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“機(jī)器人控制”課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容改革與創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)
一、引言
創(chuàng)新性實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)是大學(xué)生工程教育和創(chuàng)新教育中將知識(shí)、技能、能力、素質(zhì)和創(chuàng)新融為一體的高層次的綜合性教學(xué)平臺(tái)。創(chuàng)新平臺(tái)多以機(jī)器人技術(shù)為主，因?yàn)闄C(jī)器人是一種典型地融合了材料、機(jī)械、電子以及計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感技術(shù)、可編程控制和人工智能等先進(jìn)技術(shù)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(guó)高校和研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行教學(xué)研究與工程訓(xùn)練的理想實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。因此，機(jī)器人教育為創(chuàng)新教育提供了廣闊的空間[2]�！皺C(jī)器人控制”課程是一門既體現(xiàn)了現(xiàn)代信息技術(shù)與機(jī)械傳動(dòng)技術(shù)、軟件技術(shù)與硬件技術(shù)相結(jié)合，又可以使學(xué)生綜合運(yùn)用知識(shí)和技能，得到跨學(xué)科綜合能力培養(yǎng)的實(shí)踐性選修課程，它既是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)和通用技術(shù)相關(guān)課程的教學(xué)基地，也是機(jī)器人技術(shù)研究人才、面向中小學(xué)教學(xué)的師范生相關(guān)模塊課程與指導(dǎo)機(jī)器人設(shè)計(jì)競(jìng)賽的培養(yǎng)基地，更是發(fā)揮每個(gè)學(xué)生特長(zhǎng)和挖掘其潛能，培養(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)造型人才，并使學(xué)生在將理論付諸實(shí)踐的過程中構(gòu)建廣域的工科知識(shí)的實(shí)踐基地[3]。為了改變傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式和實(shí)踐方法，充分利用現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)踐條件，進(jìn)一步加大培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力的力度，通過本�！啊畽C(jī)器人控制’課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容改革與創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革項(xiàng)目的研究與實(shí)施，在整合與精簡(jiǎn)原有實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)與設(shè)置面向不同層次學(xué)生需求的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，增加綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，增設(shè)創(chuàng)新性自主實(shí)踐項(xiàng)目，進(jìn)一步完善教學(xué)大綱、考核標(biāo)準(zhǔn)等課程資料，重新編寫實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)手冊(cè)等實(shí)驗(yàn)教學(xué)資料，并逐步探索適合本校學(xué)生特點(diǎn)的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)規(guī)律及其可行性。
二、項(xiàng)目研究與實(shí)施情況
實(shí)踐性教學(xué)的核心任務(wù)是培養(yǎng)學(xué)生具有創(chuàng)造性思維和綜合實(shí)踐能力，根據(jù)“規(guī)范課程大綱，改革教學(xué)模式，加強(qiáng)實(shí)踐環(huán)節(jié)，加大自主力度”的探究思想，圍繞“以機(jī)器人教學(xué)和實(shí)驗(yàn)技術(shù)為平臺(tái)，以提高學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力為主線，以培養(yǎng)社會(huì)需求的技術(shù)人才為目標(biāo)”的教育理念，重點(diǎn)突出實(shí)踐教學(xué)與能力培養(yǎng)相結(jié)合，科學(xué)新技術(shù)與工程實(shí)踐應(yīng)用相結(jié)合[4]，探索出通過實(shí)踐來培養(yǎng)與提高學(xué)生的四大能力（工程基礎(chǔ)知識(shí)、個(gè)人能力、人際團(tuán)隊(duì)能力和工程系統(tǒng)能力[5]）和創(chuàng)新意識(shí)、綜合素質(zhì)的新途徑。經(jīng)過深入研究和不斷摸索，該課程開始對(duì)以下幾個(gè)方面的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行逐步改革和初步嘗試，獲得一定的成效。
（一） 課堂教學(xué)方面
⑴重新修訂教學(xué)大綱：將相關(guān)硬件課程的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)資源進(jìn)行相互滲透與優(yōu)化整合，重新修訂并規(guī)范了教學(xué)大綱。通過在不同年級(jí)學(xué)生的不同實(shí)踐教學(xué)中進(jìn)行嘗試，從某種程度上講，豐富了學(xué)生的學(xué)習(xí)方法和實(shí)踐手段，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和設(shè)計(jì)能力，促進(jìn)了學(xué)生學(xué)習(xí)與實(shí)踐的自主性和主動(dòng)性。
⑵調(diào)整或更新授課內(nèi)容：以機(jī)器人創(chuàng)新性實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)為載體，結(jié)合不同專業(yè)、不同階段和不同層次的學(xué)生特點(diǎn)，自編了一套教學(xué)課件和一系列從入門遞進(jìn)到實(shí)踐的電子版實(shí)驗(yàn)教材，并向?qū)W生提供相應(yīng)的課堂教學(xué)、工程訓(xùn)練和設(shè)計(jì)范例等閱讀材料與學(xué)習(xí)參考資料。
⑶ 以學(xué)生為中心的講授方式：除課堂講授之外，①利用多媒體教學(xué)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)資源或電子資料等形式，盡可能多地向?qū)W生提供背景材料和設(shè)計(jì)案例，以供學(xué)生根據(jù)需要隨時(shí)選用；②組織學(xué)生就某個(gè)主題進(jìn)行資料收集，分組討論并進(jìn)行點(diǎn)評(píng)；③建立學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)小組，針對(duì)選定的選做實(shí)驗(yàn)或課程設(shè)計(jì)主題，分別進(jìn)行資料閱讀、參考借鑒或自學(xué)相關(guān)知識(shí)，在付諸實(shí)踐的同時(shí)，開展組內(nèi)和組間探討活動(dòng)，在互幫互學(xué)、團(tuán)結(jié)協(xié)作的氛圍下自行解答實(shí)際問題；④階段性地對(duì)共性問題進(jìn)行講解和演示；⑤鼓勵(lì)市場(chǎng)調(diào)研、成果借鑒等社會(huì)實(shí)踐活動(dòng)，以添補(bǔ)知識(shí)、增長(zhǎng)閱歷和積累經(jīng)驗(yàn)，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(zhì)疑、抽查和指導(dǎo)等形式，鼓勵(lì)和督促等手段，加強(qiáng)師生之間、學(xué)生之間的互動(dòng)、交流和溝通，幫助學(xué)生解決實(shí)際問題，提倡獨(dú)立思考，敢于提出問題并尋求答案，為實(shí)踐教學(xué)開辟無紙化的第二課堂，使得能力較強(qiáng)的學(xué)生的創(chuàng)新潛能得以充分發(fā)揮，更好地發(fā)展其個(gè)性和特長(zhǎng)[6]。
（二） 實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面
⑴新編實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱：根據(jù)不同階段和層面的實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐要求，①指定了基礎(chǔ)訓(xùn)練性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目及其選做實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，使學(xué)生既可以驗(yàn)證和理解課程知識(shí)點(diǎn)和實(shí)驗(yàn)?zāi)康�，又能夠掌握必需的�?shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)手段，同時(shí)具備一定的實(shí)驗(yàn)技能；②增強(qiáng)了綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)及其選做實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生可以加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)技術(shù)和方法的合理綜合，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系既具有基礎(chǔ)性、系統(tǒng)性，又具有層次性、遞進(jìn)性和交叉性，能夠融會(huì)貫通相關(guān)實(shí)驗(yàn)、相關(guān)知識(shí)、相關(guān)課程之間的關(guān)聯(lián)和內(nèi)涵，進(jìn)而能夠完成綜合性的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，明確與形成一整套實(shí)驗(yàn)過程和設(shè)計(jì)流程，同時(shí)在實(shí)驗(yàn)過程中逐步積累實(shí)際經(jīng)驗(yàn)；③加大了自主設(shè)計(jì)性實(shí)踐項(xiàng)目的設(shè)計(jì)要求和實(shí)施力度，為實(shí)現(xiàn)自己的構(gòu)想、個(gè)性化設(shè)計(jì)乃至創(chuàng)造、創(chuàng)新夯實(shí)基礎(chǔ)。
⑵整合與更新實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容：為了滿足課程實(shí)驗(yàn)需要，適應(yīng)不同層次和選課目的學(xué)生學(xué)習(xí)與實(shí)踐的實(shí)驗(yàn)需求，本課程將所有實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的教學(xué)內(nèi)容分為以下三個(gè)層面。
①基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目：設(shè)置了2個(gè)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)仿真實(shí)驗(yàn)和16個(gè)選做實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目；6個(gè)基于單片機(jī)的機(jī)器人基礎(chǔ)訓(xùn)練性實(shí)驗(yàn)，每個(gè)實(shí)驗(yàn)又分別提供了4個(gè)選做實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目及其基本要求。針對(duì)這些簡(jiǎn)單易上手、具有一定代表性、鍛煉基本實(shí)驗(yàn)技能的基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，在帶領(lǐng)學(xué)生演示完成若干個(gè)實(shí)驗(yàn)的操作過程和掌握實(shí)驗(yàn)方法的前提下，要求每名學(xué)生均能逐個(gè)獨(dú)立完成其他基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，并自主選擇性地完成指定數(shù)量的選做實(shí)驗(yàn)。②綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目：在綜合運(yùn)用基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，設(shè)置了3個(gè)機(jī)器人綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，在帶領(lǐng)學(xué)生演示完成其中1個(gè)實(shí)驗(yàn)過程的前提下，要求每名學(xué)生在教師的全程指導(dǎo)下自主、獨(dú)立地完成其他兩個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目；每個(gè)實(shí)驗(yàn)也分別提供了4個(gè)選做性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目及其基本要求，并要求每組學(xué)生自主選擇性地完成指定數(shù)量的選做實(shí)驗(yàn)。③自主實(shí)踐性（創(chuàng)新性）實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目：在掌握了基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和完成了綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的基礎(chǔ)上，在閱讀參考了所提供的設(shè)計(jì)實(shí)例的啟發(fā)引導(dǎo)下，每個(gè)實(shí)驗(yàn)小組從給出的25個(gè)自主實(shí)踐項(xiàng)目參考題目（含基本設(shè)計(jì)要求）中任選1個(gè)作為課程設(shè)計(jì)題目，或根據(jù)個(gè)人興趣愛好自擬1個(gè)實(shí)踐題目及其設(shè)計(jì)內(nèi)容（與任課教師探討后認(rèn)可）。在提供良好的實(shí)踐環(huán)境和全開放的實(shí)驗(yàn)條件及教師的全程指導(dǎo)下，要求每個(gè)實(shí)驗(yàn)小組自主、獨(dú)立地完成課程設(shè)計(jì)。
⑶新編實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)手冊(cè)（電子版），自行研制實(shí)驗(yàn)教學(xué)裝置：由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備和配套軟件的更新?lián)Q代，原有的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)教具已不能滿足目前的實(shí)驗(yàn)需求。因此，針對(duì)該課程的所有指定實(shí)驗(yàn)，以多個(gè)獨(dú)立電子文檔的方式，分別新編了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)手冊(cè)，并搭建了若干個(gè)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)教具，以便于學(xué)生使用、查閱和參考；與此同時(shí)，利用學(xué)生科研項(xiàng)目和畢業(yè)設(shè)計(jì)由學(xué)生自主研制了一套機(jī)器人主控板（實(shí)驗(yàn)教學(xué)裝置），并利用該主控板制作了一套可燃?xì)怏w報(bào)警滅火機(jī)器人（教具），目前該裝置正在進(jìn)一步改進(jìn)與完善中，準(zhǔn)備投入實(shí)際教學(xué)使用。
⑷豐富實(shí)驗(yàn)方式和實(shí)踐手段：采用自主式、合作式、探究式和開放式的實(shí)驗(yàn)方法，以教師為主導(dǎo)，以學(xué)生為主體，摸索建立一套“實(shí)驗(yàn)過程階段化、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目層次化、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容模塊化、實(shí)驗(yàn)手段多元化”的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)體系[7]�；A(chǔ)實(shí)驗(yàn)以講解、演示和模仿為主，側(cè)重實(shí)驗(yàn)方法的傳授和操作技能的訓(xùn)練；綜合實(shí)驗(yàn)以實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和經(jīng)驗(yàn)積累為主，鼓勵(lì)學(xué)生帶著問題去獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)并自行解決實(shí)際問題，強(qiáng)調(diào)所學(xué)知識(shí)之間的綜合性、關(guān)聯(lián)性及其融會(huì)貫通與靈活運(yùn)用；自主實(shí)踐則強(qiáng)調(diào)綜合能力和創(chuàng)新意識(shí)的培養(yǎng)與提高，主要利用的是開放實(shí)驗(yàn)室所提供的各種實(shí)驗(yàn)條件和可用資源，在體現(xiàn)團(tuán)隊(duì)協(xié)作的實(shí)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(yíng)造良好的適合自身專業(yè)發(fā)展方向但不失個(gè)性表現(xiàn)的實(shí)踐環(huán)境。
（三）課程設(shè)計(jì)方面
在加強(qiáng)工程實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)和創(chuàng)造良好的實(shí)驗(yàn)（實(shí)踐）環(huán)境的同時(shí)，在規(guī)范的教學(xué)大綱和實(shí)驗(yàn)大綱的指導(dǎo)下，在基于開放性的實(shí)驗(yàn)資源（包括場(chǎng)地、設(shè)備、材料、人員等）的支撐下，通過全開放的自主實(shí)踐性課程設(shè)計(jì)，使學(xué)生可以將理論上的或奇思遐想的或尚未實(shí)現(xiàn)有待改進(jìn)的合理設(shè)計(jì)融入到自己的設(shè)計(jì)作品中去，既了解了國(guó)內(nèi)外科技發(fā)展前沿，增長(zhǎng)了見識(shí)，擴(kuò)寬了知識(shí)面，又拓展了學(xué)習(xí)方法和實(shí)踐手段，提高了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力，激發(fā)了改造創(chuàng)新熱情，從而達(dá)到培養(yǎng)和提高學(xué)生的現(xiàn)代專業(yè)技能、實(shí)際動(dòng)手能力和多方位的適應(yīng)能力以及綜合素質(zhì)的實(shí)踐教學(xué)目的[8]。
（四）考試改革方面
考試作為教學(xué)評(píng)價(jià)的重要手段，對(duì)教師教學(xué)和學(xué)生學(xué)習(xí)具有重要的導(dǎo)向作用[9]。針對(duì)以技能訓(xùn)練和自主實(shí)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(píng)成績(jī)的課程考核標(biāo)準(zhǔn)：總成績(jī)由“平時(shí)成績(jī)＋實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐情況＋設(shè)計(jì)作品＋課程總結(jié)報(bào)告”等成績(jī)構(gòu)成，加大了過程考核力度。其中，平時(shí)成績(jī)占總成績(jī)20%，包括出勤率和選做實(shí)驗(yàn)成績(jī)等；實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐情況占總成績(jī)30%，包括實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐過程中的工作態(tài)度、參與情況、自主獨(dú)立性、小組合作性、組間互助性、現(xiàn)場(chǎng)抽查和質(zhì)疑情況、開放實(shí)驗(yàn)和自主學(xué)習(xí)情況等；設(shè)計(jì)作品占總成績(jī)30%，包括課程設(shè)計(jì)總體設(shè)計(jì)方案、是否自擬題目及設(shè)計(jì)內(nèi)容的改造創(chuàng)新程度、硬件設(shè)計(jì)樣品實(shí)物演示（含視頻）、程序設(shè)計(jì)資料和個(gè)別小組答辯情況等；課程總結(jié)報(bào)告占總成績(jī)20%，包括以論文格式要求填寫的課程設(shè)計(jì)內(nèi)容的詳細(xì)說明和個(gè)人總結(jié)等。
（五）科研訓(xùn)練方面
為了延續(xù)學(xué)生的自主實(shí)踐過程，進(jìn)一步提高工程實(shí)踐能力，激發(fā)自主創(chuàng)新精神，以學(xué)生科研創(chuàng)新項(xiàng)目意愿和興趣愛好為契機(jī)，指導(dǎo)了大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目、實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目、師范生實(shí)踐技能實(shí)訓(xùn)（專業(yè)實(shí)習(xí)）和本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文），組織和引導(dǎo)學(xué)生積極參加或參與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)、電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽、機(jī)器人設(shè)計(jì)大賽等多種形式的社會(huì)實(shí)踐活動(dòng)，鍛煉和提升學(xué)生的科學(xué)研究能力，做到實(shí)驗(yàn)教學(xué)與科研實(shí)踐相結(jié)合，專業(yè)知識(shí)學(xué)習(xí)與科研能力提升相統(tǒng)一[10]，使學(xué)生能夠?qū)⑺鶎W(xué)得的知識(shí)、所掌握的技能應(yīng)用于實(shí)際，進(jìn)行合理運(yùn)用與充分發(fā)揮，取得了一些實(shí)踐效果和研究成果，同時(shí)極大地調(diào)動(dòng)了低年級(jí)學(xué)生鉆研知識(shí)、深入探究、提高自身能力、參加和體驗(yàn)科研經(jīng)歷的積極性與主動(dòng)性。
三、結(jié)語(yǔ)
培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和綜合素質(zhì)的實(shí)用型專業(yè)人才，是新時(shí)期創(chuàng)新教育的首要任務(wù)，也對(duì)實(shí)踐教學(xué)提出了更高要求。為學(xué)生在校期間的各個(gè)階段安排科學(xué)的、合理的、充實(shí)的實(shí)踐內(nèi)容，設(shè)計(jì)適合學(xué)生特點(diǎn)的各項(xiàng)實(shí)踐活動(dòng)，是我們重要的教學(xué)工作之一[11]。總結(jié)近年來的實(shí)踐教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和體會(huì)，構(gòu)建創(chuàng)新實(shí)踐平臺(tái)，引進(jìn)創(chuàng)新評(píng)價(jià)機(jī)制，把學(xué)生的積極性、主動(dòng)性、創(chuàng)造性充分發(fā)揮出來，從而使學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力培養(yǎng)的目標(biāo)真正能落到實(shí)處。
（首都師范大學(xué)信息工程學(xué)院，北京100048）
參考文獻(xiàn)：
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本文研究項(xiàng)目屬首都師范大學(xué)2014-2016年實(shí)驗(yàn)教改立項(xiàng)優(yōu)秀項(xiàng)目。
【“機(jī)器人控制”課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容改革與創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)】相關(guān)文章：
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