蔡军 郭鹏

摘  要：针对“新工科”对工程实践能力培养的需求和控制类专业实验课程的教学实际，从培育新工科人才要求出发，分别在教学方法、教学内容、考核方法等多方面对《机器人应用技术实验》课程进行了改革。该文把《机器人应用技术实验》整个实验教学过程创新性的构架成了“三个考核环节，五个难度级别”的实验教学结构，教学过程中增加实验教学内容与学生竞赛内容相结合、实验过程与团队合作相结合、实验结果与团队答辩能力相结合等多种改革措施。通过实施实验教学改革，实验课程教学环节的教学质量得到了明显改善;明显增强了学生参加各类竞赛的能力，学生的控制类专业常识也得到了明显提高。这一教学环节提高了本专业学生的就业质量，实验课程教学改革收到了良好的效果。

关键词：教学方法;教学质量;团队合作;就业质量

中图分类号：G961 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2019）11-0052-04

Abstract： In order to meet the needs of the requirement of engineering practice ability training of emerging engineering education and the teaching practice of the control professional experiment course， we start from the requirements of cultivating new engineering talents， the "Robot Application Technology Experiment" course was reformed in various aspects such as teaching methods， teaching contents， and assessment methods. In this paper， the whole experimental teaching process of "Robot Application Technology Experiment" is structured into an experimental teaching structure of "three assessment stages， five difficulty levels"， In the teaching process， the experimental teaching content is combined with the student competition content， the experimental process is combined with the teamwork， and the experimental results are combined with the team's speaking ability. Through the implementation of teaching reform， quality of the experimental course teaching has been significantly improved， the ability of students to participate in various competitions is significantly enhanced， the control professional instrumentation knowledge of the students is significantly enhanced， the quality of employment is improved， which prove that the teaching reform has received better results.

Keywords： teaching methods; teaching quality; teamwork; employment quality

一、概述

隨着新一轮科技革命与产业变革，教育部在2017年2月提出了新工科建设理念，并发布了《关于开展新工科研究与实践的通知》和《关于推进新工科研究与实践项目的通知》，为中国的理工科教育指出了新的方向和目标。工程教育与产业发展紧密联系，从新工科人才的培养要求和目标来看，在理工科教学中实验教学将会起到比以前更为重要的作用，在新工科人才培养过程中将成最为重要的一个教学环节[1，2]。然而普通高校现行的工科实验教学在方式，方法和内容上基本都达不到新工科提出的人才培养要求和目标[3]。特别是在提升学生工程科技创新、创造能力;树立综合化工程教育理念方面现有的实验教学体系和方式还有很大的欠缺。为了更好地配合重庆市市级教改项目“新工科建设背景下控制类专业实验教学模式的研究与实践”实践教学改革的需求，以及提高学生在工程科技上的创造、创新能力和科技思维，工程思维能力，结合重庆邮电大学人力、物力、财力等实际情况，经过两年的教学研究探索，就现行的机器人实验教学课程进行了改革和实践。

二、当前实验教学现状和“新工程”人才培养目标的矛盾

现行普通高校的实验教学课程普遍多数还是采用随课实验和验证实验的开课方式，这种依附理论教学课程的实验开课方式对学生在理论知识验证和理解上有较大优势，但在学生工程思维、系统总体设计和创新能力培养上存在较大缺陷，与新工科人才培养提出的“创意-创新-创业”人才教育培养目标体系存有很大的矛盾[4，5，6]。

（一）固化的实验教学方式

国内高校的实验教学方式比较固化，一般是采用理论教学的方式来进行实验课程的教学[7，8]。比如，以机器人应用技术实验为例，基本的实验教学流程是教师先进行实验原理和实验设备的讲解，然后按照实验指导书的要求进行实验任务的布置。学生则是参照实验指导书的操作步骤进行实验操作，得出实验结果。在这一过程中学生基本上是一种被动学习，被动做实验的状态，学生只要按照实验指导书的操作步骤进行操作，就算对实验原理或理论知识不了解、不清楚，也有可能得到正确的实验结果[9]。这种实验教学过程明显对学生自主性，创造性能力的培养是没有任何作用的，甚至会促使学生在实验过程中产生懒惰，不求甚解，得过且过的实验习惯，很明显这种习惯养成会对学生以后的学习及科研生涯产生巨大的危害。因此，要构建一种新的实验教学模式，其模式不但要有激发学生实验兴趣，促使学生主动参与实验教学，主动自我学习，主动自我提高的作用，而且对学生的团队协作能力，个人成果总结及展示能力，文案书写及答辩能力等方面都会起到促进提高作用。

（二）陈旧的实验教学内容

在2017年4月8日“天大行动的新工科建设行动路线”中提出“问技术发展改教学内容” 要求将产业和技术的最新发展、行业对人才培养的最新要求引入教学过程，更新教学内容和课程体系[10]。但是，现阶段高校的实验课程教学内容还是保留有大量的验证性或内容简单的随课性实验，实验内容体现出庞杂，陈旧，孤立的特点。各课程实验内容独立为阵，互不联系，不具备综合性和统一性。实验内容与产业要求和技术的最新发展联系性不强，不但没能回答新工科提出的“问技术发展改教学内容”的问题，反而还严重阻碍了新技术和专业领域新知识融入实验教学内容。同样行业对人才培养的最新要求也无法引入教学过程。

（三）单一的考核方法

现阶段国内高校的实验教学中学生成绩的考核基本上是由三部分组成的，分别是由考勤成绩、操作成绩和报告成绩按照百分比构成实验课程最终成绩。成绩的评定基本都是由指导教师根据学生上课表现和报告内容进行评定，学生最终成绩带有较大的教师个人主观性。对老师来说，当学生较多时成绩评定工作量巨大，而且在操作过程考核中，老师也无法做到面面俱到，并不是所有学生都能得到恰当合适的评定成绩。对学生来说，考核方法单一，考核思路不以促使学生兴趣为中心，学生只是被动的完成实验任务参与考核，这种考核方法容易让学生产生得过且过的思想，而且最终成绩不能体现学生在主动性，创造性和团队协作性等方面的能力。旧的考核方式对学生口头报告，自我表达，宣讲文案制作等对外交流和展示能力也没有起到训练和提高的作用。

三、专业实验课程改革的目的和意义

专业实验课程改革的目的和意义在于：1. 深化实验内容改革，把控制类专业实验教学内容与专业领域的技术发展相结合，设计较前沿并切合实际应用的实验教学内容以适应新工科建设的要求;2. 深化教学方法改革，使控制类专业实验教学方法能进一步贴近学生志趣，满足学生需要，促使学生参与实验教学的每个环节，教学方法要体现一切为学生的思想，形成以学习者为中心的工程教育模式;3. 以这项实验教学的改革为契机，加大实验教学在新工科建设背景下的探索和实践，促进控制类教学实验体系，实验教学方法和实验教学内容等多方面改革，全面提高我院培养多样化、创新型卓越工程科技人才的能力，更好的实现高校新工科的培养目标。

四、专业实验教学内容与方法的设计与实施

结合“新工科”，“天大行动”的“问产业需求建专业，构建工科专业新结构”;“问技术发展改内容，更新工程人才知识体系”和“问学生志趣变方法，创新工程教育方式与手段”等几个方面的要求，对我院的“机器人应用技术”专业实验课程内容和课程教学方式进行了改革[10]。以期为“新工科”背景下的学生培养探索和研究出新的方法和思路。

（一）“机器人应用技术”专业实验的改革

以往的实验教学一般是采用老师实验前讲解实验原理和实验方法，然后学生进行实验操作，这种方法无法调动学生学习积极性和实验自主性。我院的“机器人实用技术”实验课程在这一方面显得特别突出，在教学模式上不但无法调动学生实验积极性，而且随着新技术的发展，原有包含的实验内容和训练项目也不能满足企业对机器人应用人才的需求[11，12]。针对我院24学时的“机器人应用技术”专业实验，把教学内容更新为“捕捉机器人系统设计与实现”。为了培养学生对控制领域前沿技术和知识的了解学习，实验课程内容融入了机器人结构设计，机器人路径搜寻规划，机器人视觉图像处理等较为前沿的技术内容和知识。整个实验教学被构架成三个考核环节和五个难度级别的教学结构。三个教学环节分别是“实验方案评估答辩环节”、“实验操作和指导环节”、“最终成果答辩演示环节”三个组成部分。其中“实验方案评估答辩环节”和“最终成果答辩演示环节”的评判与分值由全体学生和教师通过填写考核表的方式参与完成。五个难度级别从低到高是：1. 器件选择和硬件平台搭建;2. 完成机器人自动避障功能;3. 完成机器人自动搜寻功能;4. 完成颜色判断功能;5. 完成机器人对特定色彩移动物体追踪及扑捉功能。

“实验方案评估答辩环节”是安排实验课程开设前两周，要求上课学生3人一组自行组队，实验任务和相关资料下发到每个小组成员，要求每小组在两周内进行学习和网上资料查阅，完成实验方案的设计报告和讲解PPT。实验开课时，首先安排2学时的实验方案评估教学环节，每组成员按照自己设计实验方案进行10分钟内的PPT讲解和答辩，其他各组成员和老师对讲解小组报告以及PPT内容进行提问和参照实验方案评分表（见表1）内容对答辩小组进行预答辩评分。这一过程通过学生自我完成预备实验方案提高了学生收集资料和自我学习能力，团队方式的设置加强了学生与队员之间的合作协作能力，实验方案PPT的制作与答辩过程提高了学生的宣讲文案制作能力和自我展示能力。

“实验操作及指导环节”将“机器人应用技术”专业实验结合新工科的“问技术发展改教学内容”和“行业对人才培养的最新要求引入教学过程”的理念，把实验内容分成了五个部分，占用20学时，它们分别是：1.器件选择和硬件平台搭建，内容结合了机器人设计领域的机器人结构设计相关领域知识点。2.机器人自动避障功能，内容结合了机器人对位置或周边环境判断的相关技术和知识点。3.机器人自动搜寻功能，内容结合了机器人路径规划等技术和知识点。4.颜色和形状判断功能;内容融合了机器人视觉图像处理的相关技术和知识点。5.完成機器人对特定色彩或形状移动物体追踪及扑捉功能，内容融合机器人根据捕捉对象特点而进行的捕捉机构和结构设计等技术及知识点。整体实验操作过程被构建成了一个难度从低到高的任务塔结构（见图1）。学生实验完成进度会在任务塔上进行标注，实验教学过程转变成学生组队攀塔过程，这种实验教学模式加大了学生实验积极性，增强学生团队间的竞争意识和团队内的合作意识。

“实验成果演示答辩环节”是“机器人应用技术”实验教学的最终环节，占用2学时，其主要内容是每组学生对实验成果进行整理总结并完成PPT的讲解和实物演示。全班学生和指导教师按照“实验成果演示答辩环节”考核表（见表2）指标，对答辩小组的PPT讲解和实物演示效果进行提问和评分。考核表中的第二条考核指标“概念和观点”明确提出了要进行小组的最终实现方案和最初设计方案的对比，这一要求可以促使学生在实验完成后，能对整个机器人系统设计过程进行反思和总结，提高了学生以后工作过程中的系统设计能力和经验。第三条考核指标“系统设计要点”把机器人设计的具体要求进行了拆分并分别设立了考核要求，比如硬件是否有多方案比较，机器人工作环境是否考虑了多种环境情况，是否有多种搜寻算法或策略等等，这些考核目标促使学生为了满足多样目标而进行与其它小组不同的创新性设计和探索，避免了实验做完所有实验小组完成的作品具有一样性和重复性，固化了学生创新思维。

（二）“机器人应用技术”专业实验考核及实验评定方法

“机器人应用技术”专业实验秉承“落实以学生为中心的理念，增强师生互动，改革教学方法和考核方式”改革思路，实验最终成绩主要有“实验方案设计及PPT报告成绩”、“实验过程考核成绩”、“实验成果实物演示及答辩成绩”、“实验报告成绩”四部分按照加权系数组合而成。最终成绩=实验方案设计及PPT报告成绩×30%+实验过程考核成绩×30%+实验成果实物演示及答辩成绩×30%+实验报告成绩×10%。成绩中的60%是通过组织学生对实验环节1和3采用自我评分和相互评分的考核方法来进行评定;成绩30%取决于图1中学生完成的攀峰记录来进行客观评定;成绩剩余的10%是由教师通过各小组提交的最终报告情况进行评定。这种考核方式一定程度上把学生从被考核者转变成了考核者，学生可以通过在考核其他小组成果过程中，进行学习和提高自己。这种考核方法能进一步提高学生实验的积极性和实验过程中的竞争性，从而把学生带入一个主动学习，主动完善，主动优化的实验教学氛围。

五、实施实验改革取得的效果

“机器人应用技术”实验课程已经在自动化学院15级学生进行开展，取得了良好的教学效果。在整个实验教学环节中，学生的实验教学参与度得到了很大的提高，在培养学生自我学习，自我解决问题以及团队合作等多方面新工科提倡的学生能力上取得了良好的教学效果。通过课程教学，学生不但在机器人应用理论和实践上得到了良好的提高，而且还充分调动了学生参加国际，国内各类重点科技创新竞赛的积极性，并取得了特等奖，一等奖，二等奖多项。例如在2018年取得了中国工程机器人大赛一等奖2项，二等奖3项，飞思卡尔智能小车竞赛国家二等奖4项，三等奖2项等优秀成绩。

六、结束语

“机器人应用技术”实验课程是一门较为前沿性的课程，课程内容和要求难度较大。在课程教学过程中如何把学生吸引到课堂，让学生能主动参与教学和积极拓展创新思维是这门课程开设过程中重点关注的地方。为此把课程教学设置成了三个考核环节和五个难度级别的教学结构，整个教学过程以学生为中心，以项目为导向，针对每个知识点并融合当前较为前沿的技术设计相关的项目任务，并整合所有任务，最终完成一个捕捉机器人的整体设计。为进一步推进控制类专业实验改革和培养符合“新工科”所要求的人才，下一步工作重点是把“机器人应用技术”实验教学模式推广到全院的其他实验教学课程中去。切实提高学生的知识运用能力、实践创新能力、语言表达能力和团队意识，培养更多的新工科创新人才。

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