面向创新能力培养的“智能物流系统综合实验”课程教学改革

韩昀瑾，李珊珊，王 政

（华北理工大学应急管理与安全工程学院，河北唐山 063210）

一、引言

我国“十四五”规划强调，“坚持创新在我国现代化建设全局中的核心地位，把科技自立自强作为国家发展的战略支撑，把培养高素质创新型人才设定为我国高等教育的主要目标”[1]。现阶段，高校已加大对实践教学环节的重视程度，致力于对创新型综合素质人才的培养。实验教学能够锻炼学生的动手能力、实践能力、吃苦耐劳精神、团结协作的能力，而学生最重要的创新精神和创新能力也需要通过理论与实验双重探索培养[2]，因此，实验类课程是物流人才培养课程体系中的重要组成部分。随着智慧物流行业的蓬勃发展，现代物流企业需要的不仅仅是吃苦耐劳的一线工人，更需要的是有专业知识、实践能力、创新创造能力的复合型物流人才。因此，高校必须将创新思维培养融入到实验教学中，探索多元化的实验教学模式。

二、“智能物流系统综合实验”课程教学改革背景

“智能物流系统综合实验”是物流工程专业的一门专业必修实践课程，其实验设备为物流教育机器人，采用“实物模型搭建+编程设计”的实践教学模式，开设于第六学期。在此之前，学生已完成“现代物流装备”“物流场站和配送中心”“Python 程序设计基础”等前续课程的学习，有一定的理论基础。课程从智慧仓储、自动分拣、智能配送等角度出发，要求学生利用物流教育机器人设备搭建智慧物流作业场景，模拟装卸、运输、配送、分拣、包装等物流活动，编写Python 代码，利用控制器控制设备运行。课程着重培养学生创新能力、实践能力和团队协作能力，帮助学生掌握实践技能及深入了解物流领域的知识。

在该课程传统实验教学中，学生分小组搭建物流配送中心中的分拣设备、输送设备、起重设备、自动导引设备、交叉口信号控制器、自动车床、抓放手臂、自动门、打包设备、包裹识别设备，搭建完成后，在控制软件中设计模型运转流程图，利用控制器实现设备功能。课程配备的实验手册，包含详细的模型搭建步骤图，以及流程编写示意图，学生只需按步骤操作即可完成实验。实验整体偏重验证性，缺少对后续知识的延伸和实际应用的引入，对学生缺乏吸引力，在开启学生思路、发散思维方面起到的作用不大，导致学生对实验课程的重视程度普遍不高。被动式的实验环节虽然对学生团队协作能力和实践动手能力有一定的提升，但是无法激发学生的创新欲望和创新能力。

三、“智能物流系统综合实验”课程教学改革探究

针对物流工程专业的技术应用背景，“智能物流系统综合实验”课程在兼顾知识体系系统性的前提下，将实践场景应用聚焦于物流工程领域具有前瞻性的方向上，着重加强对学生传感器技术、自动识别技术、自然语言处理等方面能力的培养。为加强物流工程专业建设，实验室购置了全新的物流教育机器人设备，支持10 余种传感器并增加动力模块的集成，支持Scratch3.0 和Python2 种编程语言，可组合搭建不同类型的物流设备和场景。经过2 轮的实验课程改革，将学生分成2 组进行对比教学。一组采用传统的验证性实验教学模式，即实验教学内容均为验证性实验；另一组采用创新设计性实验教学模式，即实验教学内容均为创新性实验。从教学效果来看，课程不能完全摒弃验证性实验，而是应选择一个合适的度，采用验证性、设计性、创新性、考核实验“3+3+3+1”的分层式实验模式，具体实验内容如表1 所示。

（一）总体实验内容的设计

1.验证性实验设计

在优选的10 个实验项目中，保留3 个验证性实验，从交叉口信号控制器、自动门到升降货梯，实验的难度循序渐进。验证性实验提供教学团队自编实验手册。手册中包含实验需使用的结构件、传动件、传感器种类和数量，设备搭建详细步骤图，Python 模块化代码使用方法，控制器使用方法等内容。实验手册可便于学生快速熟悉物流教育机器人设备。通过这3 个验证性实验，学生可以熟悉光敏传感器、红外传感器、声音传感器、温度传感器、视觉识别、巡线等基本设备的功能，熟悉软件的使用方法和2种设备的控制方式，以及Python 和Scratch3.0 2 种编程语言。验证性实验难度适中，同生活紧密结合，可以激发学生对实验课程的兴趣。

2.设计性、创新性实验设计

开设3 个设计性实验，培养学生的动手能力和逻辑思维。设计性实验给学生提供了自主的实验时间，给出实验场景、实验要求、模型搭建图和部分Python 代码，但部分作业流程需小组成员共同设计并尝试实现。例如，避障实验，教师给出配送中心某一作业区的等比例地图、用黑胶带粘贴出的车辆行走路径、配送小车的基础搭建图，要求配送小车沿固定路径行走，并且在行走过程中遇到障碍物（人或物）能够及时避让，小组成员则需思考避让原理，选择适合的避障传感器，编写Python 代码实现控制配送小车。

开设3 个创新性实验，培养学生的创新能力和团队协作能力。学生可结合某企业实际，自行设计无人配送、智慧仓储、柔性制造、智慧码头、快递分拣等多种物流作业场景，模拟其中的某一作业环节。例如，教师指定实验模拟集装箱码头作业场景，学生则需自行搭建模型，选择集装箱装卸船、堆场提箱、卡车进出闸口等作业场景中的某一场景进行模拟，思考如何搭建模型来实现集装箱箱号、堆场箱区号、集卡车牌号的识别功能。创新性实验避免了原有验证性实验过程中学生不思考的问题。教师应根据所设定的实验目标和学习内容有效激发学生学习热情，鼓励学生勇于探索创新实践方法，同时，应在学生学习过程中营造创新氛围和提供创新条件保障[3]，帮助学生建立创新观念，激发创新欲望。

3.考核实验设计

增设考核实验，即小组成员需在规定时间内完成教师指定的实验内容。例如，以智能配送实验为例，教师给出配送中心场地的等比例地图、机械手臂的基础搭建图，要求机械手臂将传动带上若干件大小相同但颜色不同的方形货物放到搬运小车上，搬运小车将货物运送到指定库位中。学生可自行规划搬运小车行走路径、货物识别方式（二维码、磁带、颜色、视觉等）、搬运方式及单次搬运件数。

（二）建立开放实验平台

受到单次实验课程时长的限制，学生只能按手册完成规定实验内容，无法完成复杂的物流场景和作业流程的设计，部分学生即使课前完成设计工作，也无法短时间内搭建模型并完成程序语言的编写，导致很多小组不去设计创新性实验，而是直接参照其他小组结果完成本组实验，使得实验课并未达到预期的培养创新能力的效果。因此，课程增设开放实验平台。开放实验平台实行线上预约登记制度，学生每周二和周四下午可通过学习通线上预约实验室使用设备。申请时，学生需先提出具体的书面实验方案，然后指导教师需对实验方案进行审议并与学生展开讨论，最终确定实验方案和实验进度。开放时间内指导教师将在实验室对学生进行指导。

（三）实验教学考核方式的优化

传统实验考核方式单一，仅以小组形式考查学生是否完成实验内容和实验报告，导致部分学生实验参与度低，教师接收不到学生对实验掌握程度的客观反馈。为达到培养学生动手操作能力、工程创新能力、团队协作能力和创新设计能力的目标，有效引导学生注重实验过程的学习，提升学生参与实验的积极性，教师应建立能够反映学生完成实验效果和创新实验能力的多元化、多角度考核评价体系，基于实验参与度、实验完成度、实验报告、综合实验考核、设计创新能力5 个维度，建立“1+2+2+2+3”成绩评定模式。实验参与度考查学生的团队协作能力；实验完成度考查学生在规定时间内能否完成本次课程的实验内容；实验报告减少了实验目的、实验手段、实验原理内容的篇幅，增加了实验心得感悟；综合实验考核即最后一次课程的考核实验，重点考查小组成员的综合设计和应用能力；设计创新能力考查学生每次实验过程中是否有加入本组的创新性设计成果，避免各小组之间创新实验设计的趋同。

（四）教学资源不断建设，增强学生的学习体验感

1.实验指导手册的更新迭代

为满足新工科背景下物流工程专业人才培养模式要求，实验室全面更新了实验设备，增设了二维码识别、视觉识别、巡线等新功能，控制语言由C 语言转变成Python语言，原有指导手册已不能满足教学使用。为更好地开展实验教学工作，教师团队编写了新的指导手册，包含3 个验证性实验的现实场景介绍、模型搭建步骤详图、作业流程图、Python 代码及思考题。例如，自动门实验。生活中的自动门包含红外传感器、微波雷达、人脸识别等方式，指导手册给出了超声传感的完整代码和自动门搭建模型，学生通过验证性实验可以快速掌握实验设备的使用方法。

2.录制实验操作微课视频，利用线上教学平台

为了帮助学生更好地理解物流教育机器人设备的使用方法，教师团队录制了一系列实验操作视频，包括软件操作视频，AGV（自动导引车）、自动门、传送带、货梯等设备的模型搭建视频，控制器的使用视频，综合物流场景应用等微课视频。视频时间一般不超过10 min，仅包含重点内容，不提供详细的搭建过程和Python 代码，保证实验过程的探究性。微课丰富了学生的课前导学环节，提高了课堂实验效率。学生在课前需反复观看实验教学视频，消化重点、难点，预习实验内容并回答思考问题，进入实验室后，再与教师进行深度互动，从而有效提升实验效果。教师也可在线上平台发布讨论主题，让学生自主学习与课程相关的网络教学内容，设置线上交流区，为学生答疑解惑，将被动学习变成主动学习。

3.建立创新性实验视频库

学生完成优秀的创新性、设计性实验后，录制实验成果展示视频，放入课程的创新性实验视频库。学期末，教师会将本学期内学生个人或小组设计的创新性实验在全系师生中进行展示。此外，教师团队也会定期进行教学研讨，协同搭建新的物流场景、设计新的实验内容，并拍摄成果展示视频，不断丰富课程的网络教学资源。

四、课程教学改革实施的效果

（一）实验分析能力显著提升

消除实验报告内容“几乎无差异”或者“只有字体差异”的同类现象。实验报告中的目的、意义、原理等理论内容大幅简化，撰写重点转变成实验设计的思路、遇到的问题的分析和解决方法、思考实验的得失，特别是在实验过程中遇到的难题及失败经验的总结。传统实验授课过程中，学生在遇到问题时更多的是寻求教师的指导，很少独立去思考和探寻问题的解决方法。课程改革后，学生逐步养成自主、合作、探究式的学习方式，增加了更多的小组讨论活动，主动去探寻问题的解决方案，从失败中提炼创新经验。

（二）充分利用开放实验平台

开放实验平台使用率高，线上预约积极，在实验课授课周次，每周二和周四均有多组学生预约使用开放实验平台。开放实验平台充分弥补了实验课授课时长的限制，可进一步验证和完善课堂中未完成的创新设计实验。学生利用开放实验平台，完成了生产企业的柔性制造系统的作业流程设计和模型的构建，并实现了Python 语言的程序控制。这充分说明改革后的实验方式提升了学生主动学习的兴趣，营造了浓厚的创新学习氛围，使学生的实验热情和参与度均显著提升。

（三）创新性实验设计能力明显提升

经过2 轮的课程改革实践，创新性实验视频库中已添加由学生完成的多个创新性实验成果展示视频，如车场自动收费场景、图书馆还书场景、超市收银场景等。学生由被动完成实验转变为主动思考如何更好地完成实验，学生的创新思维、综合分析问题能力、解决问题能力和创新能力均得到明显增强。

五、结束语

新工科背景下，高校的教育改革、学生培养模式的转变均围绕知识型、技能型、创新型人才培养目标进行[4]，“智能物流系统综合实验”作为物流工程专业重要的必修课程，在教学体系中有着重要作用。课程从实验内容设计、实验考核方式、网络资源开发、开放实验平台建设等方面进行的改革和创新，一方面帮助学生树立了科学严谨的态度，养成了科学的学习和思考习惯，增强学生独立思考和创新设计的能力；另一方面也提升了学生参与科研活动和学科竞赛的热情，学生参与大学生创新创业项目的比例显著提升。