遲明路，錢曉艷，王元利，邢 倩，邱亞琴，任沁超

（1.河南工學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453003；2.江蘇匯博機(jī)器人技術(shù)股份有限公司，江蘇 蘇州 215121）

1 背景分析

2018年6 月，在成都召開的“新時(shí)代全國高等學(xué)校本科教育工作會(huì)議”上，教育部部長陳寶生提出要把“水課”變成有深度、有難度、有挑戰(zhàn)度的“金課”。教育部《關(guān)于加快建設(shè)高水平本科教育全面提高人才培養(yǎng)能力的意見》明確指出，各高校要全面梳理各門課程的教學(xué)內(nèi)容，淘汰“水課”、打造“金課”[1-3]。“金課”成了高等教育領(lǐng)域打造具備高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度的“金課”的初衷，也是全體教育工作者共同的使命。

高校實(shí)施教學(xué)時(shí)，應(yīng)當(dāng)以學(xué)生全面發(fā)展為宗旨，優(yōu)化課程體系；以提升學(xué)生能力為導(dǎo)向，將高等教育從以教師的“以教為中心”轉(zhuǎn)變?yōu)椤耙詫W(xué)為中心”[4]，將教學(xué)從教師的“理論知識(shí)體系”傳授轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)生的“能力達(dá)成目標(biāo)”實(shí)現(xiàn)。機(jī)器人工程專業(yè)是根據(jù)國際上學(xué)科發(fā)展動(dòng)態(tài)、面向新一代機(jī)器人技術(shù)發(fā)展需求的新專業(yè)，主要由基本理論、專業(yè)理論和綜合理論三部分組成，綜合了社會(huì)科學(xué)、自然科學(xué)、工程科學(xué)和人文科學(xué)等方面知識(shí)，并具有生物醫(yī)學(xué)工程、電子工程、機(jī)械工程、控制科學(xué)與工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程、材料科學(xué)與工程、系統(tǒng)工程等多學(xué)科交叉融合的特點(diǎn)[5-6]。

2 教學(xué)現(xiàn)狀

隨著機(jī)器人工程專業(yè)建設(shè)的腳步逐漸加快，教學(xué)改革成果也逐年突出，然而，在教學(xué)改革實(shí)踐中亦發(fā)現(xiàn)了新的問題。1）由于機(jī)器人工程專業(yè)涉及學(xué)科交叉知識(shí)，具有較強(qiáng)的實(shí)踐性，涉及的知識(shí)內(nèi)容綜合性較強(qiáng)，學(xué)生僅僅圍繞課本學(xué)到的知識(shí)有限，而采用傳統(tǒng)以教師為中心的課堂授課模式，容易忽視學(xué)生的個(gè)體差異[7]。2）采用傳統(tǒng)課堂授課形式進(jìn)行講課，講師可以在較短時(shí)間內(nèi)用“填鴨式”的方式向?qū)W生灌輸大量知識(shí)，長此以往，學(xué)生容易形成被動(dòng)吸收知識(shí)的習(xí)慣，無法鍛煉主動(dòng)學(xué)習(xí)的能力，而且被動(dòng)學(xué)習(xí)知識(shí)的有效性與學(xué)生個(gè)體差異相關(guān)性較大，也容易忽視團(tuán)隊(duì)合作能力的培養(yǎng)[8]。3）缺乏需求導(dǎo)向，學(xué)生與教師的互動(dòng)交流僅限于課堂，學(xué)生僅能通過書本或教師的講授獲取知識(shí)，無法在校內(nèi)了解機(jī)器人生產(chǎn)單位所需的實(shí)用技能，以及機(jī)器人生產(chǎn)、銷售和維護(hù)等方面的工作內(nèi)容。4）教學(xué)所用教材從撰寫到出版使用需要一定的周期，這就造成了教材的滯后性，在目前日新月異的科技發(fā)展背景下，與當(dāng)前的科技水平不對(duì)等。

因此，以學(xué)生為中心進(jìn)行機(jī)器人工程專業(yè)教學(xué)方法的探索與實(shí)踐，通過先進(jìn)的教學(xué)手段、教學(xué)模式改革和平臺(tái)建設(shè)等完善、優(yōu)化機(jī)器人工程專業(yè)核心課程的教學(xué)方法，能夠?qū)⒁越處煘橹行霓D(zhuǎn)變?yōu)橐詫W(xué)生為中心，以課堂教學(xué)講授為中心轉(zhuǎn)變?yōu)橐詫W(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)為中心[9-10]。機(jī)器人產(chǎn)業(yè)需要工程應(yīng)用型人才的推動(dòng)才能健康、持續(xù)發(fā)展，這對(duì)高校的人才培養(yǎng)能力提出了較高的要求。應(yīng)用線上線下混合式課堂教學(xué)模式，并融合啟發(fā)探究、小組合作等多種教學(xué)方法，最終達(dá)到人才有效培養(yǎng)的目標(biāo)。通過以學(xué)生為中心的機(jī)器人工程專業(yè)教學(xué)方法探索與實(shí)踐的改革，提高學(xué)生的理論知識(shí)與實(shí)踐能力的結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)、工程意識(shí)、就業(yè)能力、實(shí)踐能力，對(duì)建設(shè)應(yīng)用型機(jī)器人工程專業(yè)人才、滿足工程教育要求和社會(huì)需要，具有十分重要的實(shí)際意義。

3 教學(xué)改革內(nèi)容

3.1 在線課程建設(shè)與翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)設(shè)計(jì)研究

教學(xué)質(zhì)量是課程的生命線，可以選擇合適的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)教學(xué)管理，可有效加強(qiáng)對(duì)教師教學(xué)的監(jiān)督，提高課堂教學(xué)質(zhì)量，同時(shí)也能夠量化對(duì)學(xué)生學(xué)業(yè)的考核。

1）課前準(zhǔn)備。教師教學(xué)活動(dòng)——課前準(zhǔn)備階段，教師在課前應(yīng)根據(jù)不同層次的學(xué)生情況設(shè)計(jì)適合的培養(yǎng)方案和教學(xué)目標(biāo)，并根據(jù)教學(xué)大綱進(jìn)行重難點(diǎn)問題的設(shè)定和知識(shí)點(diǎn)提煉，錄制課程微視頻，制作習(xí)題作業(yè)等內(nèi)容。根據(jù)上次課的學(xué)生表現(xiàn)和作業(yè)情況，分析學(xué)生的易錯(cuò)點(diǎn)和混淆點(diǎn)，準(zhǔn)備課前資料。學(xué)生教學(xué)活動(dòng)——課前學(xué)習(xí)，課前教學(xué)活動(dòng)主要包括在線學(xué)習(xí)、與老師同學(xué)互動(dòng)以及在線考核。在線考核主要目的是獲取學(xué)生預(yù)習(xí)情況，以基本難度試題為主，可以有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，樹立學(xué)習(xí)的自信心。教師和學(xué)生的課前教與學(xué)活動(dòng)如圖1所示。

圖1 課前準(zhǔn)備階段教師與學(xué)生的教學(xué)活動(dòng)

2）課中強(qiáng)化。課中首先回顧上次課的知識(shí)點(diǎn)，并結(jié)合本次課知識(shí)點(diǎn)引出本次課的內(nèi)容，根據(jù)課前學(xué)習(xí)測(cè)試情況，選擇錯(cuò)誤率較高的問題，讓學(xué)生配合進(jìn)行講解，突破重難點(diǎn)。然后，學(xué)生分組匯報(bào)任務(wù)完成情況，交流經(jīng)驗(yàn)和相互提問。教師負(fù)責(zé)總體控制，并與學(xué)生共同進(jìn)行評(píng)價(jià)總結(jié)，點(diǎn)播重點(diǎn)問題，化解教學(xué)難點(diǎn)問題，互動(dòng)過程如圖2所示。

圖2 課上互動(dòng)強(qiáng)化

3）過程化教學(xué)評(píng)價(jià)體系改革。翻轉(zhuǎn)課堂的授課模式強(qiáng)調(diào)學(xué)生的過程化成績(jī)，因此，評(píng)價(jià)應(yīng)針對(duì)學(xué)習(xí)過程的各個(gè)階段展開，應(yīng)采用多元化的評(píng)價(jià)方式。將課前任務(wù)、課堂展示匯報(bào)、任務(wù)問答、課程實(shí)驗(yàn)等過程性考核和期末考核結(jié)合，增加過程性考核的比重，注重學(xué)生平時(shí)表現(xiàn)和平時(shí)成績(jī)的獲取，在課前、課中和課后評(píng)價(jià)中完成學(xué)生的總體評(píng)價(jià)，過程化評(píng)價(jià)方式如圖3所示。

圖3 過程化評(píng)價(jià)方式

3.2 創(chuàng)新優(yōu)化課程教學(xué)內(nèi)容

以“機(jī)器人檢測(cè)技術(shù)與傳感器”課程為例，使用傳統(tǒng)授課方式存在教學(xué)內(nèi)容重復(fù)和傳感器原理枯燥、乏味的問題，對(duì)課程教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化。首先，以問題為主線，按照“傳感器原理是什么——如何使用傳感器——怎樣拓展應(yīng)用”三方面對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行分類，分別對(duì)應(yīng)“能力培養(yǎng)——能力強(qiáng)化——能力提高”三層次能力，教學(xué)設(shè)計(jì)隨教學(xué)內(nèi)容而靈活分類，根據(jù)學(xué)生選擇結(jié)果進(jìn)行分組教學(xué)，每組學(xué)生都有相應(yīng)的重點(diǎn)，并進(jìn)行相應(yīng)的小組合作和討論，提供問題解決方法。之后，采用傳統(tǒng)授課+翻轉(zhuǎn)課堂授課的方式進(jìn)行課程內(nèi)容講授，傳統(tǒng)授課方式主要是教師對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)進(jìn)行講解。并引導(dǎo)學(xué)生利用線上資源進(jìn)行主動(dòng)學(xué)習(xí)，重要知識(shí)點(diǎn)采用翻轉(zhuǎn)課堂的授課模式。最終，形成“課前自學(xué)知識(shí)，課中內(nèi)化知識(shí)，課后交流知識(shí)”的三段式學(xué)習(xí)形式。

3.3 科研動(dòng)態(tài)與教學(xué)融合，提高學(xué)生的專業(yè)興趣和創(chuàng)新能力

將教師個(gè)人的科研課題融入到課堂教學(xué)之中，培養(yǎng)學(xué)生科研興趣，引導(dǎo)學(xué)生參與科研課題，提升學(xué)生的綜合素養(yǎng)。根據(jù)教師自身承擔(dān)和參與的課題及相關(guān)科研平臺(tái)的建設(shè)，追蹤最新機(jī)器人研究進(jìn)展，以磁場(chǎng)、機(jī)械、電氣等多專業(yè)融合視角開展機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、內(nèi)部和外部傳感器以及機(jī)器人視覺的應(yīng)用分析，使理論教學(xué)與工程實(shí)踐相結(jié)合。例如，目前國內(nèi)外研究的主流醫(yī)療膠囊機(jī)器人大多采用外置磁場(chǎng)提供動(dòng)力，具有微型化方便、可實(shí)現(xiàn)無限能量供給的特點(diǎn)，然而，目前的大多數(shù)機(jī)器人課程教材卻極少關(guān)注膠囊機(jī)器人的應(yīng)用和研究，本項(xiàng)目組第一作者的研究方向即為磁控式微型膠囊機(jī)器人技術(shù)，并在膠囊機(jī)器人的創(chuàng)新機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與驅(qū)動(dòng)方式上取得了一定的成績(jī)，發(fā)表相關(guān)SCI/EI論文6篇，申報(bào)及授權(quán)國家發(fā)明專利4項(xiàng)，可以針對(duì)上述研究?jī)?nèi)容培養(yǎng)學(xué)生的科研意識(shí)，提高學(xué)生的理論聯(lián)系實(shí)際的素養(yǎng)，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)科研活動(dòng)的興趣和創(chuàng)新素養(yǎng)，進(jìn)而在教學(xué)過程中體現(xiàn)課程的高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度。最終使學(xué)生達(dá)到“我要學(xué)”和“主動(dòng)學(xué)”的狀態(tài)。

3.4 注重企業(yè)參與，提升實(shí)踐教學(xué)體系發(fā)展

再好的教學(xué)模式也需要實(shí)踐來檢驗(yàn)，企業(yè)參與是加強(qiáng)工程實(shí)踐的最佳途徑，通過與企業(yè)合作進(jìn)行實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)，能夠有效完善實(shí)踐教學(xué)體系內(nèi)容。學(xué)校能夠共享企業(yè)資源，聘請(qǐng)企業(yè)工程師、顧問到校培訓(xùn)學(xué)生，同時(shí)，教師也可以進(jìn)入企業(yè)，參與企業(yè)工程項(xiàng)目，鍛煉教師的工程問題解決能力。學(xué)生在企業(yè)進(jìn)行短期培訓(xùn)學(xué)習(xí)，企業(yè)安排學(xué)生在企業(yè)學(xué)習(xí)的各項(xiàng)教學(xué)任務(wù)，提供師資、場(chǎng)所和設(shè)備，使學(xué)生能夠近距離全方位地學(xué)習(xí)先進(jìn)技術(shù)與企業(yè)文化、參與各種工程活動(dòng)并培養(yǎng)工程職業(yè)素養(yǎng)。

4 建設(shè)實(shí)施方案

翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式下，需遵循“明確目的——開展教學(xué)活動(dòng)——評(píng)價(jià)教學(xué)效果”的基本流程來進(jìn)行教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)。其中開展教學(xué)活動(dòng)主要采用翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)理念，包括“課前準(zhǔn)備——課中交流——課后反思”三段式過程。具體的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式如圖4所示。

圖4 翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式

4.1 明確目的

2016年國家“十三五”規(guī)劃中，我國將機(jī)器人列為重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域。更需要教師指導(dǎo)學(xué)生重點(diǎn)關(guān)注并學(xué)習(xí)與機(jī)械、電氣、算法、編程、圖像處理、機(jī)器人控制與應(yīng)用的理論與工程實(shí)踐相關(guān)知識(shí)。

4.2 開展教學(xué)活動(dòng)

明確學(xué)生的預(yù)期學(xué)習(xí)成果后，教師進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和教學(xué)過程的規(guī)劃梳理，具體包括以下3個(gè)流程。

1）課前準(zhǔn)備。學(xué)生在該階段主要對(duì)課堂內(nèi)容進(jìn)行熟悉，并記錄沒有理解或需要提問、提想法的部分，既可以通過在線交流的方式進(jìn)行提問，也可以通過線下課堂的問答環(huán)節(jié)進(jìn)行。對(duì)于重難知識(shí)點(diǎn)，教師通過在線練習(xí)或測(cè)試掌握學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)態(tài)，學(xué)生也可以通過這些測(cè)試來了解自身對(duì)該知識(shí)點(diǎn)掌握的準(zhǔn)確性和完備性。

2）教師準(zhǔn)備線上資源。教師在該階段需要做大量的教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)資源整理工作，需要提前錄制在線微視頻，上傳到網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺(tái)中，使學(xué)生在課前學(xué)習(xí)課程相關(guān)知識(shí)點(diǎn)。

3）課堂交流。在上個(gè)階段，學(xué)生對(duì)一堂課的知識(shí)理解一般不夠全面，在部分重難知識(shí)點(diǎn)尚需深入學(xué)習(xí)。同時(shí)，教師可以通過學(xué)生的線上反饋或在線測(cè)試來總結(jié)學(xué)生的共性問題與個(gè)性問題，以便確定在課中知識(shí)交流階段需要重點(diǎn)準(zhǔn)備的教學(xué)內(nèi)容，從而提高課堂教學(xué)效果，如圖5所示。

圖5 學(xué)生上臺(tái)解答問題與教師總結(jié)共性問題現(xiàn)場(chǎng)圖

4）課后反思。課后，學(xué)生能夠針對(duì)課上未能理解的知識(shí)點(diǎn)，通過學(xué)習(xí)平臺(tái)中的視頻、PPT等在線資源再次重復(fù)學(xué)習(xí)，并完成教師布置的課后任務(wù)和下一次課中的展示任務(wù)，達(dá)到知識(shí)鞏固以及檢驗(yàn)知識(shí)掌握程度的目的。對(duì)于沒有理解的部分可以在線上向同學(xué)以及教師進(jìn)行提問。

4.3 評(píng)價(jià)教學(xué)效果

采用過程化考核對(duì)翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式進(jìn)行評(píng)價(jià)。過程評(píng)價(jià)主要是對(duì)學(xué)生課前準(zhǔn)備、課中交流與課后完善三個(gè)過程中知識(shí)點(diǎn)掌握程度、學(xué)習(xí)積極性、問題分析與解決能力、團(tuán)隊(duì)合作與語言表達(dá)能力等方面的評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)應(yīng)具有全面性，因此，評(píng)價(jià)不僅有教師評(píng)價(jià)，還應(yīng)結(jié)合學(xué)習(xí)小組的組內(nèi)與組間評(píng)價(jià)。此外，還需學(xué)生對(duì)教師進(jìn)行評(píng)價(jià)與建議，即教師將收到學(xué)生就教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法以及課程考核方面的評(píng)價(jià)與建議。

5 結(jié)論

本項(xiàng)目以學(xué)生為中心理念的機(jī)器人工程專業(yè)課教學(xué)方法探索與實(shí)踐展開研究，通過教學(xué)實(shí)踐探索線上學(xué)習(xí)與課堂教學(xué)在學(xué)時(shí)分配方面的最佳方法，將科研課題與科研平臺(tái)融合到教學(xué)中，將單一知識(shí)講授式教學(xué)重點(diǎn)變?yōu)橐詫W(xué)為主的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生參與科研項(xiàng)目，提升學(xué)生的創(chuàng)新能力素養(yǎng)。優(yōu)化課程內(nèi)容，并在課程授課過程中適當(dāng)融合思政元素，實(shí)現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容的創(chuàng)新。形成線上線下混合教學(xué)課程有效的課程評(píng)價(jià)體系。