旨在培养学生高阶思维的应用型大学机器人工程实验教学体系构建初探
[摘 要] 本文主要探讨了构建一套致力于未来型人才培养理念的机器人专业实践教学体系。通过在开放的机器人实验平台上，针对我校机器人工程专业的培养目标，深入挖掘机器人实验室现有实验设备的潜力，构建机器人工程专业实验教学体系，提高现有设备的利用率和机器人专业的实验教学质量，培养具有高阶思维要求的机器人工程专业学生。
[关键词] 高阶思维；应用型大学；实验教学；课程体系
0 引言
21世纪的学校需要整合3个“R”（即核心课程）和4个“C”，即批判性思维与问题解决、交流合作、创造与创新。2016年9月，《中国学生发展核心素养》总体框架正式发布，其提出了六大素养并细化为18个基本要点，包括理性思维、批判质疑、勇于探究、勤于反思、问题解决、自我管理等[1]。由此可见，不管是美国还是中国，均将高阶思维认知能力列为未来人才的必备技能。因此，未来学校的建设必须以培养学生的高阶思维认知能力为目标与基本理念，以为未来社会提供创新型人才为目的[2]。
随着新一轮科技革命与产业变革，教育部在2017 年2月提出了新工科建设理念，并发布了《关于开展新工科研究与实践的通知》和《关于推进新工科研究与实践项目的通知》，为中国的理工科教育指出了新的方向和目标。工程教育与产业发展紧密联系，从新工科人才的培养要求和目标来看，在理工科教学中实验教学将会起到比以前更为重要的作用，在新工科人才培养过程中实验教学将成为最重要的一个教学环节[3]。然而普通高校现行的工科实验教学在方式，方法和内容上基本都达不到新工科提出的未来型人才培养要求和目标。特别是在提升学生工程科技创新、创造能力；树立综合化工程教育理念方面现有的实验教学体系和方式还有很大的欠缺。机器人工程专业是近年才设立的一个新的专业，实验教学体系尚处于摸索阶段[4]。
因此，构建一套致力于未来型人才培养理念的机器人专业实践教学体系，通过在开放的机器人实验平台上，采用嵌入式多轴运动控制器作为控制系统，实现机器人的示教再现、离线编程、运动控制、机构设计及仿真，图像采集等多个实践分支。在传统工业实践教学环节中引入新技术，充分挖掘我校智能制造学院新建机器人实验室的教学支持潜力，在专业综合实验、工程应用综合设计、生产实习、课外科技创新和毕业设计中，进一步培养学生认识和理解工程实际、综合运用理论及提高解决工程实际问题的能力、团队协作、人际沟通与创新意识，使学生具备高阶思维并解决复杂工程问题的能力，指导应用型本科的学生在实践中学习，在实践中研究，在实践中创新。
1 研究目标及主要内容
1.1 研究目标
通过充分调研国内外机器人专业实验教学现状的基础上，针对我校机器人工程专业的培养目标，深入挖掘机器人实验室现有实验设备的潜力，构建机器人工程专业实验教学体系，提高现有设备的利用率和机器人专业的实验教学质量，培养具有高阶思维要求的机器人工程专业学生。
1.2 主要内容：
如图1所示，首先完成入学示教实验环节设计：以新生参观为主，指导教师展示六自由度机械臂的操作及应用，提高学生对机器人工程的学习热情及专业认可度。其次，完成课带/独立实验环节设计（包括实验指导书1-4册，分别在大二/三上下学期开设），同时结合大二/三年级专业基础/方向课，如《机器人学导论》、《机器人视觉系统及应用》、及《智能机器人综合实践》等，开设系列课带/独立实验。最后，完成课程设计/毕业设计实验环节设计，结合学生专业所长及未来工作岗位/报考研究生的专业需要，可开展系列设计相关实验课程，包括工业机械臂机构设计及快速成型、运动学仿真、轨迹规划、图像采集等专业方向，并提供参考性实验指导书。
图1 拟构建机器人工程专业实验教学体系
2实验室建设及课程体系建设并驾齐驱
2.1 现有课程体系中实践环节的构成
在现有的机器人工程专业课程体中，实践类课程受制于实验室硬件建设，包括课内实验、综合设计及课程/毕业设计，有大量空间与实验室建设相结合，并有效支撑各项毕业要求[5]。
图2 机器人工程专业课程体系结构图
2.2培养学生高阶思维的课程实验教学结合实例
以专业基础双语课程《机器人学导论》为例，该课程设置在本科第四学期，是在入学实践、基础课程（机械、电学、力学、计算机语言等）与实验课程陆续开设之后，设置的导向性专业基础课程。
图3《机器人学导论》相关课程设置一览
2.2.1 线上线下混合式教学帮助学生理解基本概念
培养高阶思维并非一蹴而就，必须脚踏实地地从低阶思维开始。这包括比较、鉴别、阐明事物之间的类似之处和不同之处以及根据事物的属性和特征，将它们分类。以工作空间的概念为例，首先采用线上线下混合式教学帮助学生理解并梳理概念。
图4专业基础课线上教学环节
2.2.2使用仿真软件工具提升学习兴趣及思辨能力
在进入实验环节之前，通过仿真软件工具进行观察和分析，归纳出一般化的原理；并通过给定的原理和法则，推论出未知的结果。同时结合错误分析，找出并阐明自己和他人思维中的错误，加深对概念的理解和认识。
图5使用仿真软件工具提升学习兴趣及思辨能力
2.2.3 六自由度机械臂实验将理论与实践相结合
利用六自由度机械臂实验室实操和演练，使学生将理论与实践相结合。根据实验设置，找出对应参数支持的论据；对每一个观点和看法，都要给出支持的论据。最后在庞杂的信息下面隐藏的规律和模式，并对概念进行概括；提出并验证实验观点[6]。这就是高阶思维形成的开端——能够确定并阐明自己对问题的看法。
图6实验设计与课程体系相辅相成
2.3 目前实验室使用情况及相关资料累积
经过数年探索，机器人综合实验室已经在入学示教、课带/独立实验和课程设计等实验教学环节中取得了一定成绩。目前机器人工程教研室已有相当比例的任课教师可以担任独立/课带实验的相关课程；从学生的反馈来看，其实践教学的应用与课程体系的有效结合也得到相当的肯定。
图7新生入学示教
图8机器人综合实践实验报告书
在第一批次的实验课程平台上，进一步完善教学体系，并预备第二、三批次的教学实验课程；考虑多学科实验融合的同时，结合线上线下混合式教学模式，也尝试将实践课程与锦城在线平台相结合，尽力挖掘机器人实验室的教学潜力。
3 结语
以提升学生高阶思维为导向，为机器人工程的实践课程体系提供相关数据和工程实例，需完善实验教学体系，确实推进机器人工程方面应用型未来型人才的培养。在机器人实验室现有实验平台的基础上，挖掘其支持实验教学的最大潜能，服务于机器人工程专业实验教学，相关的设计思路和成果或可为其它专业推进人才培养模式改革提供支持。
参考文献：
[1]乔治·库, 金红昊. 非认知能力:培养面向21世纪的核心胜任力[J]. 北京大学教育评论, 2019(3).
[2]邹广严，抓住‘两个关键’，做到‘五个提升’，实现教书、育人的新跨越[J]，锦城活页文选2021（2）：32-46.
[3] 唐宏伟. 地方本科院校机器人实验室建设方案初探[C].高等教育，2019（10）：61.
[4]翟国军. 机器人工程实践创新实验室建设的思考[J].电子科学技术，2017(01):126-169.
[5]朱海荣. 基于“专业认证+新工科”的类人机器人实验室建设[J].实验技术与管理，2019(05):176-180+208.
[6]祖霁云，Patrick Kyllonen，非认知能力的重要性及其测量[J]，中国考试，2019（09）.
