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“机器人控制”课程实验教学内容改革与创新实验项目设计

作者:第一论文网 更新时间:2015年10月30日 10:03:34

一、引言

创新性实践教学平台是大学生工程教育和创新教育中将知识、技能、能力、素质和创新融为一体的高层次的综合性教学平台。创新平台多以机器人技术为主,因为机器人是一种典型地融合了材料、机械、电子以及计算机技术、传感技术、可编程控制和人工智能等先进技术的一体化系统[1],是人类创新能力和创新成果的载体,是永无止境的研究课题,是目前世界各国高校和研究机构进行教学研究与工程训练的理想实验平台。因此,机器人教育为创新教育提供了广阔的空间[2]。“机器人控制”课程是一门既体现了现代信息技术与机械传动技术、软件技术与硬件技术相结合,又可以使学生综合运用知识和技能,得到跨学科综合能力培养的实践性选修课程,它既是计算机科学与技术专业和通用技术相关课程的教学基地,也是机器人技术研究人才、面向中小学教学的师范生相关模块课程与指导机器人设计竞赛的培养基地,更是发挥每个学生特长和挖掘其潜能,培养高素质创造型人才,并使学生在将理论付诸实践的过程中构建广域的工科知识的实践基地[3]。为了改变传统的实验教学模式和实践方法,充分利用现有的实验设备和实践条件,进一步加大培养学生系统设计能力的力度,通过本校“‘机器人控制’课程实验教学内容改革与创新实验项目设计”实验教学改革项目的研究与实施,在整合与精简原有实验项目和实验内容的基础上,设计与设置面向不同层次学生需求的实验项目和实验内容,增加综合设计性实验项目,增设创新性自主实践项目,进一步完善教学大纲、考核标准等课程资料,重新编写实验教学大纲、实验指导手册等实验教学资料,并逐步探索适合本校学生特点的创新实验教学规律及其可行性。

二、项目研究与实施情况

实践性教学的核心任务是培养学生具有创造性思维和综合实践能力,根据“规范课程大纲,改革教学模式,加强实践环节,加大自主力度”的探究思想,围绕“以机器人教学和实验技术为平台,以提高学生实践创新能力为主线,以培养社会需求的技术人才为目标”的教育理念,重点突出实践教学与能力培养相结合,科学新技术与工程实践应用相结合[4],探索出通过实践来培养与提高学生的四大能力(工程基础知识、个人能力、人际团队能力和工程系统能力[5])和创新意识、综合素质的新途径。经过深入研究和不断摸索,该课程开始对以下几个方面的实验教学内容进行逐步改革和初步尝试,获得一定的成效。

(一) 课堂教学方面

⑴重新修订教学大纲:将相关硬件课程的教学内容和教学资源进行相互渗透与优化整合,重新修订并规范了教学大纲。通过在不同年级学生的不同实践教学中进行尝试,从某种程度上讲,丰富了学生的学习方法和实践手段,提高了学生的学习兴趣和设计能力,促进了学生学习与实践的自主性和主动性。

⑵调整或更新授课内容:以机器人创新性实践教学平台为载体,结合不同专业、不同阶段和不同层次的学生特点,自编了一套教学课件和一系列从入门递进到实践的电子版实验教材,并向学生提供相应的课堂教学、工程训练和设计范例等阅读材料与学习参考资料。

⑶ 以学生为中心的讲授方式:除课堂讲授之外,①利用多媒体教学设备、网络资源或电子资料等形式,尽可能多地向学生提供背景材料和设计案例,以供学生根据需要随时选用;②组织学生就某个主题进行资料收集,分组讨论并进行点评;③建立学习和实验小组,针对选定的选做实验或课程设计主题,分别进行资料阅读、参考借鉴或自学相关知识,在付诸实践的同时,开展组内和组间探讨活动,在互帮互学、团结协作的氛围下自行解答实际问题;④阶段性地对共性问题进行讲解和演示;⑤鼓励市场调研、成果借鉴等社会实践活动,以添补知识、增长阅历和积累经验,等等。

⑷注重交流与沟通:通过聊天、邮件、短信、微信、提问、答疑、质疑、抽查和指导等形式,鼓励和督促等手段,加强师生之间、学生之间的互动、交流和沟通,帮助学生解决实际问题,提倡独立思考,敢于提出问题并寻求答案,为实践教学开辟无纸化的第二课堂,使得能力较强的学生的创新潜能得以充分发挥,更好地发展其个性和特长[6]。

(二) 实验教学方面

⑴新编实验教学大纲:根据不同阶段和层面的实验与实践要求,①指定了基础训练性实验项目及其选做实验内容,使学生既可以验证和理解课程知识点和实验目的,又能够掌握必需的实验方法和实验手段,同时具备一定的实验技能;②增强了综合设计性实验及其选做实验,使学生可以加强实验技术和方法的合理综合,实现实验教学体系既具有基础性、系统性,又具有层次性、递进性和交叉性,能够融会贯通相关实验、相关知识、相关课程之间的关联和内涵,进而能够完成综合性的实验设计,明确与形成一整套实验过程和设计流程,同时在实验过程中逐步积累实际经验;③加大了自主设计性实践项目的设计要求和实施力度,为实现自己的构想、个性化设计乃至创造、创新夯实基础。

⑵整合与更新实验教学内容:为了满足课程实验需要,适应不同层次和选课目的学生学习与实践的实验需求,本课程将所有实验项目的教学内容分为以下三个层面。

①基础实验项目:设置了2个单片机应用系统设计仿真实验和16个选做实验项目;6个基于单片机的机器人基础训练性实验,每个实验又分别提供了4个选做实验项目及其基本要求。针对这些简单易上手、具有一定代表性、锻炼基本实验技能的基础性实验项目,在带领学生演示完成若干个实验的操作过程和掌握实验方法的前提下,要求每名学生均能逐个独立完成其他基础实验项目,并自主选择性地完成指定数量的选做实验。②综合实验项目:在综合运用基础实验内容的基础上,设置了3个机器人综合设计性实验,在带领学生演示完成其中1个实验过程的前提下,要求每名学生在教师的全程指导下自主、独立地完成其他两个实验项目;每个实验也分别提供了4个选做性实验项目及其基本要求,并要求每组学生自主选择性地完成指定数量的选做实验。③自主实践性(创新性)实验项目:在掌握了基础实验内容和完成了综合实验项目的基础上,在阅读参考了所提供的设计实例的启发引导下,每个实验小组从给出的25个自主实践项目参考题目(含基本设计要求)中任选1个作为课程设计题目,或根据个人兴趣爱好自拟1个实践题目及其设计内容(与任课教师探讨后认可)。在提供良好的实践环境和全开放的实验条件及教师的全程指导下,要求每个实验小组自主、独立地完成课程设计。

⑶新编实验指导手册(电子版),自行研制实验教学装置:由于实验设备和配套软件的更新换代,原有的实验指导和实验教具已不能满足目前的实验需求。因此,针对该课程的所有指定实验,以多个独立电子文档的方式,分别新编了相应的实验指导手册,并搭建了若干个机器人实验教具,以便于学生使用、查阅和参考;与此同时,利用学生科研项目和毕业设计由学生自主研制了一套机器人主控板(实验教学装置),并利用该主控板制作了一套可燃气体报警灭火机器人(教具),目前该装置正在进一步改进与完善中,准备投入实际教学使用。

⑷丰富实验方式和实践手段:采用自主式、合作式、探究式和开放式的实验方法,以教师为主导,以学生为主体,摸索建立一套“实验过程阶段化、实验项目层次化、实验内容模块化、实验手段多元化”的实验实训体系[7]。基础实验以讲解、演示和模仿为主,侧重实验方法的传授和操作技能的训练;综合实验以实验设计和经验积累为主,鼓励学生带着问题去独立完成实验并自行解决实际问题,强调所学知识之间的综合性、关联性及其融会贯通与灵活运用;自主实践则强调综合能力和创新意识的培养与提高,主要利用的是开放实验室所提供的各种实验条件和可用资源,在体现团队协作的实践过程中,善于发现问题,勇于直面困难,敢于改造创新,营造良好的适合自身专业发展方向但不失个性表现的实践环境。

(三)课程设计方面

在加强工程实践教学环节和创造良好的实验(实践)环境的同时,在规范的教学大纲和实验大纲的指导下,在基于开放性的实验资源(包括场地、设备、材料、人员等)的支撑下,通过全开放的自主实践性课程设计,使学生可以将理论上的或奇思遐想的或尚未实现有待改进的合理设计融入到自己的设计作品中去,既了解了国内外科技发展前沿,增长了见识,扩宽了知识面,又拓展了学习方法和实践手段,提高了实验设计能力,激发了改造创新热情,从而达到培养和提高学生的现代专业技能、实际动手能力和多方位的适应能力以及综合素质的实践教学目的[8]。

(四)考试改革方面

考试作为教学评价的重要手段,对教师教学和学生学习具有重要的导向作用[9]。针对以技能训练和自主实践为主的本课程,改变了传统的理论课闭卷考试方式,制订了综合考评成绩的课程考核标准:总成绩由“平时成绩+实验和实践情况+设计作品+课程总结报告”等成绩构成,加大了过程考核力度。其中,平时成绩占总成绩20%,包括出勤率和选做实验成绩等;实验和实践情况占总成绩30%,包括实验和实践过程中的工作态度、参与情况、自主独立性、小组合作性、组间互助性、现场抽查和质疑情况、开放实验和自主学习情况等;设计作品占总成绩30%,包括课程设计总体设计方案、是否自拟题目及设计内容的改造创新程度、硬件设计样品实物演示(含视频)、程序设计资料和个别小组答辩情况等;课程总结报告占总成绩20%,包括以论文格式要求填写的课程设计内容的详细说明和个人总结等。

(五)科研训练方面

为了延续学生的自主实践过程,进一步提高工程实践能力,激发自主创新精神,以学生科研创新项目意愿和兴趣爱好为契机,指导了大学生创新项目、实验室开放基金项目、师范生实践技能实训(专业实习)和本科生毕业设计(论文),组织和引导学生积极参加或参与创新创业、电子设计竞赛、机器人设计大赛等多种形式的社会实践活动,锻炼和提升学生的科学研究能力,做到实验教学与科研实践相结合,专业知识学习与科研能力提升相统一[10],使学生能够将所学得的知识、所掌握的技能应用于实际,进行合理运用与充分发挥,取得了一些实践效果和研究成果,同时极大地调动了低年级学生钻研知识、深入探究、提高自身能力、参加和体验科研经历的积极性与主动性。

三、结语

培养具有创新精神和综合素质的实用型专业人才,是新时期创新教育的首要任务,也对实践教学提出了更高要求。为学生在校期间的各个阶段安排科学的、合理的、充实的实践内容,设计适合学生特点的各项实践活动,是我们重要的教学工作之一[11]。总结近年来的实践教学经验和体会,构建创新实践平台,引进创新评价机制,把学生的积极性、主动性、创造性充分发挥出来,从而使学生的创新精神和实践能力培养的目标真正能落到实处。

(首都师范大学信息工程学院,北京100048)

参考文献:

[1]韩建海,刘延斌,库祥臣.“机器人学”课程教学改革与实践[J].中国电力教育,2013(8):81-82,97.

[2]李春华,崔世钢,郑桐,等.发展机器人教育培养综合型创新人才的研究与实践[J].天津工程师范学院学报,2005,15(4):61-63.

[3]黄文恺,陈虹.机器人创新性教学平台的实践与探索[J].今日科苑,2009(5):131-131.

[4]李彦林,郭建新,胡蓉.工程训练课程体系中机器人模块教学改革[J].实验科学与技术,2010,8(5):132-134.

[5]贺利乐,郑建校.以机器人教学和实验平台为载体培养大学生实践创新能力[J].装备制造技术,2014(9):286-288.

[6]王军,李明.面向机器人工程对象的“创新研究型实验”课程建设[J].实验室研究与探索,2013,32(6):279-282.

[7]胡水星,李勇,刘刚.面向师范生专业能力培养的教师教育实验教学改革与实践[J].湖州师范学院学报,2014,36(12):71-76.

[8]陈丹丹,张叶,伦向敏,等.基于机器人竞赛的课外实践创新能力培养模式研究[J].电脑知识与技术,2015,11(16):116-117.

[9]叶晔,高文斌,岑豫皖.《机器人学》课程教学改革的探索[J].黑龙江科技信息,2014(9):83-83.

[10]刘志远.基于机器人工程对象的单片机教学改革[J].教育教学论坛,2014(29):51-52.

[11]李林喜,葛素霞,贾翠玲,等.开放机器人实验室对学生能力培养研究[J].现代商贸工业,2014(6):99-100.

本文研究项目属首都师范大学2014-2016年实验教改立项优秀项目。

作者简介:刘京锐(1967—),男,北京人,本科,高级实验师,计算机应用技术。