李二偉 邊輝 李艷文 趙延治

摘要在“機器人技術(shù)”課程教學(xué)改革的實踐中，融入思政教育和TRIZ創(chuàng)新方法，并進行了全英文授課的線上線下混合教學(xué)改革。通過梳理課程知識體系，確定教改總體思路，調(diào)研學(xué)情，文章針對性設(shè)計了專思創(chuàng)融合途徑、課程授課模式、課程項目和考核評價，有效提高了學(xué)生的專業(yè)素養(yǎng)、雙創(chuàng)能力和價值觀。效果良好，可供其他專業(yè)課程改革借鑒。

關(guān)鍵詞 專思創(chuàng)融合；機器人技術(shù)；全英授課；線上線下混合

中圖分類號：G424文獻標(biāo)識碼：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2023.13.032

隨著創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育的深入推進和國際化辦學(xué)水平的不斷提高[1]，把專業(yè)教育、創(chuàng)新方法應(yīng)用和思政教育相融合[2-3]的全英文授課模式得到進一步的發(fā)展，線上線下混合教學(xué)模式也得到了廣泛推廣[4]?！皺C器人技術(shù)”是一門多學(xué)科交叉的課程，課程組在總結(jié)前期教改經(jīng)驗的基礎(chǔ)上[5]，實行了把專業(yè)教育、思政教育和創(chuàng)新能力融合一起的全英文授課線上線下混合式教學(xué)改革[6-7]，進一步梳理了課程知識體系，研討了教改總體思路，分析了新的學(xué)情，通過對專思創(chuàng)融合、全英文授課線上線下混合、課程項目、考核評價幾方面進行針對性設(shè)計，有效提升了課程的兩性一度，積累了一定經(jīng)驗。

1總體思路

本課程教學(xué)內(nèi)容主要包括：①機器人數(shù)學(xué)基礎(chǔ)：剛體位姿描述和齊次變換；②操作臂運動學(xué)：D-H參數(shù)， IRB1410運動學(xué)正反解；③操作臂的雅克比矩陣：定義、構(gòu)造方法，靜力學(xué)；④操作臂的動力學(xué)：連桿的速度和加速度、動力學(xué)建模方法；⑤軌跡生成：關(guān)節(jié)空間規(guī)劃、操作空間規(guī)劃、軌跡生成；⑥實驗：IRB1410操作實踐；⑦課程項目：針對多課程聯(lián)合綜合實訓(xùn)需求，小組完成機械臂選型、三維造型及仿真和MATLAB編程。本課程的知識體系如圖1所示（p102）。

通過總結(jié)機器人技術(shù)前期課改（討論課、多門課程聯(lián)合項目、雙語授課、MOOC資源建設(shè)、思政）的經(jīng)驗，課程團隊研討確定了全英授課線上線下混合教學(xué)的十六字理念：理順系統(tǒng)、講練結(jié)合、精講多練、應(yīng)用創(chuàng)新，側(cè)重給學(xué)生厘清機器人系統(tǒng)各子系統(tǒng)和及其相互關(guān)系，課堂講授和實驗采用同一款機械臂，保證講、練、做相統(tǒng)一，著重讓學(xué)生學(xué)會弄懂一款典型機器人系統(tǒng)，并在課程項目實施中進一步強化所學(xué)。

2教學(xué)改革與實踐

2.1學(xué)情分析

本課程面向機械電子工程專業(yè)本科4年級近200名學(xué)生，于第7學(xué)期開課。課程總共32學(xué)時，其中，授課20學(xué)時，實驗及課程項目實踐12學(xué)時。通過MYCOS對所授課班級進行的課前學(xué)情問卷摸底發(fā)現(xiàn)：①近70%的學(xué)生考研，能投入到課程課下學(xué)習(xí)的時間有限；②近74%的學(xué)生對本門課程感興趣，課程具有很好的吸引力；③學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)過編程和建模相關(guān)課程，這為課程項目奠定了良好的基礎(chǔ)；④80%多的學(xué)生通過自己的了解認為課程難度較大；⑤60%多的學(xué)生能夠接受線上線下混合授課模式；⑥超過65%的學(xué)生不太看好全英文授課。本課程中涉及大量的公式推導(dǎo)，需要學(xué)生進行一定量的練習(xí)并做好復(fù)習(xí)預(yù)習(xí)，學(xué)生需要過渡時間來適應(yīng)課程的難度與強度，另外課程項目需要與機電其他專業(yè)相結(jié)合，一定程度上增加了項目完成的難度，對學(xué)生具有一定挑戰(zhàn)性。針對上述情況，需要對課程開展針對性設(shè)計，以實現(xiàn)知識的有效傳授。

2.2專思創(chuàng)融合設(shè)計與實施

結(jié)合課程知識體系和TRIZ創(chuàng)新方法，在以下章節(jié)進行了專思創(chuàng)融合設(shè)計。緒論部分基于技術(shù)進化法則，分析機器人的進化趨勢，從機器人的智能發(fā)展和應(yīng)用，分析機器人智能的未來發(fā)展；由我國機器人公司的艱難起步與現(xiàn)在的快速發(fā)展引出擔(dān)當(dāng)和貢獻以及人生觀、價值觀的思考。操作臂運動學(xué)部分基于邏輯思維，對機器人中的具體構(gòu)件，抽象出主要元素，如連桿參數(shù)和連桿連接參數(shù)，給出各元素的概念，進行運動規(guī)律的研究和分析；在D-H參數(shù)法建立晶圓機械手的實例中，引出歐美對我國芯片和高技術(shù)產(chǎn)品的封鎖制裁，以及教育部出臺的關(guān)于加強高校有組織科研的相關(guān)政策，激發(fā)學(xué)生主動服務(wù)國家戰(zhàn)略的自覺性。操作臂的雅克比部分基于數(shù)學(xué)模型給出各個構(gòu)件的運動傳遞規(guī)律，基于雅克比矩陣法或微分變換法或矢量積法，得到數(shù)學(xué)模型，掌握運動傳遞的內(nèi)在本質(zhì)和原理；由此引出燕山大學(xué)黃真老先生提出的影響系數(shù)法和其在并聯(lián)機器人領(lǐng)域的貢獻，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)他的人生追求和愛國情懷，理解學(xué)術(shù)創(chuàng)新的可能性和創(chuàng)新自信。通過上述設(shè)計和課堂實施，實現(xiàn)專業(yè)知識傳授、創(chuàng)新能力培養(yǎng)和價值塑造的有機融合。

2.3全英文線上線下混合教學(xué)設(shè)計與實施

針對大四學(xué)生考研比重大、課外時間緊張這一特點，課程組研討確定了線上線下學(xué)時分配、線上實質(zhì)等效、英文授課策略的教學(xué)探索。本課程總共32學(xué)時，其中實驗及課程項目12學(xué)時，線下授課10學(xué)時，學(xué)生線上學(xué)習(xí)10學(xué)時；采用一次線下授課一次線上自學(xué)輪替的授課模式，線下側(cè)重講授基本原理并應(yīng)用到IRB1410，線上自學(xué)側(cè)重應(yīng)用，盡量保證講、練、做都在學(xué)時內(nèi)完成。課堂講授采用基于問題的教學(xué)、啟發(fā)式教學(xué)、案例教學(xué)等方式，并借助雨課堂平臺，在每個知識點后設(shè)計考核題目，特別是針對上一次線上自學(xué)內(nèi)容設(shè)計考核題目，并把作答成績納入考核成績。線上學(xué)習(xí)資源采用課程組在MOOC平臺的自建資源。第1次課采用線下課堂授課，介紹課程學(xué)習(xí)目標(biāo)、考核方式、進度安排，講授緒論和剛體的位姿描述，課后線上定時發(fā)布學(xué)生線上自學(xué)內(nèi)容和需達到的目標(biāo)。第2次線下課堂，首先借助雨課堂考查學(xué)生線上自學(xué)的每一個知識點并進行串講，而對重點知識點進行精講；本次課新講D―H法。依次類推，如表1所示（p103），共開展5次線下授課。全英文授課對學(xué)生和老師都是一種挑戰(zhàn)，課程組采用了英文原版和中文譯版教材，研討確定了前期慢講、專業(yè)詞匯注釋中文、每節(jié)課前集中展示生詞中英對照等方法。

2.4課程項目設(shè)計與實施

本課程項目為基于大工程微縮式實訓(xùn)的融入專思創(chuàng)的三級項目教學(xué)實踐，課程團隊參與系部與山東臨工的深度對接，對其代表行業(yè)未來趨勢的智慧產(chǎn)線和智慧工廠進行了深入了解，并結(jié)合本系教學(xué)科研的特點對智慧產(chǎn)線和智慧工廠進行了微縮。機器人技術(shù)是該大工程微縮式實訓(xùn)的重要組成部分。經(jīng)過課程團隊的研討，本課程的三級項目專門針對該實訓(xùn)進行設(shè)計，在項目方案論證階段引導(dǎo)學(xué)生使用創(chuàng)新方法進行小組研討，并在項目報告中體現(xiàn)每人的方案和貢獻。

課程項目的實施過程如下：①課程組首先與“基于大工程微縮式實訓(xùn)項目”（二級項目）負責(zé)人研討，確定當(dāng)年的二級項目方案；②課程組研討確定課程三級項目選題，并給出契合二級項目的三級項目工程背景和設(shè)計參數(shù)，制作項目指導(dǎo)書和項目報告參考格式；③第一次課發(fā)布三級項目題目，大致講述項目脈絡(luò)，讓學(xué)生對課程和項目有整體了解，并讓學(xué)生自由組隊，要求此次組隊盡可能和后期二級項目分組保持一致；④把三級項目分成多個子系統(tǒng)，并與所講授章節(jié)對應(yīng)，每講授完一個與三級項目子系統(tǒng)相關(guān)的知識點，就要求學(xué)生著手相應(yīng)部分的方案論證、建模分析等；⑤課程授課階段結(jié)束，學(xué)生進行實驗并以小組為單位開展三級項目實訓(xùn)，包括方案討論、方案確定、建模、分析、造型、編程等；⑥最后一次課進行三級項目匯報，采用隨機抽取小組和小組成員的方式進行匯報，并按相關(guān)考核標(biāo)準(zhǔn)進行打分。

2.5考核評價

課程成績包括5個部分，出勤、結(jié)課考試成績、課程項目成績、實驗成績、線上成績，具體要求及成績評定方法如下：①出勤表現(xiàn)作為扣分項，每缺勤一次扣1分，無故缺勤5次者，取消本門課程的考核資格；②結(jié)課考試成績占60%，開卷考試，試卷為英文題干，鼓勵英文作答，不滿卷面成績60%者，本課程考核不合格；③課程項目成績占20%，要求學(xué)生按照課程項目分組查閱資料，完成機器人系統(tǒng)設(shè)計及軌跡規(guī)劃，撰寫項目設(shè)計研究報告，制作匯報采用PPT，并進行答辯；每位學(xué)生的課程項目成績由小組成績和組內(nèi)成績兩部分構(gòu)成；小組成績由以下兩個方面進行評價：項目研究內(nèi)容，占項目成績的60%；報告、PPT匯報撰寫及答辯成績，占項目成績的40%；小組得分為組內(nèi)所有學(xué)生的平均分，每位學(xué)生的得分依據(jù)其在組內(nèi)的貢獻，在小組平均分的基礎(chǔ)上評定；未按時提交課程項目報告或課程項目報告有抄襲現(xiàn)象的，課程項目成績按零分計；另外報告內(nèi)容鼓勵采用英文撰寫；④實驗成績占10%，要求學(xué)生認真準(zhǔn)備，全程參與獨立完成并按時提交實驗報告；未按時提交實驗報告或?qū)嶒瀳蟾嬗谐u現(xiàn)象的，該次實驗成績按零分計；⑤線上成績占10%，其中，MOOC學(xué)習(xí)完成度和雨課堂隨堂考核各占50%。

3課程評價及改革成效

通過對教學(xué)效果中期和結(jié)課的問卷調(diào)查發(fā)現(xiàn)，超過90%的學(xué)生認為現(xiàn)在的教學(xué)模式很有效果，近80%的學(xué)生認可了英文授課模式，在專業(yè)詞匯和英文表達方面得到了顯著提高。在教學(xué)目標(biāo)與教學(xué)計劃、教學(xué)實施的相互支撐下，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)能力得到提高，特別是專思創(chuàng)融合的設(shè)計和“十六字”教學(xué)理念的貫徹等教學(xué)改革措施的實施，有效提高了學(xué)生的專業(yè)素養(yǎng)和雙創(chuàng)能力。相關(guān)經(jīng)驗可推廣到其他相關(guān)專業(yè)課的教改中。

基金項目：燕山大學(xué)課程思政示范課程（名師、團隊）項目（KCSZSF016）；教育部新工科研究與實踐項目子項目（2020XGK10、2020XGK11）；科技部“創(chuàng)新方法高等教育人才培養(yǎng)研究與示范”（2020IM030100）。

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