课赛融合“机器人技术与应用”教学改革探讨_张淑珍.pdf

DOI:1019392/jcnki1671-7341202318035课赛融合“机器人技术与应用”教学改革探讨张淑珍李春玲彭 斌南文虎兰州理工大学机电工程学院甘肃兰州730050摘要:针对我校“机器人技术与应用”课程教学活动中学生学习兴趣较低、课程实践环节难以发挥理论与实践相结合的作用、相关机器人比赛学生参与面不高等问题，课程团队以课赛融合的模式从课程考核方式、考核内容、实践环节等方面进行改革，调动学生的学习兴趣，激发学生创意性，培养学生提出问题，进而解决实际问题的能力。经过课赛融合实践，学生学习机器人相关专业课兴趣逐渐浓厚，参加相关机器人比赛队伍数和质量提高，综合能力得以加强。关键词:课赛融合;项目式教学;创意能力Teaching eform onobot Technology and Application Combining Courses and ContestsZhang ShuzhenLi ChunlingPeng BinNan WenhuLanzhou University of Technology，School of Mechanical and Electrical EngineeringGansuLanzhou730050Abstract:For the students having lower interest in learning the obotics Technology and Application course in our university，practices in the course hard to play the role of combining theory and practice，students little participation in related robot competi-tions，course team applied the mode of combining courses and contests to improve teaching quality in curriculum evaluation mode，examination contents and practices in the course etcto simulate the students learn interest and creativity，cultivate their ability toraise and solve questionsThrough practice，the students are increasingly interested in learning related to robotics courses，mean-while，the number and contests grade of students participating in relevant robot competitions are improved，students comprehensiveability can be improvedKeywords:Combining courses and contests;Projectbased teaching;Creativity ability1 概述高校学科竞赛是高校实践教学环节的主要形式之一，是点燃学生头脑“火把”的“火种”，是激活学生学习的有效手段1，学科竞赛以其创新性、实践性、竞争性、专业性、综合性等特点，在培养学生创意思维、实践能力、团队合作精神方面具有积极的作用。学科竞赛不仅是高校创新人才培养的重要手段，也是用人单位选拔人才的重要依据。然而，由于学科竞赛占用教学资源，受经费、设备、场地、学生积极性、师资等诸多因素的制约，大多数情况下处于只涉及少数优秀学生的“掐尖式”精英培养2。如何激发广大学生专业兴趣和学习动力，是高等教育长期关注并探索的问题，课赛结合则是探索方法之一3。课赛结合将竞赛融入教学中，将相对枯燥理论的知识点连接成一个整体，既可以促进课程教学内容、教学形式、考核评定等教学模式的改革，又可激发学生的学习兴趣，挖掘学习的潜力，因此采用课赛结合的教学模式是探索专业课程教学改革模式的必然趋势4-7。近年来，以机器人为主题的学科竞赛蓬勃发展，而高校“机器人技术与应用”课程既是机械设计制造及其自动化专业、智能制造以及机器人工程等专业的主要专业课之一，也是培养学生具有多学科综合的创新能力的一门课程。因此将机器人重点学科竞赛与“机器人技术与应用”课程教学改革相结合，探索该专业课程的改革模式和人才培养模式，以期提高学生的综合能力是我校课程团队急需开展的主要任务。2 机器人技术及应用教学和学科竞赛现状机器人技术代表了机电一体化的最高研究成果。在各行各业，形形色色的机器人已走进了人们日常生产生活，机器人领域人才要求日益迫切，学好机器人技术课程也是相关专业学生的迫切需要。然而由于机器人技术涉及多门学科，综合性强，理论性强，学生要学好这门课程往往并不顺利。本文针对我校“机器人技术与应用”课程教学现状和机器人学科竞赛现状情况，探索课程改革方法。21 课程考核方式我校机器人技术及应用课程教学过程中，学生对机器301科技风 2023 年 6 月创新教学人绪论的教学内容比较感兴趣，对机器人结构章节内容还保留一些兴趣，但到了机器人运动学、动力学等内容，因涉及的数学内容比较多，理论较多，知识内容比较抽象，学生很难保持原来的学习状态。有的同学认为机器人技术就是学习怎么操作和控制机器人，运动学中关于物体的数学描述以及坐标变换的内容与机器人关联不大，上课注意力无法集中。到了机器人连杆参数以及机器人坐标系建立的内容，需要较好的空间想象力，部分同学跟不上老师的讲课内容。加之本课程为综合测评，学生认为综合测评就是做作业或开卷考试，老师都给通过。到后面的章节，教师很难在课堂中再把学生的注意力吸引到教学内容上。因此如何提高课程的吸引力，保持学生的学习兴趣，改革课程考核方式，提高机器人技术及应用课程的教学效果，是值得探讨的问题。22 课程实践环节目前很多课程的课内实验与课程同时进行。受学校实验设备台套数所限制，单次实验学生人数受到限制，实验指导老师需重复多次才能完成全班实验教学。为了在该课程教学周内完成实验内容，有些实验内容在相应课堂教学还未开展之前就进行实验。学生在没有理论学习的前提下，很难理解实验的目的意义以及实验结果表示的含义。因此如何在现有实验条件下，发挥实验的作用是需要思考的问题。23 竞赛参与面随着高校对学科竞赛的重视，越来越多热爱学科竞赛的学生参与进来。参加竞赛的学生大多基于兴趣、评奖评优、研究生推免或保研等不同目的而主动参加各种竞赛，但由于竞赛的竞争性较强，对于学习不突出的学生，参与竞赛的积极性不高，对比赛望而却步。参加竞赛的同学虽然实践动手能力强，对以机器人为主题的学科竞赛，有些同学没有学习机器人技术这门课程，缺乏机器人技术方面的理论知识，如何提高竞赛的参与度，提高竞赛成绩，并且从竞赛中学到相关知识并促进课程的学习，以及采用什么样的方式组织竞赛需要进一步思考。3 课赛融合模式的“机器人技术与应用”课程改革我校机器人课程教师团队中大部分老师指导学生参加学科竞赛，以机器人方面的国赛项目为竞赛内容，组织校内机器人创意设计与实践学科竞赛。针对上述现状和问题，团队结合课程教学经验和指导比赛经验，以课赛融合为模式，从课程考核方式、实践方式和考核内容等方面对课程进行改革。课赛结合模式如图 1 所示。图 1 机器人技术课赛结合模式31 课程考核方式的改革我校“机器人技术与应用”课程目前考核方式为综合测评，尽管学生觉得这门课很重要，机器人技术也是当代科学技术发展最活跃的领域之一，但考虑该门课程的考核方式为综合测评，学生觉得无须花大力气和更多的时间来学习，使得在部分课程教学内容如机器人运动学、动力学等理论性较强的部分，学生注意力下降，学习兴趣也下降，学习效果只是一知半解。针对此问题，课程团队结合春季学期学校组织的中国高校智能机器人创意大赛校内选拔赛，考虑到中国高校智能机器人创意大赛目前竞赛的三个主题可分别针对不同年级的学生开展。其中主题一创意设计又分为有实物和无实物两大类，创意性较高的同学可参加无实物组，喜欢动手的同学可参加实物组，对竞技性感兴趣的同学可参加主题二魔方机器人或主题三对抗机器人。因此课程团队将课程考核内容设置为校内选拔赛项赛主题，同学们按组自愿选择参赛主题，课程考核成绩中的部分成绩与学科竞赛成绩挂钩，同学们既参加了学科竞赛，又完成了课程考核的部分内容。32 课程实践方式的改革现有实验条件下，设备台套数有限，部分实验采用演示方式，很难起到通过实验验证理论的作用。课程团队教师通过学习机器人虚拟仿真软件 CoppeliaSim(原 V-EP)，在运动学内容中将串联、并联机器人正、逆解计算、路径和运动规划通过虚拟软件展示。学生通过了解机器人虚拟软件功能作用，并通过进一步学习，利用虚拟软件搭建竞赛作品并进行仿真，激发了学生的学习兴趣，更好地掌握机器人课程相关知识。33 课赛结合项目式作业学科竞赛在培养学生综合能力方面具有积极作用。为扩大学生的参与面，将学科竞赛主题作为项目式作业的题目，以课后作业形式布置，在相关章节教学内容的课后，将学科竞赛主题内容分解为部分相关章节的课后作业，项目式作业需按小组完成，与学科竞赛的团队分工合作性质一致，学生在完成项目式作业的同时，也逐步推进了学科竞赛项目的开展。4 实施方案分析课程团队在近年开展“机器人技术及应用”课程教学工作中，将机器人相关学科竞赛融入教学活动。我校机器人科创基地从 2011 年开始组织机器人创意设计与实践比赛活动，到 2022 年已组织七届比赛活动。每届比赛于春季学期进行，“机器人技术与应用”课程在春季学期进行，赛事活动与教学学期重叠，机器人课程教学团队老师积极探索课赛融合教学模式，改革课程教学方式和考核评价方式。针对“机器人技术与应用”课程考核方式为综合测评，学生不重视综合测评课程，为提高学生学习积极性，布置401创新教学科技风 2023 年 6 月大作业内容为智能机器人创意竞赛主题，以主题一家用服务机器人为大作业题目，3 人为团队。各章教学内容与比赛作品以及项目式作业内容对应结合关系如下表所示。课赛融合内容表课程教学内容智能机器人创意大赛作品项目式作业机器人技术绪论作品选题比赛作品题目为项目式题目机器人机械系统作品结构设计项目式作业机器人结构机器人运动学比赛机器人运动分析项目式作业机器人运动分析机器人静力计算、动力学分析比赛机器人力分析项目式作业机器人力分析机器人控制比赛机器人运动或力控制项目式机器人运动控制机器人感觉系统比赛机器人感觉系统设计、传感器选择及应用项目式机器人传感控制机器人轨迹规划与编程比赛机器人运动规划与编程项目作业机器人运动编程通过将教学内容与机器人竞赛作品内容相融合，学生团队设计和制作了很多优秀作品。2021 年我校组织的智能机器人创意竞赛选拔赛参赛团队为 31 支，“机器人技术与应用”课程班级未开展课赛结合教学改革，参赛学生占10%;2022 年我校参赛团队达 91 支，课程班级中参加学生达 50%。在第五届中国高校智能机器人创意大赛中获得一等奖 3 项、二等奖 4 项、三等奖 6 项的成绩，其中一等奖作品:基于机器视觉的家用垃圾桶;二等奖作品:基于OS 的家用服务机器人，如图 2 所示;三等奖作品:“风宝”一种家庭应用式高效节能通风换气装置，均为2022 年开展课赛结合的“机器人技术与应用”教学改革活动中课程班级学生作品。图 2 基于 OS 的家用服务机器人结语通过课赛融合模式下的“机器人技术与应用”课程教学改革的实践，我们发现学生对机器人技术课程的学习自主性大为提高，学生愿意投入更多的时间、精力到课程中，也愿意投入更多的时间完成课赛结合的项目式作业，课程教学效果相较改革前有了较大提升，师生关系也更加融洽、紧密。课程教学班参与智能机器人创意大赛的同学大大增加，获奖团队数也增加。考虑到机器人技术课程涉及专业知识较多，在今后的课赛结合教学改革中，根据教学章节内容和学生的兴趣，将不同课程教学内容与多个机器人相关赛项进行结合，在更大程度上实现了“课赛融合”“以赛促学”“以赛促教”的教学模式改革。参考文献:1 陆国栋，陈临强，何钦铭，等高校学科竞赛评估:思路、方法和探索 J 中国高教研究，2018(2):63-68+74 2 侯建华，陈少平，陈锟，等大学生学科竞赛模式的改革与实践 J 实验技术与管理，2017，34(11):19-22+25 3 郝根彦学科竞赛对工科学生创造力的培养效能与改进策略 以某“双一流”重点建设学科高校为例 J 科技管理研究，2021，41(23):150-156 4 罗勇，魏绍飞，王蓓蓓，等课赛结合模式下培养学生综合能力的策略 J 创新创业理论研究与实践，2021，4(15):134-136 5 王平，邵羽，叶志红，等“射频通信与天线”课程群课赛结合培养模式探索与实践J 大理大学学报，2021，6(12):17-22 6 张震赛课结合的 GIS 实践教学模式研究J 实验技术与管理，2019，36(10):28-31 7 张建磊“课赛”融合的人工智能学科人才培养模式教学探索 J 科技创新导报，2021，18(20):124-126基金项目:甘财高函 2022 11 号，甘肃省教育厅创新创业教学改革研究项目:基于“课赛结合的机械类创新人才培养模式的研究与实践”;2021 年兰州理工大学校级一流本科课程作者简介:张淑珍(1969)，女，汉族，山西吕梁人，博士，副教授，研究方向:智能工业机器人、移动机器人导航及建图。501科技风 2023 年 6 月创新教学