任海川 王東署

摘要：在新冠疫情時起時伏、隨時都可能規(guī)模性爆發(fā)的后疫情時代，如何推行與實施新工科的高質(zhì)量教學(xué)，是教學(xué)領(lǐng)域的巨大挑戰(zhàn)。教學(xué)上，新工科建設(shè)更加強調(diào)多學(xué)科的交叉、融合與實踐。針對新工科對機(jī)器人學(xué)課程的新要求，本文對機(jī)器人學(xué)課程教學(xué)進(jìn)行了基于STEAM教育理念的教學(xué)探索。注重機(jī)器人學(xué)課程多學(xué)科交叉的教學(xué)特點，突出課程泛在學(xué)習(xí)與個性化學(xué)習(xí)緊密結(jié)合，降低教學(xué)中的疫情風(fēng)險，以期提高后疫情時代新工科人才培養(yǎng)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：后疫情時代 新工科 STEAM教育理念 機(jī)器人學(xué) 泛在教學(xué) 個性化學(xué)習(xí)

Exploration of Robotics Teaching under the STEAM Educational Concept

in the Post Epidemic Era

R EN Haichuan*? WANG Dongshu

（School of Electrical Engineering， Zhengzhou University， Zhengzhou， Henan Province， 450001 China）

Abstract： In the post COVID-19 era， which is going up and will be prone to the large-scale outbreak at any time， how to carry out and implement high quality teaching of new engineering is a great challenge in the field of teaching. In terms of teaching， the new engineering construction lays more emphasis on the intersecting， the integration and the practice of multiple disciplines. According to the new requirements of the new engineering course for Robotics， this paper explores the teaching of Robotics course based on the STEAM education concept. Emphasis should be paid to the multi-disciplinary teaching characteristics of Robotics courses， and the close combinations of the ubiquitous learning and the personalized learning should be highlighted to reduce these epidemic risks during the teaching process， so as to improve qualities of engineering talents training in the post epidemic era.

Key Words：? Post epidemic era; New engineering; STEAM education concept; Robotics; Ubiquitous teaching; Personalized learning

隨著國家“雙一流”大學(xué)建設(shè)、“新工科”建設(shè)工作的全面啟動，近3年來很多一流大學(xué)及高校高專紛紛成立機(jī)器人學(xué)院與機(jī)器人特色學(xué)科，培養(yǎng)高水平的機(jī)器人科技人才，滿足國家對于機(jī)器人專業(yè)創(chuàng)新人才的迫切需求。機(jī)器人學(xué)是一門集電氣、機(jī)械、自動化、計算機(jī)、數(shù)學(xué)、人工智能和工業(yè)設(shè)計等多學(xué)科交叉的綜合性課程，用于培養(yǎng)學(xué)生通過數(shù)學(xué)、物理、藝術(shù)等多基礎(chǔ)學(xué)科知識獨立解決機(jī)器人相關(guān)科學(xué)、技術(shù)與工程問題的能力。機(jī)器人學(xué)課程教學(xué)因其學(xué)科的交叉性、融合性和實踐操作性，被認(rèn)為是融合STEAM（科學(xué)S、技術(shù)T、工程E、藝術(shù)A、數(shù)學(xué)M）教育的一條有效途徑，它幫助教師將科學(xué)過程、技術(shù)素養(yǎng)、工程實踐、藝術(shù)設(shè)計和數(shù)學(xué)素養(yǎng)置于學(xué)生理解的情境中，具有良好的教學(xué)研究與實踐價值。因此，在STEAM教育理念下重新審視大學(xué)的機(jī)器人學(xué)教學(xué)，已成為當(dāng)下新工科教育改革的研究熱點。

2009年開始，美國麻省理工學(xué)院開設(shè)《認(rèn)知機(jī)器人學(xué)》《機(jī)器人學(xué)導(dǎo)論》等課程，最先探索新型STEAM教育模式，其教學(xué)有著多種多樣形式，主要有課外實踐、實驗設(shè)計、競賽等[1-2]。日本、德國雖然起步比美國晚，但極其重視機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，結(jié)合自身實際，大學(xué)探索STEM教育，設(shè)立有機(jī)器人課程、機(jī)器人研究會以及教育協(xié)會，每年定期組織針對不同學(xué)齡學(xué)生開展的機(jī)器人教學(xué)與比賽，促進(jìn)機(jī)器人教育的快速發(fā)展[3-4]。在“互聯(lián)網(wǎng)+”的背景下，很多國內(nèi)學(xué)校都開設(shè)有機(jī)器人相關(guān)教學(xué)課程，對機(jī)器人教育有了一定的研究成果。如清華大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、北京航天航空大學(xué)等高校將機(jī)器人教育與STEAM教育在教學(xué)目標(biāo)、內(nèi)容及評價等方面進(jìn)行了融合探索，闡述了機(jī)器人教學(xué)與STEAM教育融合的必然性，但機(jī)器人學(xué)課程設(shè)置、教學(xué)模式、資源整合等方面仍存在很多難題與挑戰(zhàn)[5-6]，如機(jī)器人課程教學(xué)模式與內(nèi)容相似，無法滿足不同專業(yè)學(xué)生需求，且限制了教師創(chuàng)造性思維，不能很好激發(fā)不同專業(yè)學(xué)生對機(jī)器人學(xué)課程的學(xué)習(xí)興趣;STEAM教育理念下機(jī)器人學(xué)課程移動式泛在學(xué)習(xí)與以學(xué)生為中心的個性化學(xué)習(xí)相融合的平臺與實踐嚴(yán)重缺失;特別是在新冠疫情時起時伏、隨時都可能規(guī)模性爆發(fā)的后疫情時代，對在大學(xué)如何開展STEAM教育理論下的機(jī)器人學(xué)教學(xué)改革與實踐，降低教學(xué)中的疫情風(fēng)險，多方位提高機(jī)器人學(xué)教學(xué)質(zhì)量與學(xué)生沉浸式泛在學(xué)習(xí)體驗，提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。本文將圍繞STEAM教育理念，結(jié)合筆者所在院系（電氣工程學(xué)院）專業(yè)實際情況，針對后疫情時代背景下的機(jī)器人學(xué)課程存在的問題進(jìn)行分析，從教學(xué)模式、內(nèi)容、手段等方面對機(jī)器人學(xué)課程改革與建設(shè)進(jìn)行探索。

1 本院機(jī)器人學(xué)課程教學(xué)現(xiàn)狀分析

為詳細(xì)了解學(xué)生對機(jī)器人學(xué)課程的認(rèn)識，筆者對本院已學(xué)過機(jī)器人學(xué)課程的相關(guān)學(xué)生（4個專業(yè)240余人）進(jìn)行問卷調(diào)查。根據(jù)反饋的調(diào)查結(jié)果，主要存在以下問題。

1.1教學(xué)模式有缺點

機(jī)器人學(xué)課程教學(xué)一直沿用課堂教學(xué)講授為主的模式，偏重理論，學(xué)生多為被動學(xué)習(xí)。而機(jī)器人學(xué)課程本身知識體系龐雜，涉及多學(xué)科交叉，覆蓋機(jī)械、自動化、物理、數(shù)學(xué)、工業(yè)設(shè)計等多個領(lǐng)域知識。對于本院學(xué)生而言，平時課堂學(xué)習(xí)重點關(guān)注電學(xué)與控制科學(xué)相關(guān)，對機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)等方面大都無實際經(jīng)驗，難于理解。另一方面，在新冠疫情時起時伏、隨時都可能規(guī)模性爆發(fā)的后疫情時代，僅僅線下講授教材內(nèi)容未能與時俱進(jìn)，難以在降低師生疫情傳播風(fēng)險的前提下，進(jìn)一步提高教學(xué)質(zhì)量。

1.2教學(xué)內(nèi)容與實際應(yīng)用有距離

本院機(jī)器人學(xué)課程除教學(xué)課時外無仿真實驗與課程實踐，教學(xué)內(nèi)容單一，沒能與實際應(yīng)用相結(jié)合，無法滿足不同專業(yè)學(xué)生（如本院相關(guān)專業(yè)）對機(jī)器人課程個性化教學(xué)、仿真實驗與課程實踐相融合的需求。學(xué)生上課積極性不高，對于課程內(nèi)容學(xué)習(xí)不夠深入，大多流于表面。

1.3教學(xué)手段與后疫情時代新工科人才培養(yǎng)的迫切要求有差距

新冠疫情給新工科教育教學(xué)與人才培養(yǎng)帶來了巨大挑戰(zhàn)，急需采用4G/5G等先進(jìn)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，在后疫情時代實現(xiàn)機(jī)器人學(xué)課程的線上與線下混合教學(xué)融合，提供給學(xué)生沉浸式的泛在學(xué)習(xí)體驗，真正實現(xiàn)任意地點、任意時間的個性化學(xué)習(xí)，降低師生疫情傳播風(fēng)險。而現(xiàn)有的教學(xué)手段與人才培養(yǎng)方法還不能很好地滿足后疫情時代新工科人才培養(yǎng)的要求，存在較大差距。

2 機(jī)器人學(xué)課程改革探索

針對上述后疫情時代背景下機(jī)器人學(xué)課程教學(xué)過程中存在的問題，筆者結(jié)合學(xué)校學(xué)院教學(xué)改革，以與所學(xué)專業(yè)良好結(jié)合，同時兼顧學(xué)生實際需求，提高課程的實用性為目標(biāo)，以期建立STEAM教育理念下的機(jī)器人學(xué)課程教學(xué)體系及模式。具體擬從以下幾個方面對機(jī)器人學(xué)課程教學(xué)改革進(jìn)行探討。

2.1 構(gòu)建機(jī)器人學(xué)課程移動泛在教學(xué)平臺

通過超星學(xué)習(xí)通、雨課堂、釘釘?shù)溶浖C(jī)器人學(xué)課程移動泛在教學(xué)平臺，包括機(jī)器人學(xué)課程在線考勤、離線課程講解、在線課程講解與復(fù)習(xí)、課程討論、課件分享、課程題庫、在線預(yù)約、學(xué)生分組與自評等功能，可實現(xiàn)在手機(jī)或移動端（平板等）的機(jī)器人學(xué)課程線上教學(xué)、翻轉(zhuǎn)教學(xué)、離線學(xué)習(xí)、分組討論與自評以及線上作業(yè)，在后疫情時代保障教學(xué)質(zhì)量的前提下，降低師生疫情傳播風(fēng)險，也為教師和教育管理者提供更靈活、更安全的教學(xué)和管理方法。此外，該平臺也可滿足參與學(xué)生多元化的實際需求，達(dá)到個性化教學(xué)的目的。

2.2 探索以學(xué)生為中心的后疫情時代機(jī)器人學(xué)課程個性化教學(xué)、仿真實驗與課程實踐融合

以不同專業(yè)學(xué)生需求為出發(fā)點，探索制定不同層次的機(jī)器人學(xué)課程教學(xué)內(nèi)容與策略及個性化教學(xué)評價方法。依托構(gòu)建的機(jī)器人學(xué)移動泛在教學(xué)平臺，下發(fā)STEAM教育理念下的在線調(diào)查問卷形式，結(jié)合學(xué)生自評，充分掌握機(jī)器人學(xué)課程的個性化學(xué)生需求，智能推薦滿足不同專業(yè)學(xué)生需求的教學(xué)模式、內(nèi)容、策略與評價方法，并進(jìn)行學(xué)習(xí)討論分組，便于機(jī)器人基礎(chǔ)知識、虛擬仿真實驗與實驗室實踐的學(xué)習(xí)、交流與安排;師生也可通過自主溝通，優(yōu)化相應(yīng)的機(jī)器人課程教學(xué)模式、內(nèi)容、策略與評價方法，更好地滿足學(xué)生個性化學(xué)習(xí)要求。同時以學(xué)生為中心，采用STEAM教育理念下的在線學(xué)習(xí)、翻轉(zhuǎn)教學(xué)、離線學(xué)習(xí)、分組討論與自評、線上作業(yè)等多種模式，實現(xiàn)學(xué)生對于機(jī)器人基礎(chǔ)知識的個性化教學(xué)，不同小組或在不同時間參與課程的同學(xué)課后作業(yè)布置不一樣，避免學(xué)生抄襲，提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力?；贛ATLAB、ROS等仿真軟件搭建機(jī)器人虛擬仿真實驗平臺，并與電氣工程學(xué)院下屬的機(jī)器人感知與控制河南省工程實驗室現(xiàn)有開源機(jī)器人系統(tǒng)（如越疆教育機(jī)器人平臺、先鋒AGV、dSPACE等）實現(xiàn)軟硬件集成，為學(xué)生機(jī)器人課程的仿真實驗與實驗實踐提供平臺;根據(jù)上述的學(xué)生學(xué)習(xí)討論分組情況，通過機(jī)器人學(xué)移動泛在教學(xué)平臺的在線學(xué)習(xí)、分組討論與自評、在線預(yù)約功能，師生可更加合理規(guī)劃線下的機(jī)器人學(xué)課程仿真實驗與實驗實踐教學(xué)，在保障課程教學(xué)進(jìn)度的前提下，實現(xiàn)人員分批分流，降低疫情傳播風(fēng)險，滿足不同學(xué)生實際需求，提升教師線下教學(xué)效率。最終實現(xiàn)以學(xué)生為中心的機(jī)器人學(xué)課程個性化教學(xué)、仿真實驗與實驗實踐融合發(fā)展，提升現(xiàn)有機(jī)器人學(xué)課程學(xué)習(xí)的多樣性、趣味性、參與學(xué)生的多元化，培養(yǎng)不同專業(yè)學(xué)生綜合素質(zhì)。

2.3 實踐STEAM教育理論下的機(jī)器人課程線上線下混合沉浸式教學(xué)

以構(gòu)建的機(jī)器人學(xué)移動泛在教學(xué)平臺為基礎(chǔ)，基于4G/5G等互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可實現(xiàn)移動泛在學(xué)習(xí)的高質(zhì)量學(xué)習(xí)資源（如高清音視頻圖像）的可靠傳輸，實踐后疫情時代機(jī)器人學(xué)課程線上線下混合教學(xué)，使學(xué)習(xí)空間（包括物理空間之間、物理空間與虛擬空間等）融合，促進(jìn)學(xué)生在正式/非正式情景中的自主學(xué)習(xí)、團(tuán)隊協(xié)作，無縫感知，使個體學(xué)習(xí)、協(xié)作學(xué)習(xí)、集體學(xué)習(xí)在虛實空間中隨時隨地發(fā)生，提供學(xué)生沉浸式泛在學(xué)習(xí)體驗，實現(xiàn)隨時隨地個性化學(xué)習(xí)，激發(fā)其學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)與動手能力。

3 結(jié)語

后疫情時代背景下，機(jī)器人學(xué)課程作為新工科專業(yè)開設(shè)的核心基礎(chǔ)課程面臨新挑戰(zhàn)。本文結(jié)合筆者的實際教學(xué)經(jīng)驗，以STEAM教學(xué)理念指導(dǎo)電氣工程學(xué)院的相關(guān)專業(yè)機(jī)器人學(xué)課程改革。通過分析機(jī)器人學(xué)教學(xué)存在的若干問題，結(jié)合本院專業(yè)特色，構(gòu)建機(jī)器人學(xué)課程移動泛在教學(xué)平臺，探索后疫情時代STEAM教育理念下的機(jī)器人課程教學(xué)內(nèi)容、手段與方法，實踐STEAM教育理念下的機(jī)器人課程線上線下混合沉浸式教學(xué)。通過此次機(jī)器人學(xué)教學(xué)改革探索，可提供學(xué)生沉浸式泛在學(xué)習(xí)體驗，實現(xiàn)隨時隨地個性化學(xué)習(xí)，提升機(jī)器人學(xué)課程學(xué)習(xí)的多樣性、趣味性、參與學(xué)生的多元化，培養(yǎng)不同專業(yè)學(xué)生的綜合素質(zhì)，降低教學(xué)中的疫情風(fēng)險，以期提高后疫情時代新工科人才培養(yǎng)的質(zhì)量。

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中圖分類號：TP242.2-4;G642.4 DOI：10.16660/j.cnki.1674-098x.2107-5640-9452

通信作者：任海川（1984—），男，博士，副教授，研究方向為機(jī)器人設(shè)計及智能控制。E-mail：haichuan.ren@zzu.edu.cn。

作者簡介：王東署（1973—），男，博士，副教授，研究方向為機(jī)器人智能控制 。

E-mail：wangdongshu@zzu.edu.cn 。

基金項目：河南省教研項目（項目編號：2019SJGLX194）;國家自然基金青年項目（項目編號：61803344）。