沈长青 祁玉梅 严荣慧 石娟娟 黄伟国 朱忠奎
1.苏州大学轨道交通学院 江苏省苏州市 215131 2.苏州城市学院轨道交通工程系 江苏省苏州市 215104
随着工业4.0时代的发展，人工智能正在迅速改变着人们的生活，如何抢抓战略先机成为我国建设创新型国家和科技强国的关键之一，其中包含发展各种机器人技术。因此许多高校均开展了机器人方向的课程教学。
在新一轮科技与产业革命的背景之下，为了应对新的机遇与挑战，教育部于2017年2月提出了“新工科理念”，旨在培养学生的创新能力与工程实践能力，使其成为创新型工程科技人才，具备引领新科技与新产业发展的能力。在此背景下，机器人课程教学也面临着新的要求与挑战。
机器人课程涉及多学科交叉融合，知识面广，实践性与综合性强，传统的教学模式仍然是以老师围绕某本教材讲授为主，注重知识的灌输而忽视自主学习，注重理论知识的学习而忽视工程能力的提升。枯燥的理论内容往往导致学生的学习兴趣低下，缺乏主动思考，学习效果不佳。且难以将理论知识与工程中的实践问题相结合，课本知识与前沿知识相结合，无法培养学生的发散性思维，学生的自主学习能力、工程实践能力以及创新能力无法得到提升，这均与新工科教育理念相违背。
本文针对机器人课程教学分别从教学理念以及教学方法提出了改革措施，提出了以“学”为中心的教学理念，以“教-学-做-赛-产”为五位一体的教学方法，着重培养学生的工程实践能力、自主学习与创新能力、解决问题和团结协作的能力，如图1所示。
图1 机器人教学改革措施示意图
2.1 教学理念：变“教”为中心为“学”为中心
理念先行，实践为基。完善的课程教学体系必须具备正确的教学理念。本文提出了变“教”为中心为“学”为中心的教学理念。此处的“教”包含两层含义，既指教师亦指教授；
“学”亦包含两层含义，既指“学生”亦指学生的“自学”。应将传统课堂上教师占中心地位改为学生占中心地位，将传统课堂上教师的讲授为主变为学生的思考和自学为主，充分发挥学生的主体作用。鼓励学生站上讲台，多思考，多提问，多回答，变传统的讲授式教学为互动式教学；
变传统的接受式学习为主动式学习。
2.2 教学方法：“教-学-做-赛-产”五位一体
围绕学生的能力培养，本文提出了“教-学-做-赛-产”五位一体的教学方法。具体可从以下几方面进行实施。
2.2.1 教
教主要是指教师关于理论知识的讲授。由于该课程实践性很强，实践中遇到的问题教师不可能面面俱到，因此教为辅，讲授的内容仅为一些基本原理、常用的技术与方法。在教的过程中，教师应时刻注意学生的中心地位，围绕学生展开教学活动，包括如何提升学生的学习兴趣和学习效果。可通过趣味性的“教”，如少一点冰冷的文字，多一点有趣的视频，从而提升学生的学习兴趣；
可多开展小组讨论，不断抛出问题让学生进行思考与探究，鼓励学生主动参与至教学活动中，将传统的讲授式教学变为互动式教学，增强学习效果。此外，教师应拓宽教授渠道，不仅仅是教师“教”，企业、行业专家的“教”也必不可少，应多邀请企业、行业内专家来学校开展讲座，进一步拓宽学生的知识面，提升学生的学习兴趣。
2.2.2 学
学主要是指学生的自主学习。由于该课程的特殊性，教师的讲授仅仅为辅，学生的自主学习才是学好这门课程的关键。可从教师层面以及学生本人层面着手。教师可根据学生的个体差异，对不同学生布置不同的作业，例如有同学擅长硬件，可进行各模块PCB的设计与绘制；
有同学擅长软件，可进行机器人的程序设计与编写。鼓励学生围绕自己的作业自主查阅资料，然后想出解决办法，培养学生的自主学习能力和解决问题的能力，将传统的接受式学习变为主动式学习。此外应鼓励学生在借鉴别人所提出的解决办法后寻找其他解决途径，培养其发散式思维而非求同式思维，提升其创新能力。例如针对轮式机器人避障与路径修正这一具体问题，鼓励学生多角度寻求不同的解决方法，而非照搬别人的解决方案。如可运用光电开关和六轴陀螺仪等传感器对机器人当前位置与姿态进行综合分析，不断补偿误差，使得机器人沿正确方向行进；
也可运用灰度传感器和激光传感器组合成的循迹模块，结合PID算法，在复杂道路环境下，不断调整机器人行进速率与角度，使其行驶在正确方向等。鼓励学生不断探索，不断改进方法，培养其创新性思维与能力。此外，学生本人也可课后主动搜集资料进行学习，现在网课等资料非常丰富，学生可根据自己的兴趣进行自我学习，不断充实自己。
2.2.3 做
做是指学生的动手实操。机器人课程是一门实践性极强的课程，其课程的学习远远不止理论知识的学习，更重要的是动手实践。任何理论的掌握均需要实践进行检验。因此，在学完一模块的理论知识后，学生应动手实操，如机器人整体机械结构的搭建、各模块PCB的焊接以及程序的编写与各项调试等，将记忆式的理论知识与体验式的实践操作相结合，以做带学，以做促学，在做中发现问题并解决问题，从而促进学生知识的掌握，以及提升学生的自主学习能力和动手实践能力。教师在此过程中主要起到指导的作用，检验学生做的情况，指出需要改进的方向，鼓励学生进一步完善。
2.2.4 赛
赛是指参加各种机器人竞赛，如中国机器人大赛、江苏省大学生机器人大赛等。机器人竞赛也是一种获得体验式实践的重要渠道，也是检验学生所学知识的一种有效途径。通常与前沿技术相结合，所解决的问题都可能是学生之前未接触到的。每位学生各有所长，各司其职，每完成一个项目会大大提升他们的获得感，从而提升学习兴趣，增强学习动力。此外，通过参赛才能深刻认识到山外有山，人外有人，看到别人的参赛作品，从而发现自己的优势与不足。在这过程中也能结识到许多志同道合的朋友，大家互相间可彼此借鉴，互相学习，也是一种难得的学术交流机会。总体而言，通过参加竞赛可进一步拓宽学生的知识领域，以赛带学，以赛促学，进一步提升学生的创新能力、实践能力、解决问题的能力和团结协作的能力。
2.2.5 产
产是指学生到企业进行实习实训。校园里的机器人课程学习往往缺乏需求导向，讲授与学习的知识仅局限于书本与课堂，常常与实际的工程问题和热点话题相脱离[5]。企业实习是检验知识与加强实践的有效方式，有利于学生紧跟行业的发展。在企业中，学生会遇到比学校项目更加实际更加复杂的问题，这些问题均需要他们自己想解决方案，充分锻炼了他们的工程实践能力和解决问题的能力。通过实习实训学生可以增加工程经验，同时了解机器人相关企业所需要的实用技能，从而给自己指明需要努力的方向，为其就业打好基础。
本文所提出的教学改革措施对于学生以及老师而言既是机遇又是挑战。
3.1 学生层面
本文所提出的教学理念和教学方法确定了学生在教学活动中的中心地位，通过趣味性的“教”能够提高学生的学习兴趣，自主性的“学”、“做”、“赛”和“产”能够促进学生知识的掌握，提升学生的自学能力、工程实践能力、解决问题的能力以及团结协作的能力。于学生而言，这是机遇，同时也是挑战。因为整个教学过程均以学生的活动为中心，教师不再重复式地讲授，而是需要学生自己去学，自己去做。因此这就要求学生能够做到自觉学习、自主学习，有目标，有理想，能够遇到问题迎难而上，能够学会发现问题并解决问题，能够学会与人交流与人合作，这都是学生步入社会所必须的技能。
3.2 教师层面
学生在“做”、“赛”和“产”中所遇到的问题都是教师课件中的宝贵案例，能够帮助教师完善教学内容，同时这也对教师提出了新的要求，要求教师能够不断加强自身的理论知识与实践学习，及时了解最新的前沿知识，能够将教学内容与实际工程问题和前沿知识相结合，引入具有代表性的新方法，才能为学生提供更优质的教学内容，帮助学生解决实际问题，从而培养出新时代下企业所需求的创新型应用型工程科技人才。
针对机器人课程教学目前存在的问题，本文从教学理念和教学方法提出了改革。以学生为中心作为教学理念，以“教-学-做-赛-产”五位一体作为教学方法。以“教”和“学”为基础手段，“做”为最终目标，“赛”和“产”为检验方式，在“做”中“教”和“学”，在“教”和“学”中“做”，以“赛”和“产”促进“教”与“学”。五者相辅相成，为提升学生的工程实践能力、自主学习与创新能力以及解决问题的能力提供了一种有效途径，有利于高校培养出新工科教育理念下企业所需要的创新型应用型人才。
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