基于OBE理念的线上线下混合教学模式探索与实践

［摘 要］ “机器人操作系统”是培养机器人工程人才专业方向的必修课程之一。为了培养符合时代需求的机器人相关人才，须对现有教学模式进行改革与创新。基于OBE理念，探索线上线下混合教学模式在“机器人操作系统”课程中的应用实践。通过线下理论授课、实践操作与线上学习平台相结合，创建多维全程临场交互场景，设计以学生为中心的多元立体培养体系，注重学生在学习过程中对理论知识的理解深度与实践操作能力的提升。厘清在“机器人操作系统”课程教学过程中的痛点、堵点和难点，对原有的教学过程进行调整，明确教师和学生在课前、课中、课后的任务，重建学生期末考核方式，以提升教学效果。

［关键词］ OBE；教学改革；机器人操作系统；线上线下；混合式教学

［基金项目］ 2023年度赣南科技学院教学改革研究课题“基于OBE理念的线上线下混合式教学模式的‘机器人操作系统’课程建设与实践”（XJG-2023-10）

［作者简介］ 张文俊（1993—），男，江西赣州人，硕士，赣南科技学院智能制造与材料工程学院讲师（通信作者），主要从事机器人工程、机电一体化研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2024）47-0157-04 ［收稿日期］ 2023-12-29

引言

人工智能（AI）与机器人技术的融合正在重塑现代工业与社会发展。AI赋予机器人自主决策和感知能力，使其从传统的机械操作进化为具备复杂认知的智能系统［1］。机器人操作系统（ROS）作为智能机器人关键平台，为机器人开发提供了标准化的框架和工具链，简化了复杂系统的设计与集成，使开发者能够高效构建复杂的智能系统，推动了机器人技术的快速发展与应用。机器人操作系统在当今社会中发挥的作用越来越大，如何培养掌握相关技术的机器人专业人才成为一个重要问题［2］。

机器人产业被誉为制造业皇冠顶端的明珠，智能机器人不仅广泛应用于制造业，在医疗领域、服务业、物流和仓储、农业、智能家居等场景也有广泛应用。为了培养更多符合社会发展所需的机器人专业人才，“机器人操作系统”课程教师需要探索新的教育理念，改变传统工科教育范式。成果导向教育（OBE）是一种以学生为中心的教育模式，强调通过明确的学习成果引导教学设计和实施，确保每名学生在完成学业后都具备相关的专业能力和综合素质［3］。本文通过分析“机器人操作系统”课程在传统教学过程中存在的问题，基于OBE教育理念，结合线上线下混合教学模式，从教学内容、教学方法、思政育人、考核方式四个方面探索课程教学改革，以适应社会发展对新时代人才的需求。

一、传统教育理念中存在的问题

机器人技术发展日新月异，传统工科教育理念和教学模式在面对这一高速发展的技术时，逐渐暴露出诸多问题。

（一）教学中的痛点

“机器人操作系统”课程内容更新缓慢，难以跟上行业发展的步伐。ROS作为开源系统，每年都会发布新版本，集成新的算法和工具，但由于高校课程设计的固化和备课周期限制，教学内容滞后于行业需求，学生难以掌握最新技术。此外，课程理论化较强，缺乏实际项目经验，导致学生在毕业后无法迅速适应企业对实际开发和项目管理的要求。企业期待复合型人才，即具备跨学科知识和实际操作经验，但传统课程设置无法满足这一需求。

（二）教学中的堵点

实践资源不足是ROS课程中的一大堵点，严重影响了理论与实践的结合。由于硬件设备短缺，许多高校无法为每名学生提供足够的实验资源，尤其是机器人硬件平台和传感器。这种情况导致学生缺乏动手实践机会，难以通过实际操作掌握ROS的功能和应用场景，课程教学停留在理论层面，未能让学生体验到真实的项目开发过程，导致理论与实际应用脱节，学生在工程实践中难以应对复杂问题。

（三）教学中的难点

缺乏学习内驱力是ROS课程教学中的难点之一。由于课程内容复杂且抽象，学生对先修课程的掌握程度参差不齐，学生被动接受知识，缺乏对课程内容的主动探索与深入思考。混合教学模式要求学生具备较强的独立思考能力和动手能力，但内驱力不足导致部分学生仅为完成任务而学习，未能深入理解ROS系统的实际应用。学生在实践中缺乏主动性，仅按教师指令操作，难以自主探索复杂项目，导致在课程结束时未能达成预期的能力目标。

（四）课程考核方式单一

传统的考核方式通常由课堂表现（30%）和期末考试（70%）构成，缺少体现学生自主学习的过程性评价和实践能力的评价。课堂表现通常只衡量学生的参与度和理论知识的掌握，而期末考试则侧重于知识点的记忆和理解，忽视了对实践能力、创新思维和项目开发能力的考核。ROS课程本质上是一个高度实践性的课程，要求学生具备动手能力和解决复杂问题的能力，单纯依赖理论考试无法准确反映学生在项目实践中的能力发展，不利于课程目标的达成，也不利于培养新时代机器人工程师。

二、基于OBE理念的“机器人操作系统”教学模式探索

针对传统教育理念用于“机器人操作系统”课程存在的问题，基于OBE理念，对“机器人操作系统”课程进行教学改革，旨在通过科学的课程体系设计、理论与实践的融合、多维交互场景的创建及多元化考核方式的引入，实现教学目标的达成，并融入思政教育，培养学生的综合素质与责任感。

（一）面向课程目标，重构课程体系

以成果产出为导向，确保学生在完成学业后具备行业所需的核心能力。通过行业调查、专家咨询、企业参与以及对往届毕业生的跟踪调查，结合机器人产业的快速发展，确定了“机器人操作系统”课程的产出旨在培养具备机器人相关理论知识、实际操作能力和创新意识的复合型人才。通过掌握ROS的核心技术和原理，学生应具备安装、配置和调试基于ROS的机器人的能力，并能够在真实应用场景中运用ROS进行自主开发。

结合机器人技术发展和行业需求，合理规划授课内容与实验安排。近年来机器人+AI的深度融合加速了智能机器人的发展，尤其是在人形机器人领域，更是朝气蓬勃，对掌握相关技术的人才需求旺盛。ROS是智能机器人领域涉及的关键技术，“机器人操作系统”课程对于当下社会发展的重要性不言而喻。行业对智能机器人领域的人才需求较高，不仅需要应聘者掌握相关理论知识，还需要有较强的动手能力。因此，本课程的教学内容应根据机器人技术的发展和社会的需求及时调整，教学方式以学生实践为主，教师讲解为辅，课堂讲授理论知识和实践案例，随后学生动手实现所讲授的案例，其间教师巡视课堂，了解学生在实践过程中遇到的问题，对于出现较为频繁的问题进行集中讲解。鼓励和支持进度较快、知识掌握程度较好的学生开展难度更大的项目学习，推进本课程一人一方案、一人一项目的进度。

（二）理论教学与实践教学相融合

“机器人操作系统”是一门实践性强的课程，理论与实践的有机结合是课程的重要教学策略。学生是课堂的主体，是学习的主人，教学活动由教师讲授为主转向以学生实践为主。学生在课堂中的实践包括程序编写和调试、硬件调试，前期以电脑上编写程序和调试为主，让学生掌握ROS构架与系统、掌握ROS的编程基础；中后期以开发板和ROS小车的调试为主，加强学生对理论知识的理解深度，培养学生解决复杂工程问题的能力。

实践教学过程中，既有独立完成的项目，也有团队协作的项目。ROS编程基础的相关实践和ROS开发板的基础应用由学生独立完成，ROS小车和机械臂的驱动与调试由团队协作完成，考虑到基础较好、进度更快的学生的需求，还有传感器及更多的ROS小车和机械臂供这些学生使用，让学生在课堂中能学好机器人操作系统，用好机器人操作系统。因材施教可以很大程度上解决硬件设备不足的问题。

（三）创建多维全程临场交互场景

随着互联网技术的发展和普及，教学组织形式、教学互动场所都发生了巨大变化，线上线下教学的深度融合至关重要。在教学设计中，创建多维全程临场交互场景增强了学生和教师之间的互动，提高了学生的学习效果和参与度。

创建多维全程临场交互场景是教师和学生、学生和学生实时互动与反馈的良好机制。线下课堂教学过程中的重点难点和学生频繁出现的问题，将以文字或视频的形式放到线上平台。本课程线上平台使用超星学习通，引导学生将遇到的问题发在讨论区，鼓励知道如何解决该问题的学生回答其他学生的疑问，进行头脑风暴；教师也可将学生遇到的问题发布在讨论区，并将相关解决方案同时发布，在提升教学效率的同时，加强学生对知识的掌握程度。

线上学习打破了学生学习时间和空间的限制，线下学习加强了师生的交流互动，线上教学与线下教学的有机融合，可将二者的优势最大化。“机器人操作系统”课程以实操为主，学生容易在学习过程中遇到各种问题，创建多维全程临场交互场景既可提高学生的学习积极性与学习效率，也能提升教师的教学质量。

（四）融入思政元素

专业课的讲授过程中，将思政元素以润物无声的方式自然融入其中，增强思政教育的亲和力和感染力。课程中介绍我国机器人发展和相关技术的先进性，坚定学生的文化自信，激发学生的民族自豪感和爱国主义情怀。结合当前国家的技术政策，如《“十四五”机器人产业发展规划》《“机器人+”应用行动实施方案》《工业机器人行业规范条件（2024版）》等文件，让学生认识到自身所学技术的战略意义，增强对国家科技发展的认同感和责任感，同时引导学生以科技创新为己任，激励学生不断进步。

通过剖析机器人在医疗保健、制造业、农业、物流、交通等领域的广泛应用，启发学生思考机器人技术的伦理问题和隐私问题［4］，引导学生从技术开发的角度思考如何平衡技术创新与社会责任之间的关系。

（五）建立多元立体考核方式

基于OBE理念的考核方式注重全面评估学生在知识掌握、实践操作和创新能力等多个维度的表现。本课程的考核由平时分30%、实验分40%、期末分30%三部分组成，形成了多元立体的考核方式，能够更加全面、科学地评估学生的学习成果。

平时分占比30%，由线下和线上课堂表现组成，其中线下课堂表现由学生课堂回答问题、参与讨论的积极性和出勤情况组成，线上课堂表现由学生线上讨论情况、线上知识点学习情况和课后作业组成，旨在动态跟踪学生的学习参与度，确保学生在理论知识的学习过程中保持积极性。实验部分占比40%，侧重实践能力的考核，涵盖实验过程中的操作表现以及实验报告的撰写质量，通过评估学生在实验中的问题解决能力、数据分析与总结能力，反映其实践能力的提升。期末考试（30%）采用上机完成一个小项目的形式，要求学生在规定时间内开发和调试一个基于ROS的小型系统，综合考查其理论应用与项目开发能力。

结语

“机器人操作系统”课程作为培养机器人技术复合型人才的关键环节，面临传统工科教学模式下的理论与实践脱节、考核方式单一等问题。基于OBE理念的教学改革，通过探索线上线下混合教学模式，有效提升了学生的自主学习能力与实践操作能力。通过重构课程体系，合理设计教学内容，理论与实践紧密结合，课程实现了知识的多维度传授与应用。同时，创建了多维全程临场交互场景，增强了师生互动，提升了学生的学习体验。建立多元立体考核方式，使得学生的理论知识、实践能力、创新思维和团队合作得到了全面考量，确保教学成果产出的应用性和行业适应性。

参考文献

［1］张昌昕，张兴龙，徐昕，等.安全强化学习及其在机器人系统中的应用综述［J］.控制理论与应用，2023，40（12）：2090-2103.

［2］曲威名，刘天林，林惟凯，等.机器人学习方法综述［J］.北京大学学报（自然科学版），2023，59（6）：1069-1086.

［3］ASIM H M， VAZ A， AHMED A， et al. A review on outcome based education and factors that impact student learning outcomes in tertiary education system［J］.Canadian Center of Science and Education，2021（2）：1-11.