機器人工程設計實踐課程啟發式教學方法探索

白小山 李暢 鄒嘉豪 張博

摘 ?要：隨著科技的不斷發展，機器人技術得到了廣泛的應用和發展，機器人工程設計與實踐課程也成為高校工科教育中的熱門課程。為推進本科自動化專業實踐教學體系的改革，探索將啟發式教學理念運用于機器人工程設計與實踐課程教學的可行性。針對傳統教育模式的現狀與存在的問題，提出一系列基于啟發式教學理念的解決方案，并最終對取得的教學效果予以分析。

關鍵詞：機器人；啟發式教學；工程設計與實踐；課程改革；教學效果

中圖分類號：G642 ? ? ?文獻標志碼：A ? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2023）33-0110-04

Abstract： With the continuous development of science and technology， robot technology has been widely applied and developed， and the course of Robot Engineering Design and Practice has become a hot topic in engineering education in universities. In order to promote the reform of the practical teaching system for undergraduate automation majors， the feasibility of applying heuristic teaching concepts to the teaching of robot engineering design and practice course is explored. Aiming at the current situation and existing problems of traditional teaching models， a series of solutions based on heuristic teaching concepts are proposed， and finally the resulting teaching effects are evaluated.

Keywords： robot; heuristic teaching; engineering design and practice; curriculum reform; teaching effect

機器人是“制造業皇冠頂端的明珠”，其研發、制造、應用是衡量一個國家科技創新和高端制造業水平的重要標志[1]。機器人工程設計與實踐課程作為理工科尤其是自動化專業中重要的專業核心課程，是將機械、自動化、機器人等重點學科理論知識和工程設計與實踐相結合的天然橋梁，兼具理論性和實踐性。機器人課程可以培養學生的創新思維、動手能力和科技素養，提高其綜合能力和就業競爭力。通過機器人相關課程的學習，學生可以了解機器人的原理、構造和應用，培養學生解決問題的能力和團隊合作精神[2-4]。機器人工程設計與實踐課程目標不僅定位于培養學生掌握輪式機器人、履帶底盤機器人、足式機器人等機器人的結構設計與編程控制等基本知識，更著重于培養學生科學嚴謹的邏輯思維能力和銳意進取的實踐創新能力，為粵港澳大灣區建設與發展培養勇于探索、意志堅定、能解決自動化領域復雜工程問題的應用型人才。

國家目前大力支持機器人相關技術研發與設計，其中《中國制造2025》提出，要將關鍵工序智能化、關鍵崗位機器人替代，促進機器人標準化和模塊化，突破機器人技術瓶頸[5-6]。為更好培養能解決機器人領域復雜工程問題、意志堅定的應用型人才，機器人工程設計與實踐課程改革應著重于建立高效的創新教學方法，在教學過程中持續啟發同學們對為什么要學習本課程、本課程每周上課期間要掌握什么課程內容，以及該如何很好地掌握課程內容等與課程密切相關問題的思考與認識，充分發揮學生課程學習與實踐的主觀能動性和自主性探索能力。然而，針對機器人工程設計與實踐類型課程，當前教學方式大多采用 “填鴨式”教學方式一味給學生被動地“灌輸”教科書知識。在實際教學中同學們常認為這是一門單純的實踐課，不知如何靈活運用自動控制技術、C程序設計和機器人技術的相關原理與方法解決課程中的實際工程問題，以至于學習興趣和學習效率有待提升，無法很好培養學生勇于探索、銳意進取的實踐創新能力。因此，急需探索和實踐高效創新的啟發式教學方法以培養學生主動思考等良好習慣，從而有效激發學生的創新性思維和提升他們的自主探索學習能力[7-10]。

一 ?傳統教學的現狀與存在的問題

基于筆者對機器人工程設計與實踐等相關課程的教學經驗、學生反饋和課程報告分析，發現該課程在傳統教學方式授課下的缺點和不足主要包括下述四個方面。

其一，學生的主觀能動性較低。傳統教學方式注重知識的傳授和灌輸，學生往往是被動接受和消化知識，缺乏主動性和創造性。在這種教育環境下，學生缺乏對自己學習過程的掌控和主導能力，往往只是被要求記憶和重復課堂上所學的內容，而缺乏對知識的理解和應用能力。因此，這種教學方式難以激發學生的主動性和創造性。

其二，在機器人工程設計與實踐等相關實踐課程中，學生需要具備一定的動手能力和實踐經驗，才能夠順利完成課程任務。然而，大部分學生缺乏必備的實踐經驗和動手能力。除此之外，編寫代碼也是這類課程中必不可少的技能之一。但是，部分學生編寫代碼的能力較低，無法熟練地使用相關編程語言。這種情況不僅影響了學生的學習效果，還可能對學生的自信心造成較大的打擊：由于無法在規定的教學時間內完成課堂任務，學生可能會對自己的能力產生懷疑，從而降低他們對課程的興趣和積極性，甚至產生畏難心理。

其三，學生的差異性難以應對，傳統教學方式往往是“一刀切”的教學模式，不能滿足學生不同的學習需求和學習風格，導致學生的學習效果和興趣受到影響。例如，對于那些基礎薄弱的同學，他們往往需要更多的時間來理解和掌握學習內容，無法在規定的教學時間內掌握當堂課程的學習內容，進而產生挫敗感，對學習失去興趣。而對于那些基礎較好、學習能力強的同學，不僅能很快掌握當堂課程的學習內容，快速完成當堂課的課程任務，甚至能自學下節課的學習內容。這些學生可能會覺得課堂內容不夠充實，想要學習更多的知識。但傳統教學方式卻無法提供更多的學習機會，從而讓這些優秀學生感到課程知識乏味不足。

其四，當前課程中部分學生遇到問題時，由于缺乏自信和探索精神，常常選擇優先向老師或助教進行求助，而非自己思考和探索。這種行為不僅限制了學生的自主性和創新性，也會讓學生失去解決問題和積累經驗的機會，導致其缺乏實踐操作和經驗總結，繼而造成他們的綜合能力和創新能力較低。

綜上所述，傳統教學方式存在學生主觀能動性較低、課程學習積極性不高、差異性難以應對和自主探索能力薄弱等問題。針對上述問題，筆者將通過以問題為導向的方式來探索和實踐高效的啟發式教學方法，對機器人工程設計與實踐課程講授方法進行改革。

二 ?啟發式教學理念

啟發式教學是一種基于學生自主探究和發現的教學方法，強調學生的主動性和創造性，在教學過程中引導學生通過發現問題、探究問題和解決問題的方式來學習。相較于傳統教學的“灌輸式”教學模式，啟發式教學更加貼近學生的學習需求，能夠讓學生更加積極主動地參與學習，從而激發他們的學習興趣和動力，提高學生的學習效果。此外，相較于傳統教學的理論講解，啟發式教學注重實踐性和探究性，通過實踐探究和解決問題的方式來培養學生的實踐能力和創新能力。這種教學方式更加貼近學生的學習需求，可以有效激發學生的學習興趣和動力，提高他們的學習效果。其次，相較于傳統教學的“一刀切”教學模式，啟發式教學更加注重個性化和多元化，能夠適應不同學生的學習風格和需求，更好地滿足學生的學習需求和提高教學效果。最后，相較于傳統教學的“教師為中心”教學模式，啟發式教學強調學生的自主性和思考性，在教學過程中引導學生通過探究和發現問題的方式來主動學習，能夠更好地激發學生的學習興趣和動力[11]。這種教學方式可以更好地培養學生的綜合素質和能力，提高他們的綜合能力和創新能力。

總之，啟發式教學是一種有效的教育方式，特別適合現代學生的多樣化學習需求，可以解決傳統教學方式存在的問題，通過激發學生的學習興趣和動力、引導學生的探究和發現、個性化教學、培養學生的綜合能力和創新能力等方式，以提高教學效果和質量，培養學生的綜合素質和能力[12]。

三 ?啟發式教學課程改革

啟發式教學是一種以學生為中心的教學方法，旨在激發學生的學習興趣、提高學習效果。其具體課程改革內容如下。

首先，針對每節課程知識點選取恰當適用的啟發性問題。恰當合適地選擇相關啟發性問題，既有利于調動學生的學習興趣，又有助于學生學以致用、持續發展。教師在選擇問題和案例時應盡可能從學生熟悉的身邊實例和熱點社會現象著手。這樣不僅有助于啟發學生的思維，還能激發他們的興趣并提高教學效果。比如，在講授主控版芯片控制小車循跡過程中小車移動速度及移動位置精確度的局限性時，可以啟發同學們思考為什么美國期望通過禁止華為公司采購美國芯片來延緩我國高新科技的發展速度，通過讓同學們了解認識到我國在高精度芯片研發、設計和制造等重要研究領域與當前國際科技強國之間的差距，引導學生建立矢志奮斗，勇于拼搏的責任感和使命感，有效激發學生們的學習動力和主觀能動性。

其次，巧妙設計課程實踐項目以增強學生的自主探索能力。在機器人工程設計與實踐課程當中，設計兼具趣味性與挑戰性的移動機器人闖關晉級技能挑戰賽實踐項目，如對集避障、循跡、貨物搬運與卸載等多功能于一體的自主移動小車進行結構設計、組裝及編程控制。不同機械結構和控制策略往往都可以讓小車具備要實現的相關功能，如具備循跡功能的小車可以采用前輪驅動的方式進行循跡，也可以選擇以后輪驅動的方式進行循跡，可以是組裝輪式小車進行循跡，也可以組裝履帶底盤類型小車進行循跡。在同學們對機器人進行組裝及編程控制的過程中，引導學生思考、聯想，結合運用既有理論和實踐經驗展開創造性思維，建立突破陳規、追求進步和銳意進取的改革創新時代精神，學會發現新的問題和提出有效的解決方案，不斷提升學生的自主探索能力。

最后，采用多元化的教學方式。傳統教學主要以課堂講解為主，容易使學生產生學習疲勞，降低學習積極性。并且在機器人工程設計與實踐課程中，有一些課程實踐內容重復度高，因此，可以采用多元化的教學方式來激發學生的興趣和學習熱情。例如，采用“分組對抗”的方式，即學生自行組建團隊，團隊內協調合作，團隊間相互競爭。一方面，團隊合作可以極大節省一部分枯燥且乏味的機器人安裝步驟，有利于學生掌握機器人小車的其他控件組裝技術，推動機器人小車組裝多元化發展。另一方面，團隊競爭極大地調動了學生的積極性和探索性，讓他們在實踐中更好地掌握機器人小車的相關組裝技術。

基于筆者前期在機器人工程設計與實踐等課程上的教學經驗，將以問題為導向的方式構建高效的啟發式教學方法，具體步驟分為以下五個環節。

其一，啟發式問題構建階段。啟發式問題是一種開放性、挑戰性、啟示性強的問題，與學生所學知識、理論等緊密聯系，能夠引導學生思考和探究，激發學生的好奇心和求知欲。同時，所構建的啟發式問題應兼具趣味性和靈活性。問題的形式應該多樣化，可以采用游戲、案例、視頻、熱點社會現象等多種形式，以吸引學生的注意力。此外，問題的答案也應該盡可能開放，給學生充足的思考空間，鼓勵他們自主探索。為了幫助學生更好地探究問題，教師可以提供豐富的學習資源，例如文獻、案例、網站鏈接等，以幫助學生深入了解問題的背景和相關知識。

其二，問題分析階段。第二步是讓學生充分討論和分析問題，并通過團隊協作和競爭鍛煉學生的能力。采用團隊/小組協作形式可以促進理論知識和實踐技能的學習，同時也能夠提升學生的溝通和協作能力。此外，不同團隊的競爭又使得團隊成員通過各展所長和緊密配合來做好團隊建設以取得更好的成績。由于課時有限，對于知識點較少且比較簡單的問題，可以在課堂上采用隨堂討論的方式進行探討；而對于知識點較多、復雜性和綜合型的問題，則建議學生在課后認真搜集資料，形成一個書面方案，并在課堂上進行組內同學之間的交流和討論。這樣可以在有限的課時內更好地激發學生的學習興趣，同時也有利于學生的知識掌握和能力提升。在此階段，教師作用是通過提問引導學生更好地理解問題，而非直接提供答案。

其三，問題解決階段。在問題解決階段，學生將在小組討論中提出解決方案。此階段以小組展開為主，旨在鍛煉學生的理解洞察能力、語言表達能力、邏輯思考能力和材料組織能力，同時也重點培養學生團隊合作的能力。此階段，先引導學生對小組討論的情況做出全面介紹，然后再由教師重點考察他們對課程問題和有關理論的準確理解，以及解決方案在創造性、科學性、可操作性等方面的表現。

在解決問題過程中，學生需要通過小組討論來集思廣益，不斷尋找最佳的解決方案。在這個過程中，學生能發揮自己的才智和創造力，鍛煉自己理解問題和解決問題的能力。此外，在小組討論的過程中，學生還能培養出團隊合作的能力：他們需要與小組成員緊密合作，相互協作，共同制定出最佳解決方案。通過這種方式，學生不僅能夠高效率地完成任務，還能夠提升自己的團隊合作能力。

其四，方案辨析啟發階段。方案辨析環節是整個教學過程中非常關鍵的一個階段，其旨在實現“啟發”的目的。在教師的引導下，各個小組學生可以進行持續性的問答和碰撞，并在回答和互動中歸納出新的結論或方案。這個過程中，教師應該把學生的誤解或錯誤記錄下來，而不是直接指出來，這樣可以鼓勵學生繼續參與討論，發掘潛在的思維盲點和局限性。

在方案辨析環節中，教師的角色類似于“知識助產者”，引導學生深入思考，完成從實踐層面到理論層面的跨越。教師應該注重提問的技巧和方法，讓學生在思考的過程中逐漸形成自己的思考框架和思維方式。同時，教師還應該考慮學生思維過程和思維方式的多樣性，鼓勵學生在思維碰撞中發掘不同的思路和方案。思維的激烈碰撞能夠增強學生的學習動力和深度理解，從而達成更好的學習效果。在方案辨析環節中，學生可以通過互動和交流的方式，不斷完善和優化自己的方案，從而提高自己解決問題的能力和創新能力。教師應該在這個過程中發揮指導和引導的作用，激發學生的學習熱情和創造力，讓他們在學習中不斷成長和進步。

其五，升華階段。升華階段是對前四個階段的總結提升。每個小組學生依次上臺，總結問題解決過程中涉及的知識點、理論和方法。每個小組發言的學生要盡可能與之前該小組匯報方案的學生不同。該階段的主要目的是有理有據地得出最佳方案或明確闡述自身小組的全部方案。任課教師在學生總結的基礎上進行最后點評，視情況補充講解相關理論知識，并與學生一起評選出一支最佳小組/團隊，起到榜樣作用和激勵作用。此外，教師還可以通過設置課后作業等方式巧妙地引導下一次課即將實踐組裝的主要內容。

總的來說，啟發式教學的具體步驟包括啟發式問題構建階段、問題分析階段、問題解決階段、方案辨析啟發階段和升華階段。這種教學方式可以提高學生的學習興趣、學習效果和自主學習能力，幫助學生更好地掌握知識。

四 ?教學改革效果評估

筆者運用啟發式教學模式在機器人工程設計與實踐課程中，取得了顯著的效果。首先，基于學生不記名的問卷調查發現，啟發式教學取得的教學效果良好：大多數問卷反饋者認為課程中所采用的教學方法使自己的學習興趣明顯變濃，對于更好地理解課程知識起到了關鍵作用。其次，學生的創新能力和解決問題的能力得到了顯著的提升。在實踐操作中，學生需要不斷地解決各種問題，培養了他們的創新能力和解決問題的能力。此外，個性化教學也取得了很好的效果。針對學生的不同學習需求和學習風格，采用差異化教學、小組合作和個性化輔導等方式，讓學生得到了更好的支持和幫助。最終，學生的綜合能力得到了很好的提升，他們的團隊協作能力、溝通能力和實踐操作能力得到了顯著的提高。

五 ?結束語

啟發式教學作為一種基于學生主動學習的教學模式，將在未來得到更廣泛的應用和發展。未來，啟發式教學將會更加注重個性化教學，采用更多的數字化技術和教育技術手段，滿足學生不同的學習需求和學習風格，提高學生的學習效果。同時，啟發式教學也將更加注重學生的實踐操作和實踐經驗的積累，通過更多的實踐活動和項目設計，培養學生的綜合能力和創新能力。此外，啟發式教學還將更加注重跨學科的融合，將不同學科的知識和技能進行整合和綜合，培養學生的綜合素質和能力。最終，未來的啟發式教學將會更加注重培養學生的終身學習能力和自主學習能力，讓學生在全球化和信息化的背景下，具備更強的適應性和競爭力。

參考文獻：

[1] 林念修.機器人是“制造業皇冠上的明珠”[J].中國經貿導刊，2016（33）：14-15.

[2] 栗琳，鄭莉芳，馬飛，等.產教融合的機器人工程專業實踐教學體系構建研究[J].高等工程教育研究，2021（4）：88-92.

[3] 張建化，杜雨馨，聞東東，等.機器人工程專業導論課程思政教學設計與實踐[J].湖北開放職業學院學報，2022，35（15）：73-75.

[4] 袁慶丹，華蕊，劉軍.基于頂石課程理念的機器人課程設計的探索[J].中國現代教育裝備，2022（5）：126-129.

[5] 胡俊立.“中國制造2025”背景下高端制造業人才需求研究——以工業機器人專業為例[J].科技傳播，2019，11（17）：139-140.

[6] 沈言錦.中國制造2025背景下高職院校工業機器人專業人才培養模式研究[J].中國教育技術裝備，2018（21）：120-122.

[7] 吳婧姍，王雨潔，朱凌.學科交叉：未來工程師培養的必由之路——以機器人工程專業為例[J].高等工程教育研究，2020（2）：68-75.

[8] 楊建磊.國外機器人教育的發展及啟示[J].藝術科技，2013，26（6）：296.

[9] 華子森，孫亞茹，田興，等.機器人工程專業實踐課程體系建設與規劃[J].中國現代教育裝備，2022（19）：124-126.

[10] 吳振宇，劉禹彤，馮林.機器人實踐教學體系改革探索[J].實驗室研究與探索，2017，36（6）：192-195.

[11] 杜瑞卿，劉瑩娟，夏敏.啟發式教學和傳統式教學效果的比較分析——以“人體組織學與解剖學實驗”為例[J].南陽師范學院學報，2022，21（6）：63-66.

[12] 楊朝斌，劉麗峰.啟發式教學理念與方法探究——以“計算機圖形學”為例[J].教育教學論壇，2021（3）：145-148.