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多学科交叉的人才培养模式研究
摘要：机器人工程专业人才的培养规模，无法满足市场的人才需要，高校通过智能机器人“微专业”的培养模式，扩大了机器人人才培养规模。利用课余时间和学生兴趣为导向，以机器人背景的项目为载体，实践制作为主，分级建构课程项目序列，按照小组学习和双导师制模式，通过在线学习平台的支撑，完成微专业的学习，微专业是人才培养模式的有益补充，为人才培养提供了新思路。
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机器人产业是我国的战略支柱产业，随着机器人产业的快速发展，机器人专业人才的需求与日俱增，但依靠高校“机器人工程”专业培养的人才，无法满足市场人才需要。
“机器人工程”专业是一个多领域交叉融合的前沿学科[1]，为了解决人才的供需矛盾，通过设立智能机器人“微专业”，把机电类、通信类、计算机类等与“机器人工程”相近专业的优秀学生吸引来，通过弥补其原专业的欠缺，培养出可从事机器人领域工作的技能，富有多学科交叉融合能力以及较强的工程实践能力的高素质人才[2]。
一、课程体系的理念
（一）以实践项目的成果为导向，实现知识与能力的融合
微专业培养目标是弥补其原专业与机器人工程专业的欠缺，使学生能够运用机器人专业知识设计有效的工程技术解决方案。
微专业的课程设置以实践项目为载体，以“智能机器人”为背景，以“知识能力”的有机融合，能够解决复杂问题的综合能力为目标。
图1微专业的课程体系结构
课程体系如图1所示，以三级项目为核心，分为一级课程学习项目、二级课群学习项目、三级项目设计类和四级产品设计类。
一级项目主要目标是奠定机器人基础知识。通过基础课程项目选择和训练，补充学生在原专业没有学习的机器人学科基础课程内容。片面的单个课程的学习，并不能满足多学科交叉融合能力的培养，同时，由于微专业的学生是在课余时间训练，无法有充裕的时间作为保证，通过二级和三级项目设置，以团队合作方式，按照机器人相关课群进行项目的应用和设计，提高学习效率。最后，通过四级产品设计类项目的训练，达到解决复杂问题的综合能力的培养目标。
（二）以“支架式”理念，建构课程序列
微专业的学习，时间不占优势，因此要充分发挥学生的学习兴趣，科学设计课程项目序列，达到有效、高效的训练计划。
课程体系采用支架式建构过程，即学习阶段、实践阶段、应用阶段和研究阶段，通过设计合理的渐进螺旋式实践项目的学习，实现最终智能机器人微专业人才培养目标，如图2所示。由于智能机器人微专业课程涉及多学科交叉融合，所以项目设置充分考虑融合的特点，实现本专业与微专业的融合、知识与能力的融合、竞赛与项目的融合、理论与实践的融合。
图2课程体系设置
二、课程体系的设计
（一）项目驱动体系结构
按照培养目标和学生的可利用时间，微专业设定了两年的学习计划，即四个学期的课余时间和两个暑假完成教学项目。
根据课程体系的设计理念，按照项目驱动能力的要求，进行教学设计。详细项目设计，如表1所示。通过项目驱动目标不同进行分类，按照四级递进完成项目的学习过程。
第一年，主要考虑基础项目的学习，从机械、软件和控制三个角度，补充机器人相关专业基础知识。
项目一：智能机器人走迷宫（编程类）
项目二：车牌识别软件开发（编程类）
项目三：机器人无线通信模块（控制类）
项目四：机器人视觉图像采集模块设计（控制类）
项目五：移动机器人设计与制作（机械类）
项目六：类人机器人腿部结构设计（机械类）
对于智能机器人的设计，环境感知技术是基础，控制是关键，本体是骨架。
项目一和项目二是编程类项目，主要涉及《语言程序设计》类和《数字图像处理与模式识别》类课程。通过项目训练，学生能够应用语言程序中的基础知识，能够归纳出软件开发流程，增强学生应用程序，分析和解决环境感知问题的能力。
项目三和项目四是控制类项目，主要涉及《机器人通信技术》《单片机原理与接口技术》《机器人感知技术（传感器）》等课程。学生能够应用机器人视觉图像采集系统的软、硬件的设计方法，应用机器人协调工作、人机交互的通信系统知识，能够提出对机器人图像采集和通信问题的解决方案，培养学生的控制系统设计与开发能力。
项目五和项目六是机械类项目，主要涉及《机械制图》《机械原理》《机械设计》等课程，学生能够通过应用机械类课程相关知识，解决机械工程中相关设计问题，同时能够利用绘图软件完成机械创新设计。
通过六个项目的训练，学生能够对机器人的感知、控制和本体有深入的体会和对基础知识的理解，实现第一阶段对基础知识拓展的目标。
第二年，是核心阶段，目标在于应用。通过课群项目和竞赛项目的训练，学习应用机器人相关知识[3]。最后，在完成应用的基础上，进行创新设计，实现利用专业知识解决机器人领域相关实际问题。
在课群项目中，设计了三个项目，供学生自主选择其一完成，每个项目需要软件、控制和机械的3个学生形成学习小组，协同合作，共同完成。
项目七：魔方复原机器人
项目八：擂台机器人
表1项目驱动的体系设计
项目九：物流机器人
课群项目以前面的六个项目为基础，目标是实现软件、控制和机械的交叉融合，让每个学生在完成项目的训练过程中，不但能够发挥自身专业的优势，同时利用软件、控制和机械的交叉融合学习小组，学习机器人涉及的其他专业知识，融会贯通，互相促进。
通过一、二级项目的训练，学生基本具备制作机器人的基础，为了提高学生的兴趣和获得感，三级项目以赛代练，通过选择与机器人相关的竞赛项目，搭建高水平竞赛平台，让学生在实战中发现问题，解决问题，提高设计能力。
经过三个层次的训练，学生形成了自己关于机器人的设计思想和解决问题的方法，因此四级项目以创新为导向，以工程实践能力提升为目标，导师根据机器人实践应用背景，与学生共同探讨题目，学生在导师、学习小组和在线学习的共同努力下，完成论文、专利和设计实物等学习成果。
（二）建立“学生小组-双导师-班级”的三级教学管理模式
微专业班级的教学管理模式如图3所示，5个同学形成学习小组。充分考虑同学在多学科背景下的团队中承担个体、团队成员以及负责人的角色，一个团队中的成员包括了机械、控制、软件三个专业的学生。
图3三级教学管理模式
小组通过双导师制管理，实现多学科背景下的教学过程。一个为指导老师，对学生总体指导，另一个为动态专业指导老师，不同的老师对不同专业、不同阶段、不同项目指导学生小组答疑解惑。所有的小组，构成班级，统一执行培养计划。
三、课程实施过程
（一）教学组织流程
教学过程以项目为载体，学生为中心，实践为主导，贯彻少讲多练，重在实践的理念。[4]教学通过开发的“微课堂”网络平台进行项目的实施，通过“线上+线下”和“实践+讨论”相结合的模式组织教学，如图4所示。
首先，平台发布项目，教师集中讲解项目设计目标、任务、要求和难点问题。同时提供老师录制的项目所需知识点的微视频及项目制作的必要流程。
学生通过线上的“微课堂”自主学习项目相关知识和技能，线下通过小组讨论和老师答疑互动，逐步完成项目的制作，达到知识的积累，同时培养了学生的终生学习能力、团队交流能力和解决工程问题等方面的能力。平台数据对学生实现学习的全过程有效监控，及时反馈项目信息，提高了自主性学习的质量[5]。
（二）项目实施具体过程
下面以项目四“机器人视觉图像采集模块设计”为例，进行智能机器人微专业的教学过程。
1.项目准备
经过教学团队的讨论，项目四涉及的主要课程为图像处理与模式识别、单片机原理与接口技术，教学目标是学生能够应用机器人视觉图像采集系统的软、硬件的设计方法，提出对机器人图像采集和通信问题的解决方案，提高学生的控制系统设计与开发能力。项目完成的难点主要有三部分，颜色识别、形状识别和标注、MV和单片机连接及中心坐标。教师提前录制这三部分内容涉及到的知识点相关微视频，提供学习素材，不直接讲解如何完成，提高学生的自主学习能力，微视频上传到教学平台。
2.项目的发布
项目设计教师团队集体向学生发布项目，重点介绍项目的任务和要求，并给学生说明最终要提交的成果和答疑老师、指导老师的职责与时间安排表。
同时提供本项目需要用到的硬件：开发系统套件、摄像头模块和杜邦线等，实验室配备焊枪、万用表、镊子等工具。
3.项目制作过程
项目发布后，大部分学生不知如何分配时间，答疑教师会制定详细的周进度表，指导教师根据周进度表督促学生依据计划、按时间完成相关内容。
学生在项目学习和制作过程中，会遇到各种困难和问题，需要通过自主学习、小组讨论、生生对话、教师答疑等方式得以解决。教师会在周末集中面对面答疑，主要解决学生的思路问题，充分发挥指导作用，避免让学生少走弯路。生生间的对话，主要讨论具体的学习、制作问题，形成学习协助小组。
不仅形成学习小组，微专业实验班每周开展一次“机器人大讲堂”，大讲堂的主角是学生，主要内容有两方面，一方面是介绍国内外机器人相关前沿动态，开阔视野；另一方面，项目制作优秀的学生，讲述项目制作思路和方法。通过分享对项目的想法、观点、难点知识和制作技能，形成集体共同学习的班级氛围，达到共同参与、交流、共赢的认知活动，促进学生积极主动学习。
图4“微课堂”平台架构
4．中期检查
项目完成主要内容后，包括颜色识别、形状识别和标注、单片机连接，进行中期检查。通过教师的中期检查，一方面了解班级的整体学习和制作进度，另一方面发现共性问题，提出改进意见和预期目标。
中期检查结束后，教师会给学生讲授项目制作过程中的共性问题及解决思路，总结项目制作过程中的创新点及整体改进方案。同时，对于学有余力的同学，提供项目制作的拓展问题，增加挑战度。提高学习兴趣。
5.项目答辩
最后，按照项目发布任务书的要求和时间节点，进行答辩，答辩方式参考课程设计要求，项目成果包括设计说明书、实物演示、讲授、答疑等环节。
6.总结
项目答辩完成后，学生上传项目制作的程序、视频、说明书等成果到微课堂平台，积累学习资料。
最后环节，学生要写项目自评报告，不仅要知道如何制作，更应该探究为什么这样做，项目制作是载体，项目实施是过程，项目的最终目标是学生能够提高自主学习能力和终生学习能力。通过学生的自我提问和反思，产生对知识的探究热情和求知兴趣，这是项目实施的关键。
四、课程体系评价机制
（一）建立动态“流动”的学生评价机制
微专业的学生以智能机器人的兴趣为导向，以创新意识和创新能力培养为依据，从一年级学生中选拔，学生利用课余时间和暑期完成项目的制作。通过建立学生流动机制，进一步促进学生学习的积极性，在公平、公开的竞争学习中，保障项目的实施质量。
（二）建立课程项目的多维度反馈机制
以项目为载体、以成果为导向的教学实践过程，需要建立一种有效的持续改进机制，从而能够持续地改进项目设计。通过“微课堂”平台，建立实践过程反馈机制、项目制作质量反馈机制和项目成果反馈机制，通过全过程跟踪学生的单个项目完成情况和总体项目完成效果，利用多维度反馈，进行纵向和横向对比分析，及时调整实践项目。
五、结束语
微专业，首次招生91名学生和20名兼职教师，通过两年的实践，取得了很好的效果，在以下三方面最为突出。
1.能够把专业知识应用到解决机器人领域的实际问题，提高了探究学习能力。
2.小组完成项目的训练，提高了学生的团队合作和自主学习能力。
3.能够建立解决问题的思维模式，实现了元认知的提升。
参考文献：
[1]吴婧姗,王雨洁,朱凌.学科交叉:未来工程师培养的必由之路———以机器人工程专业为例[J].高等工程教育研究,2020(2):68-75.
[2]余小波,张欢欢.人工智能时代的高等教育人才培养观探析[J].大学教育科学,2019(1):75-81.
[3]王冬花,元萌.“以赛促学”的主动实践能力培养模式探究[J].长沙大学学报,2018,32(2):133-134.
[4]孙晶,崔岩,王德伦,等.新工科背景下拔尖创新人才培养的工程融合式课程体系建设[J].高教学刊,2018(19):33-38.
[5]叶民,钱辉.新业态之新与新工科之新[J].高等工程教育研究,2017(4):5-9.
马春生,曾建潮,高春强,曾志强,严绍进.多学科交叉的人才培养模式研究——以智能机器人微专业为例[J].高教学刊,2021(08):133-136.
基金:山西省高等学校教学改革创新项目“创新人才培养模式,建设智能机器人微专业”(编号:J2019111);山西省自然科学基金“基于‘刚-柔-软’并联机构的机器人性能参数测试系统研究”(编号:201801D121183)
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期刊名称：中国高等教育
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专业分类：教育
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2021-03-11
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