，增强师生互动。通过这种方式，学生的学习主动性、积极性得以提高；同时学生在主动汇报时，教师也在旁进行指导、纠正或补充，使其他同学能正确理解知识。该基于PBL的教学模式符合跟进式教学改革的要求，可实现知识课堂向能力课堂转变，灌输课堂向研讨课堂的转变。4.2基于CBL教学模式，推动多学科知识的跟进应用。基于CBL(CaseBasedLearning)教学模式的特点是以鲜明案例引导教学，使学生更直观地感受知识的应用，往往能大大提高教学效果，克服一些知识抽象难以消化的弊端。机器人课程涉及的知识面广、抽象难懂，加上大学生本身接受能力不如研究生，最适合以案例作为载体，将各学科的知识以较为直观的形式展现，有利于学生对问题的理解。在“机器人工学”教学中，仍然以爬楼机器人的常见爬楼结构作为分析教学的案例，引导学生掌握机械设计、机械原理等在各类爬楼机构中的应用。进一步地，以我们自己设计的楼梯清洁机器人[8,9]为例，让学生了解数学、物理、电子控制、计算机软件编程，以及最新3D打印技术等知识在该机器人中的应用。为了启发学生，教师让学生将该机器人与他们自己搜集的科研成果作对比，引导他们思考应怎样设计才能更好地满足楼梯清洁的任务。通过CBL教学模式的实践，不难发现该模式符合跟进式教学改革的要求，其有利于学生对所学知识的跟进应用，方便教师对学生所学知识进行跟进调查。4.3结合学生兴趣点的互动式教学新模式。互动式教学本身是一种常见的教学模式，其通过教学双方的交流探讨，达到不同观点碰撞交融，从而激发学生的主动性和探索性。但该模式的缺点是组织难度大，学员所提问题的深度和广度具有不可控制性，往往会影响教学进程。所以虽然大多教师知道该方法比较有效，但由于担心教学进度受影响，往往不愿在课堂宝贵的时间中实施。然而在机器人课程上，互动式教学却有发挥的空间。因为机器人课程本身存在知识面广的特点，允许问题涉及面广些，学生有较大的空间选择自身感兴趣或擅长的科学问题。通过实际在课堂中实践，确实发现有的同学对机械结构感兴趣，有的同学喜欢其中的力学与物理学分析，有的同学对机器人使用的传感器感兴趣，有的同学对程序设计感兴趣，也有的同学喜欢研究其中的控制算法，等等。教师将上课的班级按兴趣分成相应的小组，组织学生分组进行讨论交流。教师也参与其中，形成学生与学生、教师与学生的互动学习。传统教学的缺点是不管学生感不感兴趣，进行单方向灌输，而这种互动式教学模式的优点是每位学生可以避开自己不擅长的区域，更专注于自己的兴趣点，从而最大限度地调动每位学生的积极性与主动性。结合学生兴趣点，开展互动教学，有利于跟进式课堂教学改革提出的灌输课堂向研讨课堂转变、重教轻学向学生中心转变和共性培养向因材施教转变。这种方式与机器人课程的本身特点非常吻合，可谓相得益彰。机器人课程促进了互动式教学的改进，而互动式教学推动了机器人课程教学形式的多样化，对跟进式教学改革起到了补充作用。

5结论

针对机器人课程教学中存在的问题，结合本校开展的跟进式课堂教学改革，本文研究了机器人课程跟进式教学改革的若干方法，包括：基于PBL的教学模式改革、基于CBL的教学模式改革以及结合学生兴趣点的互动式教学模式改革。介绍了这些教改方法在机器人课程中实施的策略与过程，并且在本学院的“机器人工学”课堂上进行了实际应用，取得了良好的教学效果。此外，总结了本文的研究对跟进式教学改革所起的作用。本文的研究有望对今后理论深、知识面广的课程教学改革起到借鉴和抛砖引玉的作用。

作者:张磊 张兴国 姚兴田 赵南生 单位:南通大学机械工程学院