以機器人競賽為平臺的項目導向教學研究

摘要:項目導向教學的開展,需要能做項目的教師,需要豐富的項目來源和硬件平臺,同時用于教學的項目還要符合科技發展和能促進學生的自主學習。為了解決這些問題,新加坡南洋理工學院開展了將機器人競賽項目作為項目導向教學項目的實踐探索,通過實踐探索走出了一條在師資培養、項目來源、學生自主學習等方面新的途徑,有力促進了項目導向教學的全面開展。

關鍵詞:機器人競賽;高職院校;項目導向教學;自主學習

“項目導向教學”是新加坡南洋理工學院最重要的一種教學管理模式。2008年暑假期間,筆者參加了我院組織的新加坡南洋理工學院培訓班,短短14天的學習讓我充分感受到這種教學管理模式的優越性。國際上各種類型的機器人競賽,一般是在上世紀末興起的。新加坡南洋理工學院的機器人競賽成績在國際上一直是名列前茅的,通過多年的積累,他們自主開發了多個機器人競賽項目。本文就新加坡南洋理工學院如何利用機器人競賽平臺促進項目導向教學開展的一些做法與大家分享。

利用機器人競賽平臺,吸引和培養能做項目的優秀教師

在與新加坡南洋理工學院林靖東院長座談時,他強調參加機器人競賽能增強學院的國際競爭力和品牌意識,為此他們非常重視機器人競賽項目,通過十幾年的努力,學院在機器人競賽項目方面取得了巨大的成功,獲得了許多國際機器人競賽的金獎。問他如何取得這些成績,他強調教師是最關鍵的,因為機器人技術是典型的機電一體化技術,涉及機械學、電子工程學、計算機科學與工程、控制論與控制工程學、人工智能等眾多領域,代表當今機電領域的最新技術,對教師的綜合專業能力要求非常高。同時,機器人競賽項目也是培養和吸引優秀教師的平臺,主要原因有兩個:一是圍繞該項目能吸引優秀教師。在機器人競賽期間,各個組委會都會舉辦各種機器人展覽和相關論壇,各種論壇旨在為參賽選手及專家提供一個交流經驗、互相學習的平臺,并為機器人及其相關技術的發展以及機器人在娛樂、教育、服務等領域的應用起到推動作用。因此,每屆比賽都會吸引各國科學家、科研人員和企業界人士共同參與。很多企業人員成了新加坡南洋理工學院的教師,他們有豐富的項目開發經驗,喜歡創新和學習新的知識。許多優秀教師愿意嘗試新科技,希望體會到新科技帶來的成就感,非常愿意參與機器人項目。二是注重教師培養。機器人競賽實際上是最新科技的展示舞臺,從一個側面反映了一個國家信息與自動化領域基礎研究和新技術發展的水平。機器人競賽使教師和學生能夠利用各種新技術,探索更好的解決方案,從而又反過來促進各個領域的發展。要想在競賽中獲勝,就必須不斷更新知識接受培訓,對參與項目的核心教師制定長期的培養計劃。南洋理工學院教師培養計劃按年度來制定,一般有自上而下和自下而上兩種途徑,有的是根據學院、政府或者企業的需要來安排的,有的是教師根據自己在教學或做項目過程中發現的薄弱環節或需要提出進一步深造。持續不斷的知識更新和源源不斷的項目經驗,使教師的專業技能與新科技同步。通過機器人競賽項目的研究,培養了一批會做項目的教師,有了項目導向教學最重要的要素,即會做項目的教師,為項目導向教學的全面開展提供了智力支持。

利用機器人競賽平臺,提供項目導向教學的項目來源

項目導向教學的項目來源是全面開展項目導向教學的另一個重要要素,而每個機器人競賽項目就是一個很好的項目導向教學項目。機器人競賽技術的發展為項目導向教學提供了豐富的項目來源。南洋理工學院制造系機電一體化專業的課程導入了相撲機器人競賽項目。相撲機器人的設計需要具有機械加工、電子焊接、機械設計、電路設計、微處理控制技術等知識,他們把該項目的知識分成若干個小的子項目以學期項目的形式融入課程教學中,具體做法如下:

第一學期的學期課程主要有工程力學、機械制圖、加工工藝、材料工藝等,學期項目內容涵蓋了一系列與這些課程相關的小項目任務。相撲機器人機械加工的具體技能也作為機械加工類的學期項目,讓學生在教師指導下完成。

第二學期的學期課程有電子電路、數字電路和計算機編程等,學期項目是電子焊接和電路設計,將相撲機器人的電路和焊接部分的具體技能轉化為學期項目來訓練學生。

第三學期的學期項目是機械設計,與機械設計、機械組件與系統配件、接口技術與編程等課程相關。學生需要綜合運用各種機器組件和標準的機械部件,使用計算機輔助繪圖軟件設計項目。相撲機器人中有大量的機械設計知識,可以很好地豐富機械設計的學期項目。

第四學期的學期項目是微處理控制,相撲機器人在這個階段完成。在完成這個綜合性很強的項目的過程中,不但需要應用第四學期課程的內容,還需要前幾學期課程和項目作為鋪墊,顯然,項目加大了難度。該模塊主要培養學生在機電一體化環境下的微控制器編程及應用技能。通過一系列實際演練,學生將學習到的各種接口的輸入和輸出裝置,同時使用C語言來開發代碼驅動外部設備,如電機、LED和傳感器等。

在以上四個學期,他們將一個相撲機器人競賽項目的知識先分解再綜合地運用到整個課程教學中,豐富了項目導向教學的項目來源。而這些項目都是教師非常熟悉,同時既與課程有關又涉及實際應用的最新技術,確保了項目導向教學的項目質量。

利用機器人競賽平臺,提高學生的學習興趣,促進學生自主學習

我們在新加坡南洋理工學院用一周時間學習了學生第四學期的一個相撲機器人項目,親身體驗了項目導向教學帶來的學習效果。

相撲機器人項目具體包括分析競賽題目、設計解決方案、硬件、編寫程序、反復調試程序、優化程序和機器人結構等過程,使機器人最終能夠完成比賽任務。在教學中,教師主要以任務為驅動的方式展開項目導向教學。一是以學生學習行為為主線,整個過程都由學生自主完成,從組建項目小組、相撲機器人項目設計到項目比賽,都由一個團隊具體操作,各組成員之間協作完成。在實際活動中,充分體現了自主學習、自主協調、自主合作的精神。二是項目實施過程對小組成員有明確的要求:通過一個星期完成相撲機器人項目設計。為了達到目標,要求制定詳細的計劃,明確每位成員的任務與要求,充分收集資料,組織合理可行的競賽策略。三是由于教學有項目小組活動,傳統的課堂教學內容有了新的改變。在課堂上,教師利用一半的時間進行理論教學,在理論教學中,首先導入課程的教學目標和最終實現的效果以引起大家的興趣,然后通過一個簡單的實例,讓大家先對控制過程有所了解,在此基礎上不斷增加功能、加深難度,并且讓大家根據自己在現實生活見到的各種應用,利用控制程序去逐個實現。例如,紅外傳感器,現實的場景就是“企業的保安報警系統”,在實現了通過檢測紅外信號來控制報警信號狀態的基礎上,通過程序控制增加了信號的自鎖和循環閃爍,增強了報警的效果。另一半時間安排各組的項目作業,教師把相撲機器人項目分成三個小項目作業來完成,具體是機器人走S型路線、機器人跟蹤人走和兩個機器人進行相撲比賽。這三個作業的難度循序漸進,小組成員通過團隊合作,一個一個地完成。整個項目完成過程就向打游戲一樣,非常吸引學生,較好地提高了學生的學習興趣,枯燥的C語言學習變得生動起來。我們深刻體會到,機器人競賽項目通過合理的設計運用到項目導向教學中去,可以提高學生的學習趣味性,促進學生自主學習。

參考文獻:

[1]蔣慶榮.以項目教學法促進學生的自主學習的探索與實踐[J].珠海城市職業技術學院學報,2006,(2).

[2]李曉,朱迅.項目教學法在我校的應用[J].中國職業技術教育,2005,(13).

[3]陳希球,魏紹峰.引入項目教學法改進高職人才培養模式[J].長江工程職業技術學院學報,2006,(3).

作者簡介:

郭家星(1977—),男,江蘇揚州人,碩士,蘇州工業園區職業技術學院工程師,研究方向為微電子技術和職業教育。

(本文責任編輯:謝良才)