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PBL教学方法在机器人教学中的应用研究

作者:未知

  摘   要:“新工科”建设对机器人领域人才培养提出新的要求,结合机器人领域课程强交叉、重实践特点,PBL (Project-Based Learning)教学方法可用于机器人领域教学。研究PBL教学方法在机器人教学领域中的应用,结合机器人领域研究生阶段的课程特点提出PBL教学环节设计思路。以《机器人学》课程为具体研究对象,从问题驱动、实验分析、项目实践三个方面设置相应的教学内容。课程结束后对全体学生发放调查问卷,问卷结果表明PBL教学方法在《机器人学》课程教学中取得了显著的效果:①在本门课程教学中,PBL教学方法在知识获取与理解、问题发现与创新、学习能力锻炼上对学生都有促进作用;②超过70%的学生认可PBL教学方法的考核方式。PBL教学方法在本课程中的成功应用给机器人技术人才创新培养提供了良好的教学途径。
  关键词:PBL教学;机器人学;新工科
  中图分类号:G424.1 文献标志码:A 文章编号:1673-8454(2019)19-0073-04
  当前世界范围内新一轮科技革命和产业变革加速進行,突破核心关键技术,构筑先发优势,迫切需要培养大批新兴工程科技人才。2017年2月以来,教育部相继发布了《关于开展新工科研究与实践的通知》、《关于推进新工科研究与实践项目的通知》,先后形成“复旦共识”、“天大行动”和“北京指南”,构成了新工科建设的“三部曲”。[1] “新工科”建设需统筹考虑“新的工科专业、工科的新要求”。复旦共识中提出“我国要加快建设和发展新工科,一方面主动设置和发展一批新兴工科专业,另一方面推动现有工科专业的改革创新”。[2]根据教育部2019年3月公布的新增本科专业名单,增加部分高校开设机器人工程专业,国内将有101所高校开设该专业。机器人技术涵盖多个学科,涉及控制科学工程、计算机科学技术、机械工程、生物医学工程、材料科学工程等学科,[3]是新工科建设最具代表性的前沿交叉学科。[4] “新工科”提出要培养“科学基础厚、工程能力强、综合素质高的人才”。在现行的课程体系下,机器人领域的人才培养面临传统工科教育的问题,如课程知识陈旧,专业结构老化;课程模式单一,授课形式僵化。[5]如何改变现行教学方式、探讨合适的教学方法,对机器人领域“新工科”人才培养有重要意义。
  在研究生教学阶段,课程教学内容设计应考虑工科培养的特点,重点培养学生的工程能力,强化学科交叉意识,对创新能力和实践能力应予以足够重视,而非仅停留在对学分的简单堆积上。在研究生培养课程中,机器人领域的课程涉及范围广,理论知识要求高,实践性强,诸如《机器人学》、《现代机电控制》课程均具有这些显著特点。结合研究生课程设置特点,选择一种或多种教学方法,提高学生的创新实践能力,符合“新工科”人才培养的要求。
  传统“填鸭式”教学方法更加关注理论知识讲授,考核方式单一,教师作为授课主体,学生与教师互动机会少。在机器人教学领域,美国卡内基梅隆大学提出STEM(Science、Technology、Engineering、Math)教学方法,课程设置包含范围非常广阔,并在其学校网站上提供了大量的开源课程,学生可自行下载或者观看感兴趣的网络课程。分析多门课程内容可以发现,课程中包含大量的实践项目环节,学生需要在课堂知识的基础上,结合项目要求完成相应的设计。项目设计作为课程内容设计的重要环节已引起国内教学人员的重视。在国内文献研究中,PBL(Project-Based Learning)教学方法在STEM课程中的应用受到关注。[6]PBL教学方法在医学院、商学院、教育学院以及工程教育学科得到了广泛应用,[7-9]研究表明,PBL教学方法在培养学生的评判性思维、矛盾解决能力、交流沟通能力、创新动手能力方面明显优于传统教学方法。[8]将PBL教学方法应用在机器人领域人才培养,可提高学生的工程实践能力,培养学生的创新意识。
  一、PBL教学特点分析
  PBL教学方法通常具有5个教学特点——问题驱动、情境咨询、模型搭建、相互合作、技术工具辅助。[10]在PBL教学方法中,问题驱动思想贯穿整个项目设计。合理的驱动问题,给学生提供探究问题的目标、科学实践的内容,让学生在问题框定的范围进行研究。通常情况设置的驱动问题有多种答案,给予学生探索发挥空间,问题设置的初衷为抛砖引玉,而非追求单一的答案形式。当学生寻求问题的解决方法时,可以加深对概念等理论知识的理解,灵活运用所学知识。情境咨询即根据课程内容设计学生易于理解或操作的教学场景,学生可以在场景中完成项目实践活动。相互合作通常贯穿于整个项目运行中,整个教室的成员包括教师和学生成为学习的整体,学生可以与同学或者教师一起研究问题、讨论数据、展示研究成果。技术工具帮助将教室转化为特定的知识学习场景,既可以用作科学实践工具,也可以动态地展示学习成果,给学生和教师提供了从课堂走向课外的机会。模型创建让学生自己创建知识框架,在模型创建过程中,学生可以根据驱动问题的限定和提示,创建物理或者计算机模型、报告、图纸、游戏等不同形式的模型。模型可以高效地展示学生对设定的驱动问题的回答情况和对知识的理解程度,鼓励学生学习与目标问题相关的知识,给学生创作提供灵活性和创新空间。
  PBL教学方法注重引导学生将所学知识应用于实践中,项目设计需结合课程内容自始至终,分阶段、分内容进行,注重启发式教学。PBL教学方法强调学生作为学习主体的作用,鼓励学生在教师的指导下主动完成相关的课程项目。从PBL教学特点可以看出,PBL模式促进教学理念由讲授变为探究,师生成为“知识建构的共同体”;教学主体由教师变为学生,强调学生的自主性和能动性;[10]教学方式由课堂走向课下,鼓励学生通过相互合作完成项目实践,激发学生的学习和创新兴趣。
  二、基于PBL的课程教学环节设计
  顾佩华院士指出新工科教育人才培养需使学生同时具备创造性思维、批判性思维、系统性思维、创新和设计等思维方式。[9]PBL教学方法在培养学生的创新创造、动手实践、团队协作等方面具有独特优势。在机器人技术课程教学体系的设计中,结合PBL的一项或几项教学特点设计不同的教学环节,给予学生自由发挥空间,对于培养创新人才、提高学生实践动手能力有显著效果。问题驱动是PBL教学方法的基石,可借助问题设定具体的项目内容或者实践场景。项目实践是该教学方法的最大特色,教学方法的体系设计需结合具体的课程特点,设立合适的实践项目,给学生提供实践的条件和创新的空间。团队协作能力是完成复杂工作的必要技能,因此在设计具体的教学环节时,兼顾不同学生的专业背景和特长,选用小组形式进行教学实践和汇报展示。在汇报展示环节,关注学生的PPT制作水平和语言表达情况,给学生提供一个汇报展示的平台。   课程教学环节的设计需要考虑课程的实践要求和课程交叉特点,鼓励学生创新,更加注重学生作为学习主体的作用,教师更多的是作为教学过程的合作者和引导者。项目设计需要根据课程内容、教学进度设置。在“新工科”培养要求下,项目设置可从以下几方面考虑:课堂内容设计需关注产业应用,参照现在行业内的主流应用案例;[1]实验教学环节设计需考虑理论知识应用和动手能力锻炼;[12]加强课堂互动,检查学生的学习效果,提高学生的学习兴趣。因此在具体的课程环节设计上,应注重行业典型案例和前沿知识介绍,避免案例陈旧、脱离当下机器人发展趋势;需结合当前高校条件开设相应的实验课程,同时可探讨校企联合培养,让学生深入企业参观学习,锻炼动手实践能力;在开发项目设计上,可参考国外高校项目设计内容,结合高校具体的培养方向设计适合自己高校的项目。在机器人领域,除传统的工业机器人,还有特种机器人、软体机器人、生活机器人等迎来新的发展机遇,可引导学生研究相关的技术,拓宽学生的视野。此外在教育部发布的有关“人工智能+”通知文件中,机器人领域作为人工智能应用的重要领域之一,引导学生关注人工智能在机器人领域的应用,智能伺服控制、计算机视觉、自然语言理解等人工智能学科与机器人的交叉设计,鼓励学生学习相关技能,提供项目开发设计平台。
  正如“新工科”建设达成复旦共识中所说“新工科建设需要加强研究和实践,围绕人才培养的新模式、教育教学的新质量等内容开展研究和实践”。将PBL教学方法尝试应用在《机器人学》课程教学中,引导学生在有限的课时中学好理论基础知识,加强学生动手实践能力,培养学生的创新意识。对于学生而言,需完成资料检索、理论分析、项目设计、汇报展示等工作。
  三、PBL教学方法应用
  《机器人学》是机器人领域人才培养的一门重要的专业基础课。在《机器人学》课程PBL教学方法环节设置上,重点有三阶段的工作。第一阶段是问题驱动下的课堂展示,问题驱动贯穿整个PBL教学体系的设计,设置教学问题可以让学生在问题指定的框架下寻找答案,专注于特定的教学环节。因本课程面向研究生开设,在研究生阶段的培养目标是科研型人才,更加注重对科研领域的发展趋势和新技术的把握。然而传统教学模式中主要对机器人的结构设计、运动学、动力学、控制方法等内容进行讲述,新理论和新方法包含较少,目前的《机器人学》教学在机器人技术的前沿领域关注较少,课堂知识仍然沿用传统的教材框架。因此结合PBL的问题驱动以及学生为主体的学习特点,设置学生关于“机器人结构及原理分析”的课堂展示,鼓励学生自行分组调查在仿生制造、工业生产、人工智能、生活服务等领域涌现的新型机器人及其应用的新技术,归纳感兴趣领域的技术发展趋势以及当前技术的原理;同时鉴于后续课程需要,学生需将以前学习的《机械原理》课程的相关知识应用到机器人结构分析上,为后续课程打好基础。
  在第二阶段的教学过程中,利用学校提供的实验室条件,进行操作实验与理论知识分析。借助于学校现有的实验设备搭建实验场景,让学生在实验过程中应用所学知识进行分析,可以促进理论知识与实践应用相结合。学校为本课程提供工业六轴串联机器人两套,机器人末端含有相應的夹持器,展示了工业机器人的搬运、组装功能;同时提供含有ABB并联机器人自动上料、分拣的小型生产线演示设备一套,该设备包含物料运输区、带摄像头的机器人自动分拣系统和物料转移存储区。在教学中,根据学校提供的设备及场地情况,安排学生进行实验。实验内容设计结合PBL的教学思路,要求学生首先学习操作串联机器人及并联机器人,在操作完成后,需结合课程的基础知识,绘制出串联机器人和并联机器人的结构简图。该部分课程重点训练学生将理论与实际结合的能力,同时对工业机器人常见的两种结构形式——串联和并联有具体的认识,了解工业机器人常见的工作模式。
  在课程的第三阶段,依靠PBL教学方法模型搭建的启发,通过课程提供的条件完成与课程相关的项目并进行汇报展示,在项目设计中给学生足够的自由发挥空间,体现学生的创新想法。课程提供了智能小车机器人教学组件,学生分组完成项目设计。智能小车组件具有红外、超声等传感器,设计者可实现小车跟踪、避障等功能,学生可自行设计应用场景,使用Arduino编程组件进行编程设计,完成特定功能并进行现场展示。在教学中发现,部分学生设计的场景具有新意,可流畅完成相关的功能,展现了很强的创新能力。
  四、问卷调查分析
  选择北京航空航天大学2017级研究生选修《机器人学》课程的50名学生为研究对象,实施一个学期的教学方法改革实践,鉴于选课班级只有一个,不再设置对照组。在课程结束后,对全体课程学生发放调查问卷进行教学效果评估。[11]
  依据文献资料,PBL教学方法在学习能力锻炼、知识获取与理解、问题发现与创新三方面相较传统的教学方法有明显优势。因此,调查问卷设计时突出PBL在上述三方面对学生的提升情况,利用统计学知识分析PBL教学法在本课程中的应用效果。本次调查问卷发放50份,回收50份,回收率100%,问卷有效率100%。问卷设有学习能力锻炼、知识获取与理解、问题发现与创新三个一级指标。本研究利用SPSS 25.0软件对问卷进行了信度检验,经测定,问卷Cronbach的α值=0.752,信度值大于0.7,说明本次调查问卷结果信度较高,可反映调查者的态度倾向。为验证PBL教学方法在三个指标方面的效果,对问卷进行因子分析。首先对问卷进行KMO 值检验,KMO=0.747,大于0.6的参数临界值,同时进行Bartlett球形检验,显著性结果为0.000,表明可进行因素分析。本文根据相关矩阵参数值排除问卷调查问题2、问题15以及问题16,对剩余问题进行主成分分析。选用Kaiser的特征值大于1的方法判断保留主成分数量。为使结果清晰,量表分析时选用了最大方差法对转轴进行旋转。经量表显示,主成分为3时,累计解释百分比为59.959%,近似为60%,对于社科统计类分析,可认为该主成分选取充分解释了问卷变量与结果的关系。   根据对调查问卷成分矩阵的分析,结合具体的题目设计,可分别判断成分一为知识获取与理解,成分二为问题发现与创新,成分三为学习能力锻炼。由统计量表结果可知,PBL教学方法在本课程应用过程中,对学生的知识获取与理解、问题发现与创新、学习能力锻炼方面均有较好的结果。
  此外,调查问卷设计了对课程考核形式的调查,选项A为传统闭卷笔试形式,最终成绩由“卷面分数+平时分”构成;选项B为项目报告、答辩形式,最终成绩由“报告质量+成果展示+个人答辩表现”构成;选项C为其他。75.9%的学生选择了B。通过对考核方式的调查,可以得出,超过70%的学生认可PBL教学方法在课程中的考核方式。
  在课程考核结束后,笔者对学生进行访谈,访谈主要涉及学生对PBL教学方法的优点和缺点的认识。优点方面:学生认可该教学模式可以让学生有更灵活的发挥空间,在解决实际问题时运用课堂所学知识,提高了学习的主动性和趣味性。缺点方面:部分学生指出在项目设计与完成时跟不上小组其他成员进度,参与程度不高,学习的压力较大。
  五、结语
  机器人领域的课程教学具有明显的学科交叉特性和实践要求,选用PBL教学方法可以很好地满足课程特点和人才培养要求,教师可以根据课程内容灵活地设置教学环节。结合“新工科”培养要求,根据PBL教学方法的特点,本研究给出基于PBL教学方法的教学环节设置建议。本文以《机器人学》课程为应用案例进行了实践探索,设计了该课程具体的教学环节,课程结束后向全体选课学生发放调查问卷并进行访谈。从调查问卷结果可以看出,PBL教学方法以及其考核方式得到了70%以上學生的认可, PBL教学方法在知识获取与理解、问题发现与创新以及学习能力锻炼等方面对学生有明显的促进作用。基于学生访谈反馈,在后续教学中,在设置PBL教学环节时会考虑不同学生的基础情况以及专业背景,让每个学生都可以发挥各自的专业特长,更好地参与到项目中,更好地进行课程学习。
  PBL教学方法在机器人教学领域的探究为培养创新工科人才提供了具体的方法,在实践应用过程中应结合具体课程内容灵活设计,不断进行实践探索。
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  (编辑:王天鹏)
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