機(jī)器人項目教學(xué)路徑及其成果研究

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以機(jī)器人競賽、創(chuàng)新實(shí)踐為導(dǎo)向的項目教學(xué)法研究，就是要將項目教學(xué)法應(yīng)用到機(jī)器人的創(chuàng)新實(shí)踐中，把各項理論知識和實(shí)踐技能有機(jī)地結(jié)合，將機(jī)器人的項目分解成多個明確的目標(biāo)任務(wù)，讓學(xué)生在規(guī)定的時間里獨(dú)立完成相應(yīng)的任務(wù)，其目的在于充分發(fā)掘?qū)W生的創(chuàng)造潛能，提高學(xué)生解決實(shí)際問題的綜合能力。通過實(shí)踐探索出一種能提高學(xué)生創(chuàng)新和實(shí)踐能力，全方位調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性的機(jī)器人教學(xué)模式。在實(shí)施“機(jī)器人競賽、創(chuàng)新實(shí)踐為導(dǎo)向的項目教學(xué)法”時，重視機(jī)器人項目的選擇、機(jī)器人具體成果展示、教師的評估與總結(jié)、充分利用創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室的現(xiàn)有資源并使之與現(xiàn)代化教學(xué)相結(jié)合，這是搞好“項目教學(xué)法”的關(guān)鍵。

機(jī)器人競賽

機(jī)器人競賽是一項很好的科技創(chuàng)新活動，形式繁多，內(nèi)容豐富。設(shè)計方案的開放性，也為學(xué)生的創(chuàng)新奠定了基礎(chǔ)。參賽者可以用不同的方法實(shí)現(xiàn)同一個項目，通過比賽，激發(fā)其對機(jī)器人的學(xué)習(xí)興趣，引導(dǎo)他們積極探索機(jī)器人新科技，為其自主創(chuàng)新能力的培養(yǎng)提供良好的平臺。中國機(jī)器人大賽暨RoboCup公開賽：1999年，在RoboCup國際委員的支持和授權(quán)下，首屆中國機(jī)器人大賽暨RoboCup公開賽在中國重慶舉辦，目前是中國機(jī)器人最具影響力的賽事，比賽共設(shè)立12類65項賽事。機(jī)器人競賽種類多、規(guī)模大、水平高，為大學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新實(shí)踐活動提供了很好的平臺?！拔磥砘锇椤北袊悄軝C(jī)器人大賽（暨國際機(jī)器人滅火比賽中國賽區(qū)選拔賽），是中國人工智能機(jī)器人專業(yè)委員會等多個單位主辦的一項全國性賽事。大賽包含機(jī)器人救火大賽、機(jī)器人足球比賽、機(jī)器人創(chuàng)新大賽、機(jī)器人搜救大賽、機(jī)器人擂臺賽和機(jī)器人舞蹈戲劇大賽等6個主題項目。其中機(jī)器人救火大賽是國際賽制機(jī)器人滅火比賽（暨國際機(jī)器人滅火比賽中國賽區(qū)選拔賽）。“飛思卡爾”杯全國大學(xué)生智能汽車競賽，由教育部委托高等學(xué)校自動化專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)分委員會主辦。競賽分競速賽與創(chuàng)意賽兩類比賽。自2006年首次舉辦以來，“飛思卡爾”杯全國大學(xué)生智能汽車競賽已經(jīng)成功舉辦了6屆。

機(jī)器人實(shí)踐教學(xué)的具體實(shí)施

機(jī)器人競賽、創(chuàng)新實(shí)踐是一項很好的科技創(chuàng)新活動，機(jī)器人的趣味性易于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)和研究的興趣，同時將創(chuàng)新實(shí)踐、競賽引入教學(xué)過程，使學(xué)生變被動學(xué)習(xí)為主動學(xué)習(xí)和研究?！皺C(jī)器人項目教學(xué)法”的一般教學(xué)結(jié)構(gòu)如圖1所示：“項目教學(xué)法”最顯著的特點(diǎn)是“以項目為主線、教師為引導(dǎo)、學(xué)生為主體”，改變了以往“教師講，學(xué)生聽”被動的教學(xué)模式，創(chuàng)造了學(xué)生主動參與、自主協(xié)作、探索創(chuàng)新的新型教學(xué)模式。本文以參加2012年中國機(jī)器人大賽暨RoboCup公開賽的醫(yī)療與服務(wù)機(jī)器人組的項目為例，在比賽初期確定人員，將不同專業(yè)和不同年級的學(xué)生組成一個競賽小組，研究競賽規(guī)則、制定項目方案、機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計、電路設(shè)計、程序調(diào)試，學(xué)生分工合作，過程中集思廣益、取長補(bǔ)短、團(tuán)結(jié)協(xié)作。這種在探索中學(xué)習(xí)的過程是其他教學(xué)環(huán)節(jié)無法實(shí)現(xiàn)的，對于培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力非常重要。本文以一種醫(yī)療與服務(wù)機(jī)器人設(shè)計為導(dǎo)向的項目教學(xué)法，按照以下六個教學(xué)步驟進(jìn)行：

1.項目的申請

本學(xué)院主要參加了醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人、機(jī)器人游中國、擂臺等機(jī)器人項目，學(xué)生可以針對感興趣的比賽項目，或者根據(jù)江蘇省高等學(xué)校大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新訓(xùn)練計劃，申報項目，填寫申請書。教師針對學(xué)生申報的項目，分析學(xué)生的實(shí)際情況，建議選擇項目規(guī)模和難度適中的項目。中國已經(jīng)進(jìn)入了老齡化社會，而且在今后幾年內(nèi)老齡人口數(shù)量將會呈上升趨勢，老齡化將更加嚴(yán)重。老齡化使社會的勞動力減少，一些老年人不僅不能參加勞動，而且有的甚至失去了自理能力，需要人照顧，這就增加了他們的子女以及社會的負(fù)擔(dān)。年輕人為了工作日益繁忙，在目前服務(wù)行業(yè)工作者稀缺的背景下，在醫(yī)院時不時會有行動不便的病人需要護(hù)士和家人的攙扶。而在沒有人幫助的情況下，行動不便的病人寸步難行，稍有不慎就有可能摔倒受傷。所以筆者建議學(xué)生選擇參加醫(yī)療與服務(wù)機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計與制作賽項，設(shè)計一種醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人更好的服務(wù)病人。

2.項目團(tuán)隊的建立

建立學(xué)生團(tuán)隊，營造互相競爭、互相幫助的學(xué)習(xí)氛圍，學(xué)生在做項目過程中攜手合作，彌補(bǔ)相互間的不足，遇到問題大家一起討論解決，這讓學(xué)生體會到團(tuán)隊的重要性，做到共同進(jìn)步。同時，團(tuán)隊的學(xué)生分工明確，每人負(fù)責(zé)項目的某一部分，使學(xué)生真正參與到項目中，整個項目的完成，離不開每一個學(xué)生，學(xué)生為使項目不會因?yàn)樽约贺?fù)責(zé)的部分沒有完成而主動學(xué)習(xí)，主動查資料，可以培養(yǎng)和提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力。學(xué)生團(tuán)隊的建立，應(yīng)考慮學(xué)生的專業(yè)，年紀(jì)，特長等因素。教師確定一名隊長，根據(jù)項目的特點(diǎn)，隊長可以自己招學(xué)生，實(shí)現(xiàn)學(xué)生管理學(xué)生。參加醫(yī)療與服務(wù)機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計與制作賽項，筆者選擇了5名學(xué)生，隊長由09級的一名學(xué)生擔(dān)任，該生組織能力比較強(qiáng)，專業(yè)能力也比較脫出，由他負(fù)責(zé)整個項目的進(jìn)展，匯報工作。其他學(xué)生分別是1名2009級的，2名2010級的，1名2011級的，專業(yè)分別是自動化、測控、電氣。

3.項目任務(wù)、計劃的制定

團(tuán)隊負(fù)責(zé)人制定機(jī)器人項目工作計劃，確定工作步驟。機(jī)器人是集機(jī)械、電子、控制、計算機(jī)、傳感器、人工智能等多學(xué)科先進(jìn)技術(shù)于一體的智能儀器。本次設(shè)計的醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人由小組討論決定，醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人外形像輪椅，病人能夠獨(dú)自駕駛?cè)セ?yàn)室拿取報告，去門診找醫(yī)生復(fù)診，降低護(hù)士工作量及病人家屬的負(fù)擔(dān)。為使醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人更好的服務(wù)病人，該團(tuán)隊為機(jī)器人設(shè)置了兩種模式：座椅模式和病床模式，免去了病人就診、休息時需要被移動到病床上的麻煩。機(jī)器人將現(xiàn)場鍵盤控制和遠(yuǎn)程控制相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)護(hù)士對病人的遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)，機(jī)器人在前進(jìn)過程中，檢測到前方有障礙物時就會立刻停下，減少不必要的事故。同時機(jī)器人配備了機(jī)械手，可以幫助病人取物品，最大程度幫助病人。根據(jù)團(tuán)隊中學(xué)生的專業(yè)、特長等分配任務(wù)，負(fù)責(zé)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計的學(xué)生需要畫圖紙、電焊等來完成機(jī)器人結(jié)構(gòu)的設(shè)計、機(jī)械手的設(shè)計；電路設(shè)計的學(xué)生制作包括單片機(jī)電路、電源穩(wěn)壓電路、電機(jī)驅(qū)動電路、紅外避障電路、鍵盤輸入電路；測控專業(yè)的學(xué)生負(fù)責(zé)電路的測試、場地的制作等工作；程序編寫的學(xué)生，完成程序的設(shè)計、調(diào)試；控制界面的設(shè)計由另外一個學(xué)生負(fù)責(zé)，主要是VB編寫上位機(jī)、WIFI攝像頭的調(diào)試、藍(lán)牙通信的調(diào)試。根據(jù)機(jī)器人項目的特點(diǎn)，學(xué)生在制作過程中可適當(dāng)?shù)刈饕恍┱{(diào)整。根據(jù)項目完成的時間確定工作步驟，進(jìn)行時間分配。最終得到教師的認(rèn)可才能執(zhí)行。

4.項目制作

學(xué)生自己確定各自在小組中的分工，然后按照已確立的工作步驟和程序工作?；跈C(jī)器人項目的作品成果形式多種多樣，可以是調(diào)查報告、實(shí)物模型、演講稿、論文等。通過展示作品成果，可反映學(xué)生在項目完成過程中所掌握的技能。本次設(shè)計的醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人成果包括機(jī)器人模型一個、機(jī)器人設(shè)計與使用說明書一份、演講稿一份。在本項目比賽結(jié)束后，指導(dǎo)學(xué)生按照他們設(shè)計的醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人撰寫論文、申請專利。

5.項目檢查評估

整個項目檢查評估采用答辯的形式向教師匯報，首先由隊長對整個項目進(jìn)行匯報總結(jié)，再由隊員對自己負(fù)責(zé)的工作進(jìn)行匯報和自我評估，并且對設(shè)計的醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人進(jìn)行展示，教師根據(jù)團(tuán)隊成員的表現(xiàn)、研究成果表述和作品的展示進(jìn)行檢查，為到現(xiàn)場比賽作準(zhǔn)備。針對項目中出現(xiàn)的問題，師生共同討論，教師引導(dǎo)學(xué)生獨(dú)立思考問題，解決問題。學(xué)生通過對比師生評價結(jié)果，找出造成結(jié)果差異的原因

6.項目資料歸檔或應(yīng)用

為使學(xué)生養(yǎng)成良好的習(xí)慣，項目結(jié)束后，教師監(jiān)督學(xué)生將項目工作資料整理歸檔，材料包括項目申報書、進(jìn)度表、機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)圖、程序設(shè)計流程、機(jī)器人控制程序、項目結(jié)項書、項目報告講義等。

機(jī)器人項目教學(xué)的成果

機(jī)器人創(chuàng)新實(shí)踐是一個綜合性、高難度的科技制作過程，有利于提高學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新能力。在教師指導(dǎo)下，學(xué)生通過自己查閱資料、提出有創(chuàng)意的設(shè)計方案，選擇合適的元件，設(shè)計、焊接電路，編程、測試程序等，充分調(diào)動了學(xué)生的積極性，發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)造力，使學(xué)生在實(shí)踐中進(jìn)一步提高自己的綜合能力。有助于將學(xué)生的興趣應(yīng)用到教師的科研中，使學(xué)生們熱愛科技，投身科技，在學(xué)校形成良好的科技學(xué)術(shù)氣氛。本校參加機(jī)器人競賽源于2010年，當(dāng)時參賽的賽事為“飛思卡爾”杯全國大學(xué)生智能汽車競賽、中國機(jī)器人大賽暨RoboCup公開賽、江蘇省機(jī)器人大賽、“未來伙伴”杯機(jī)器人競賽，并因此開設(shè)了機(jī)器人技術(shù)、機(jī)器人創(chuàng)新實(shí)踐與競賽等公共選修課；制定了《大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室項目負(fù)責(zé)制實(shí)施辦法》，針對項目采取一系列措施，保證學(xué)生能在項目的過程中鍛煉自己的能力，同時能保證創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室項目的創(chuàng)新性。實(shí)踐教學(xué)效果顯著，本校代表隊在2012年第七屆“飛思卡爾”杯華東賽區(qū)比賽中，獲得攝像頭組第一名，晉級參加全國決賽的隊伍，獲得全國攝像頭組特等獎。2012年中國機(jī)器人大賽暨RoboCup公開賽獲得3項季軍，2010年“未來伙伴杯”獲得滅火比賽冠軍，受邀參加在美國舉辦的國際機(jī)器人滅火比賽。

結(jié)論

實(shí)踐教學(xué)的目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生通過實(shí)踐發(fā)現(xiàn)、分析和解決問題的能力，培養(yǎng)創(chuàng)新精神和初步的科學(xué)研究能力。機(jī)器人創(chuàng)新實(shí)踐活動以其高度的實(shí)踐性被越來越多的高校引入實(shí)踐教學(xué)。本校自動化學(xué)院機(jī)器人實(shí)踐教學(xué)的具體實(shí)施，促進(jìn)了學(xué)院各學(xué)科綜合發(fā)展，提高了教師的理論、實(shí)踐教學(xué)水平和科研水平，使學(xué)生對機(jī)器人相關(guān)課程融會貫通，提高了學(xué)生自主學(xué)習(xí)、創(chuàng)新和團(tuán)隊合作等綜合能力，推動了學(xué)院實(shí)踐教學(xué)體系的發(fā)展和完善。（本文作者：毛麗民、劉叔軍、李鑫、戴梅 單位：常熟理工學(xué)院電氣與自動化工程學(xué)院）