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“機器人控制”課程實驗教學內容改革與創(chuàng)新實驗項目設計

時間：2022-08-18 11:15:42 管理科學論文我要投稿

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一、引言

“機器人控制”課程實驗教學內容改革與創(chuàng)新實驗項目設計

創(chuàng)新性實踐教學平臺是大學生工程教育和創(chuàng)新教育中將知識、技能、能力、素質和創(chuàng)新融為一體的高層次的綜合性教學平臺。創(chuàng)新平臺多以機器人技術為主，因為機器人是一種典型地融合了材料、機械、電子以及計算機技術、傳感技術、可編程控制和人工智能等先進技術的一體化系統(tǒng)[1]，是人類創(chuàng)新能力和創(chuàng)新成果的載體，是永無止境的研究課題，是目前世界各國高校和研究機構進行教學研究與工程訓練的理想實驗平臺。因此，機器人教育為創(chuàng)新教育提供了廣闊的空間[2]�！皺C器人控制”課程是一門既體現(xiàn)了現(xiàn)代信息技術與機械傳動技術、軟件技術與硬件技術相結合，又可以使學生綜合運用知識和技能，得到跨學科綜合能力培養(yǎng)的實踐性選修課程，它既是計算機科學與技術專業(yè)和通用技術相關課程的教學基地，也是機器人技術研究人才、面向中小學教學的師范生相關模塊課程與指導機器人設計競賽的培養(yǎng)基地，更是發(fā)揮每個學生特長和挖掘其潛能，培養(yǎng)高素質創(chuàng)造型人才，并使學生在將理論付諸實踐的過程中構建廣域的工科知識的實踐基地[3]。為了改變傳統(tǒng)的實驗教學模式和實踐方法，充分利用現(xiàn)有的實驗設備和實踐條件，進一步加大培養(yǎng)學生系統(tǒng)設計能力的力度，通過本�！啊畽C器人控制’課程實驗教學內容改革與創(chuàng)新實驗項目設計”實驗教學改革項目的研究與實施，在整合與精簡原有實驗項目和實驗內容的基礎上，設計與設置面向不同層次學生需求的實驗項目和實驗內容，增加綜合設計性實驗項目，增設創(chuàng)新性自主實踐項目，進一步完善教學大綱、考核標準等課程資料，重新編寫實驗教學大綱、實驗指導手冊等實驗教學資料，并逐步探索適合本校學生特點的創(chuàng)新實驗教學規(guī)律及其可行性。

二、項目研究與實施情況

實踐性教學的核心任務是培養(yǎng)學生具有創(chuàng)造性思維和綜合實踐能力，根據(jù)“規(guī)范課程大綱，改革教學模式，加強實踐環(huán)節(jié)，加大自主力度”的探究思想，圍繞“以機器人教學和實驗技術為平臺，以提高學生實踐創(chuàng)新能力為主線，以培養(yǎng)社會需求的技術人才為目標”的教育理念，重點突出實踐教學與能力培養(yǎng)相結合，科學新技術與工程實踐應用相結合[4]，探索出通過實踐來培養(yǎng)與提高學生的四大能力（工程基礎知識、個人能力、人際團隊能力和工程系統(tǒng)能力[5]）和創(chuàng)新意識、綜合素質的新途徑。經過深入研究和不斷摸索，該課程開始對以下幾個方面的實驗教學內容進行逐步改革和初步嘗試，獲得一定的成效。

（一）課堂教學方面

⑴重新修訂教學大綱：將相關硬件課程的教學內容和教學資源進行相互滲透與優(yōu)化整合，重新修訂并規(guī)范了教學大綱。通過在不同年級學生的不同實踐教學中進行嘗試，從某種程度上講，豐富了學生的學習方法和實踐手段，提高了學生的學習興趣和設計能力，促進了學生學習與實踐的自主性和主動性。

⑵調整或更新授課內容：以機器人創(chuàng)新性實踐教學平臺為載體，結合不同專業(yè)、不同階段和不同層次的學生特點，自編了一套教學課件和一系列從入門遞進到實踐的電子版實驗教材，并向學生提供相應的課堂教學、工程訓練和設計范例等閱讀材料與學習參考資料。

⑶ 以學生為中心的講授方式：除課堂講授之外，①利用多媒體教學設備、網絡資源或電子資料等形式，盡可能多地向學生提供背景材料和設計案例，以供學生根據(jù)需要隨時選用；②組織學生就某個主題進行資料收集，分組討論并進行點評；③建立學習和實驗小組，針對選定的選做實驗或課程設計主題，分別進行資料閱讀、參考借鑒或自學相關知識，在付諸實踐的同時，開展組內和組間探討活動，在互幫互學、團結協(xié)作的氛圍下自行解答實際問題；④階段性地對共性問題進行講解和演示；⑤鼓勵市場調研、成果借鑒等社會實踐活動，以添補知識、增長閱歷和積累經驗，等等。

⑷注重交流與溝通：通過聊天、郵件、短信、微信、提問、答疑、質疑、抽查和指導等形式，鼓勵和督促等手段，加強師生之間、學生之間的互動、交流和溝通，幫助學生解決實際問題，提倡獨立思考，敢于提出問題并尋求答案，為實踐教學開辟無紙化的第二課堂，使得能力較強的學生的創(chuàng)新潛能得以充分發(fā)揮，更好地發(fā)展其個性和特長[6]。

（二）實驗教學方面

⑴新編實驗教學大綱：根據(jù)不同階段和層面的實驗與實踐要求，①指定了基礎訓練性實驗項目及其選做實驗內容，使學生既可以驗證和理解課程知識點和實驗目的，又能夠掌握必需的實驗方法和實驗手段，同時具備一定的實驗技能；②增強了綜合設計性實驗及其選做實驗，使學生可以加強實驗技術和方法的合理綜合，實現(xiàn)實驗教學體系既具有基礎性、系統(tǒng)性，又具有層次性、遞進性和交叉性，能夠融會貫通相關實驗、相關知識、相關課程之間的關聯(lián)和內涵，進而能夠完成綜合性的實驗設計，明確與形成一整套實驗過程和設計流程，同時在實驗過程中逐步積累實際經驗；③加大了自主設計性實踐項目的設計要求和實施力度，為實現(xiàn)自己的構想、個性化設計乃至創(chuàng)造、創(chuàng)新夯實基礎。

⑵整合與更新實驗教學內容：為了滿足課程實驗需要，適應不同層次和選課目的學生學習與實踐的實驗需求，本課程將所有實驗項目的教學內容分為以下三個層面。

①基礎實驗項目：設置了2個單片機應用系統(tǒng)設計仿真實驗和16個選做實驗項目；6個基于單片機的機器人基礎訓練性實驗，每個實驗又分別提供了4個選做實驗項目及其基本要求。針對這些簡單易上手、具有一定代表性、鍛煉基本實驗技能的基礎性實驗項目，在帶領學生演示完成若干個實驗的操作過程和掌握實驗方法的前提下，要求每名學生均能逐個獨立完成其他基礎實驗項目，并自主選擇性地完成指定數(shù)量的選做實驗。②綜合實驗項目：在綜合運用基礎實驗內容的基礎上，設置了3個機器人綜合設計性實驗，在帶領學生演示完成其中1個實驗過程的前提下，要求每名學生在教師的全程指導下自主、獨立地完成其他兩個實驗項目；每個實驗也分別提供了4個選做性實驗項目及其基本要求，并要求每組學生自主選擇性地完成指定數(shù)量的選做實驗。③自主實踐性（創(chuàng)新性）實驗項目：在掌握了基礎實驗內容和完成了綜合實驗項目的基礎上，在閱讀參考了所提供的設計實例的啟發(fā)引導下，每個實驗小組從給出的25個自主實踐項目參考題目（含基本設計要求）中任選1個作為課程設計題目，或根據(jù)個人興趣愛好自擬1個實踐題目及其設計內容（與任課教師探討后認可）。在提供良好的實踐環(huán)境和全開放的實驗條件及教師的全程指導下，要求每個實驗小組自主、獨立地完成課程設計。

⑶新編實驗指導手冊（電子版），自行研制實驗教學裝置：由于實驗設備和配套軟件的更新?lián)Q代，原有的實驗指導和實驗教具已不能滿足目前的實驗需求。因此，針對該課程的所有指定實驗，以多個獨立電子文檔的方式，分別新編了相應的實驗指導手冊，并搭建了若干個機器人實驗教具，以便于學生使用、查閱和參考；與此同時，利用學生科研項目和畢業(yè)設計由學生自主研制了一套機器人主控板（實驗教學裝置），并利用該主控板制作了一套可燃氣體報警滅火機器人（教具），目前該裝置正在進一步改進與完善中，準備投入實際教學使用。

⑷豐富實驗方式和實踐手段：采用自主式、合作式、探究式和開放式的實驗方法，以教師為主導，以學生為主體，摸索建立一套“實驗過程階段化、實驗項目層次化、實驗內容模塊化、實驗手段多元化”的實驗實訓體系[7]�；A實驗以講解、演示和模仿為主，側重實驗方法的傳授和操作技能的訓練；綜合實驗以實驗設計和經驗積累為主，鼓勵學生帶著問題去獨立完成實驗并自行解決實際問題，強調所學知識之間的綜合性、關聯(lián)性及其融會貫通與靈活運用；自主實踐則強調綜合能力和創(chuàng)新意識的培養(yǎng)與提高，主要利用的是開放實驗室所提供的各種實驗條件和可用資源，在體現(xiàn)團隊協(xié)作的實踐過程中，善于發(fā)現(xiàn)問題，勇于直面困難，敢于改造創(chuàng)新，營造良好的適合自身專業(yè)發(fā)展方向但不失個性表現(xiàn)的實踐環(huán)境。

（三）課程設計方面

在加強工程實踐教學環(huán)節(jié)和創(chuàng)造良好的實驗（實踐）環(huán)境的同時，在規(guī)范的教學大綱和實驗大綱的指導下，在基于開放性的實驗資源（包括場地、設備、材料、人員等）的支撐下，通過全開放的自主實踐性課程設計，使學生可以將理論上的或奇思遐想的或尚未實現(xiàn)有待改進的合理設計融入到自己的設計作品中去，既了解了國內外科技發(fā)展前沿，增長了見識，擴寬了知識面，又拓展了學習方法和實踐手段，提高了實驗設計能力，激發(fā)了改造創(chuàng)新熱情，從而達到培養(yǎng)和提高學生的現(xiàn)代專業(yè)技能、實際動手能力和多方位的適應能力以及綜合素質的實踐教學目的[8]。

（四）考試改革方面

考試作為教學評價的重要手段，對教師教學和學生學習具有重要的導向作用[9]。針對以技能訓練和自主實踐為主的本課程，改變了傳統(tǒng)的理論課閉卷考試方式，制訂了綜合考評成績的課程考核標準：總成績由“平時成績＋實驗和實踐情況＋設計作品＋課程總結報告”等成績構成，加大了過程考核力度。其中，平時成績占總成績20%，包括出勤率和選做實驗成績等；實驗和實踐情況占總成績30%，包括實驗和實踐過程中的工作態(tài)度、參與情況、自主獨立性、小組合作性、組間互助性、現(xiàn)場抽查和質疑情況、開放實驗和自主學習情況等；設計作品占總成績30%，包括課程設計總體設計方案、是否自擬題目及設計內容的改造創(chuàng)新程度、硬件設計樣品實物演示（含視頻）、程序設計資料和個別小組答辯情況等；課程總結報告占總成績20%，包括以論文格式要求填寫的課程設計內容的詳細說明和個人總結等。

（五）科研訓練方面

為了延續(xù)學生的自主實踐過程，進一步提高工程實踐能力，激發(fā)自主創(chuàng)新精神，以學生科研創(chuàng)新項目意愿和興趣愛好為契機，指導了大學生創(chuàng)新項目、實驗室開放基金項目、師范生實踐技能實訓（專業(yè)實習）和本科生畢業(yè)設計（論文），組織和引導學生積極參加或參與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)、電子設計競賽、機器人設計大賽等多種形式的社會實踐活動，鍛煉和提升學生的科學研究能力，做到實驗教學與科研實踐相結合，專業(yè)知識學習與科研能力提升相統(tǒng)一[10]，使學生能夠將所學得的知識、所掌握的技能應用于實際，進行合理運用與充分發(fā)揮，取得了一些實踐效果和研究成果，同時極大地調動了低年級學生鉆研知識、深入探究、提高自身能力、參加和體驗科研經歷的積極性與主動性。

三、結語

培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和綜合素質的實用型專業(yè)人才，是新時期創(chuàng)新教育的首要任務，也對實踐教學提出了更高要求。為學生在校期間的各個階段安排科學的、合理的、充實的實踐內容，設計適合學生特點的各項實踐活動，是我們重要的教學工作之一[11]�？偨Y近年來的實踐教學經驗和體會，構建創(chuàng)新實踐平臺，引進創(chuàng)新評價機制，把學生的積極性、主動性、創(chuàng)造性充分發(fā)揮出來，從而使學生的創(chuàng)新精神和實踐能力培養(yǎng)的目標真正能落到實處。

（首都師范大學信息工程學院，北京100048）

參考文獻：

[1]韓建海,劉延斌,庫祥臣.“機器人學”課程教學改革與實踐[J].中國電力教育,2013(8):81-82,97.

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[3]黃文愷,陳虹.機器人創(chuàng)新性教學平臺的實踐與探索[J].今日科苑,2009(5):131-131.

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[9]葉曄,高文斌,岑豫皖.《機器人學》課程教學改革的探索[J].黑龍江科技信息,2014(9):83-83.

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