積木型機(jī)器人基礎(chǔ)實(shí)踐教學(xué)應(yīng)用探索與研究

石凱賢 倪洪杰 盧 亦 周陳毅 崔曉蕾

（浙江工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué):，浙江 杭州 310023）

積木型機(jī)器人基礎(chǔ)實(shí)踐教學(xué)應(yīng)用探索與研究

石凱賢 倪洪杰 盧 亦 周陳毅 崔曉蕾

（浙江工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué):，浙江 杭州 310023）

隨著機(jī)器人技術(shù)的不斷發(fā)展，機(jī)器人基礎(chǔ)教學(xué)的重要性也日益凸顯。本文針對(duì)目前機(jī)器人教學(xué)方面的特點(diǎn)和存在的問(wèn)題，就如何改革機(jī)器人基礎(chǔ)實(shí)踐教學(xué)、培養(yǎng)學(xué)生自主創(chuàng)新能力，提出了新的教學(xué)模式和進(jìn)一步改革的方法。教學(xué)中采用模塊化的機(jī)器人教學(xué)平臺(tái)，以學(xué)生自主創(chuàng)作為主的模式，旨在將復(fù)雜的機(jī)器人實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單化普及化教學(xué)。通過(guò)初期教學(xué)模式的運(yùn)行證明了該模式的可行性。

積木式機(jī)器人；基礎(chǔ)教學(xué)；小班化教學(xué)模式；教學(xué)試驗(yàn)箱

1 引言

機(jī)器人以及自動(dòng)化裝備的出現(xiàn)沖破了人工操作的束縛，開(kāi)啟了解放人類勞動(dòng)力的新篇章。微軟公司也曾預(yù)言機(jī)器人及其相關(guān)產(chǎn)品將會(huì)成為人類未來(lái)生活不可或缺的工具。關(guān)于機(jī)器人的研究，近些年來(lái)國(guó)內(nèi)外相繼掀起了熱潮，麻省理工學(xué):率先將機(jī)器人引入機(jī)電一體化的實(shí)踐教學(xué)中來(lái)[1]。在發(fā)達(dá)國(guó)家，尤其是英、美、日等國(guó)家，已經(jīng)將機(jī)器人應(yīng)用于中小學(xué)的課外科技活動(dòng)或技術(shù)課堂教學(xué)中。與國(guó)外同行水平相比，我國(guó)在機(jī)器人基礎(chǔ)教學(xué)以及機(jī)器人知識(shí)的普及方面存在一定的差距。目前國(guó)內(nèi)高校機(jī)器人實(shí)踐應(yīng)用教學(xué)方面上多數(shù)采用成品機(jī)器人，通過(guò)比賽的方式進(jìn)一步提高學(xué)生的動(dòng)手能力以及應(yīng)變能力。但這很大程度上限制了學(xué)生的自主設(shè)計(jì)和創(chuàng)新，并不有利于機(jī)器人技術(shù)的進(jìn)步和相關(guān)人才的培養(yǎng)。而機(jī)器人基礎(chǔ)教學(xué)的工作也面臨著許多難題，比如機(jī)器人技術(shù)的更新速度快、教學(xué)硬件設(shè)施費(fèi)用高、無(wú)基礎(chǔ)教學(xué)的實(shí)驗(yàn)應(yīng)用平臺(tái)和底層開(kāi)放程度不夠等。面對(duì)國(guó)內(nèi)的教育教學(xué)現(xiàn)狀，機(jī)器人基礎(chǔ)實(shí)踐教學(xué)的改進(jìn)與推廣已經(jīng)迫在眉睫[2]。機(jī)器人基礎(chǔ)教學(xué)工作的開(kāi)展能夠培養(yǎng)學(xué)生如何發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，同時(shí)加快機(jī)器人知識(shí)普及化和高科技技術(shù)推廣化的進(jìn)程，將機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用到生產(chǎn)生活中解決實(shí)際問(wèn)題。機(jī)器人基礎(chǔ)實(shí)踐教學(xué)的工作不僅在知識(shí)普及和人才培養(yǎng)方面意義重大，而且對(duì)機(jī)器人技術(shù)的深度發(fā)展更是起到積極的推進(jìn)作用。

2 機(jī)器人基礎(chǔ)實(shí)踐教學(xué)

機(jī)器人的應(yīng)用研究以及教學(xué)在國(guó)內(nèi)并不少見(jiàn)，但大部分仍然采用了成型機(jī)器人，大班化教學(xué)。本文提出的機(jī)器人基礎(chǔ)實(shí)踐教學(xué)，以“積木式”教學(xué)實(shí)驗(yàn)箱代替了以往的成型機(jī)器人，同一些電子基礎(chǔ)教學(xué)一樣采用學(xué)生實(shí)踐為主、課堂教授為輔的教學(xué)模式。但在教學(xué)思路方面采用了從基礎(chǔ)到應(yīng)用、循序漸進(jìn)的方式。從了解掌握基礎(chǔ)的元器件知識(shí)，器件或模塊功能的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)逐步到大型自主設(shè)計(jì)搭建機(jī)器人，將整體機(jī)器人剖析到最小的器件單元開(kāi)始學(xué)習(xí)，從易到難地進(jìn)行課堂教學(xué)引導(dǎo)。這種教學(xué)方式，有利于學(xué)生系統(tǒng)地掌握機(jī)器人知識(shí)，學(xué)生容易接受并且上手快。動(dòng)手實(shí)踐的過(guò)程能培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的學(xué)習(xí)態(tài)度以及獨(dú)立思考、解決問(wèn)題的能力，這使學(xué)生具有使用機(jī)器人硬件和應(yīng)用的能力以及掌握初步軟件編程知識(shí)，為將來(lái)應(yīng)用機(jī)器人知識(shí)與技術(shù)解決相關(guān)專業(yè)的實(shí)際問(wèn)題打下基礎(chǔ)。真正將機(jī)器人的教學(xué)工作從以前的整體應(yīng)用實(shí)踐轉(zhuǎn)變成一種新的基于機(jī)器人基礎(chǔ)實(shí)踐的教學(xué)。

3 教學(xué)模式所面臨的困境

（1）教學(xué)平臺(tái)的設(shè)計(jì)

實(shí)施“積木式”機(jī)器人教學(xué)首先要解決的問(wèn)題就是如何設(shè)計(jì)機(jī)器人基礎(chǔ)教學(xué)平臺(tái)。硬件方面首先要進(jìn)行模塊化分類，機(jī)器人的硬件構(gòu)架基本可以分為控制模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、傳感模塊等。面對(duì)不同設(shè)計(jì)要求的機(jī)器人，教學(xué)平臺(tái)的搭建需要考慮的問(wèn)題諸多。例如:如何使硬件模塊化的設(shè)計(jì)滿足大部分機(jī)器人的需求鑰如何使實(shí)驗(yàn)箱的設(shè)計(jì)安全方便且節(jié)約教學(xué)成本鑰如何同時(shí)適用于有一定基礎(chǔ)和完全沒(méi)有基礎(chǔ)的學(xué)習(xí)者使用等。

（2）教學(xué)工作開(kāi)展困難，課程內(nèi)容多課時(shí)少

目前我校機(jī)器人基礎(chǔ)教學(xué)并沒(méi)有納入到我們的必修課當(dāng)中，仍然是根據(jù)學(xué)生興趣自由選擇的選修課。我們的教學(xué)方面也面臨著很多問(wèn)題，入選學(xué)生的程度不一，教學(xué)進(jìn)度緩慢，教學(xué)方式難展開(kāi)等，機(jī)器人基礎(chǔ)的知識(shí)面很廣，課程內(nèi)容多，課時(shí)安排不夠，導(dǎo)致動(dòng)手實(shí)踐應(yīng)用的時(shí)間不多，很多內(nèi)容要靠學(xué)生自學(xué)才能夠完成。

針對(duì)課程安排上現(xiàn)存的問(wèn)題，為滿足不同專業(yè)學(xué)生的需求，首先要對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行拓展，以培養(yǎng)學(xué)生對(duì)機(jī)器人知識(shí)的實(shí)際動(dòng)手應(yīng)用能力為主導(dǎo)方向，增開(kāi)實(shí)用性更強(qiáng)的二級(jí)課程，如“機(jī)器人python編程語(yǔ)言”、“傳感器傳感技術(shù)”、“基于ARM嵌入式系統(tǒng)”等課程[3]。學(xué)生可以根據(jù)自己興趣愛(ài)好選修以上課程，為進(jìn)一步學(xué)習(xí)機(jī)器人知識(shí)奠定良好基礎(chǔ)。當(dāng)然這些也不能全部解決實(shí)際問(wèn)題，我們還要從提高課堂效率，改革教學(xué)方法、調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性等方面著手。這些都是需要我們研究的課題。機(jī)器人基礎(chǔ)知識(shí)真正的推廣并不是一朝一夕能夠做到的，需要我們?cè)趯?shí)際教學(xué)過(guò)程中不斷地探索和研究。

4 硬件解決方案、實(shí)踐教學(xué)應(yīng)用模式探討

（1）教學(xué)平臺(tái)的搭建

對(duì)于硬件方面所面臨的問(wèn)題，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)基于ARM嵌入式系統(tǒng)的機(jī)器人實(shí)驗(yàn)箱。將不同的機(jī)器人的硬件構(gòu)架整合然后模塊化細(xì)分為主控模塊、移動(dòng)模塊、傳感模塊、環(huán)境模塊以及四軸模塊等幾大模塊，而對(duì)于不同的設(shè)計(jì)需求可以對(duì)模塊進(jìn)行補(bǔ)充。我們可以根據(jù)機(jī)器人設(shè)計(jì)要求選擇合適的模塊組建，完成“積木式”機(jī)器人。這樣的設(shè)計(jì)有很多優(yōu)點(diǎn)，在使用方面，既可以從原理方面深度研究機(jī)器人的構(gòu)架，也可以參與自主設(shè)計(jì)并完成機(jī)器人的搭建；操作方面，采用了硬件模塊化和連接插拔的方式，組態(tài)靈活，簡(jiǎn)單易懂，對(duì)于基礎(chǔ)不深的學(xué)習(xí)者來(lái)說(shuō)同樣適用；在資金方面，不必購(gòu)置多種教學(xué)機(jī)器人，實(shí)驗(yàn)箱可以組建出不同的機(jī)器人，激發(fā)學(xué)員興趣的同時(shí)節(jié)約了教學(xué)成本。教學(xué)平臺(tái)的設(shè)計(jì)有希望將機(jī)器人知識(shí)推廣到更多的講堂，而不只是為研究所和比賽使用，這能讓不同層次的人都有機(jī)會(huì)了解到機(jī)器人知識(shí)，有利于機(jī)器人基礎(chǔ)教學(xué)工作的推廣。

（2）采用學(xué)生實(shí)踐為主，教師指導(dǎo)為輔的教學(xué)思路

機(jī)器人的基礎(chǔ)教學(xué)主要是以應(yīng)用為目的的課程，讓學(xué)生回歸到自主學(xué)習(xí)模式而不是“多動(dòng)腦少動(dòng)手”的教學(xué)模式。從實(shí)踐中探索和認(rèn)知。采用學(xué)生實(shí)踐為主、教師指導(dǎo)為輔的教學(xué)模式，培養(yǎng)學(xué)生自主分析、攻克難題的能力。將教學(xué)從教師傳授的舊模式中掙脫出來(lái)，在不增加原有課時(shí)的基礎(chǔ)上，提高學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐課時(shí)的比例。課堂僅起到引導(dǎo)的作用，大量的時(shí)間留給學(xué)生自己去學(xué)習(xí)、思考，考驗(yàn)學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的應(yīng)用能力。學(xué)生自主創(chuàng)新才能有利于機(jī)器人技術(shù)的應(yīng)用和高科技技術(shù)的革新。

（3）從基礎(chǔ)到應(yīng)用循序漸進(jìn)的教學(xué)思路

與以往成型機(jī)器人不同的是我們采用了“積木式”教學(xué)，將看似復(fù)雜一體的機(jī)器人拆分來(lái)學(xué)習(xí)講授，更加有利于學(xué)生接受和掌握。首先將簡(jiǎn)單器件和模塊原理進(jìn)行課堂講授，讓學(xué)生對(duì)此有一定的了解并掌握其功能；然后安排驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，鞏固課堂知識(shí)，加快知識(shí)的掌握；最后學(xué)生應(yīng)用所學(xué)知識(shí)，自主選擇器件和模塊構(gòu)造不同功能的機(jī)器人，完成積木式機(jī)器人的設(shè)計(jì)。這樣從基礎(chǔ)到應(yīng)用的教學(xué)思路的開(kāi)展，從原理方面系統(tǒng)地傳授了機(jī)器人基礎(chǔ)知識(shí)，并且給學(xué)生提供了應(yīng)用和自主設(shè)計(jì)的平臺(tái)。在完成了基礎(chǔ)教學(xué)的同時(shí)也培養(yǎng)了學(xué)生動(dòng)手和應(yīng)用的能力，有利于機(jī)器人基礎(chǔ)教學(xué)更廣泛的普及。

（4）基礎(chǔ)教學(xué)的推廣和普及

對(duì)于基礎(chǔ)教學(xué)當(dāng)前面臨的現(xiàn)狀，我們大膽地提出了“小班化”的教學(xué)模式來(lái)進(jìn)一步推廣機(jī)器人基礎(chǔ)教學(xué)。這種教學(xué)模式在有利于工作展開(kāi)的同時(shí)一定程度上緩解了入門學(xué)生程度不一的問(wèn)題。對(duì)于小班化教學(xué)的設(shè)想，前期項(xiàng)目組成員自行推薦學(xué)員（3-5），根據(jù)擬定的教學(xué)計(jì)劃進(jìn)行試驗(yàn)教學(xué)，根據(jù)反饋的信息進(jìn)一步完善教學(xué)計(jì)劃，適當(dāng)調(diào)整軟硬件配置；中期，項(xiàng)目組成員自己擔(dān)任主講教師，招收一批20-30人興趣小班進(jìn)行一個(gè)教學(xué)周期的教學(xué)試驗(yàn)，完善教學(xué)計(jì)劃中的教學(xué)、考核等環(huán)節(jié)，推廣到全校范圍中去；終期，推廣到更廣闊的教育教學(xué)工作中。這種以小到大的推廣模式可以隨時(shí)調(diào)整教學(xué)方案，解決教學(xué)中的難題，不斷完善機(jī)器人實(shí)驗(yàn)箱的設(shè)計(jì)也可以進(jìn)一步推廣機(jī)器人基礎(chǔ)教學(xué)，讓更多人的有機(jī)會(huì)了解到機(jī)器人，促進(jìn)了機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展。

（5）改革教學(xué)思路結(jié)合網(wǎng)絡(luò)視頻教學(xué)

為了拓寬機(jī)器人基礎(chǔ)教學(xué)的受益面，我們不僅書寫了詳細(xì)的教學(xué)手冊(cè)以及實(shí)驗(yàn)手冊(cè)，而且結(jié)合網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)展開(kāi)進(jìn)一步了教學(xué)。我們準(zhǔn)備采用網(wǎng)絡(luò)真人操作的視頻來(lái)擴(kuò)大教學(xué)的普及面。視頻涵蓋了具體的教學(xué)過(guò)程，從最開(kāi)始根據(jù)機(jī)器人的設(shè)計(jì)要求選擇器件和模塊，通過(guò)插拔方式進(jìn)行連接，再到結(jié)合軟件編程實(shí)現(xiàn)機(jī)器人功能的設(shè)計(jì)，最后到模擬實(shí)驗(yàn)條件演示機(jī)器人功能。課堂教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)、網(wǎng)絡(luò)教學(xué)相互結(jié)合，相互促進(jìn)，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力，獨(dú)立思考問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力以及知識(shí)綜合運(yùn)用能力。

5 實(shí)際課堂教學(xué)案例

為了驗(yàn)證這種教學(xué)新模式的可行性，我們也在學(xué):內(nèi)部進(jìn)行了試驗(yàn)教學(xué)，教學(xué)工作初見(jiàn)成效。項(xiàng)目組學(xué)員很好的掌握了機(jī)器人設(shè)計(jì)的知識(shí)，并且自主設(shè)計(jì)了各式各樣的綜合性機(jī)器人。下面以足球機(jī)器人為案例分析，課時(shí)的安排僅供參考。

第一、基礎(chǔ)器件和模塊的課堂教學(xué)。我們?cè)O(shè)計(jì)足球機(jī)器人首先要了解的是足球機(jī)器人的功能。足球機(jī)器人的功能主要是準(zhǔn)確尋找足球并完成射門動(dòng)作。首先我們就要先考慮用到哪些器件和模塊。實(shí)際的實(shí)驗(yàn)以光源模擬足球，我們選用了全向多通道紅外傳感器、紅外傳感器、指南針、主機(jī)和移動(dòng)模塊等來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。其中全向多通道紅外傳感器多方位檢測(cè)光源，分析足球的方位；紅外傳感器用來(lái)實(shí)現(xiàn)避障功能，判斷是否改變行進(jìn)路徑；指南針是利用磁場(chǎng)辨別方向，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確地定位。我們用2課時(shí)完成基礎(chǔ)器件的課堂教學(xué)，主要講授如何根據(jù)機(jī)器人設(shè)計(jì)要求選擇器件或者模塊，同時(shí)介紹這些基礎(chǔ)器件的原理和功能，使學(xué)生能夠掌握基本的機(jī)器人知識(shí)。

第二、驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。為了進(jìn)一步加深鞏固所學(xué)知識(shí)，教學(xué)中安排了通過(guò)教學(xué)實(shí)驗(yàn)箱驗(yàn)證器件功能的實(shí)驗(yàn)。這些驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)大致安排3個(gè)課時(shí)。在室內(nèi)的情況下模擬了足球場(chǎng)以及足球的場(chǎng)景，完成全向多通道紅外傳感器檢測(cè)光源的功能，以及紅外傳感器避障和指南針指示方位的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。在驗(yàn)證了器件的功能同時(shí)也確定了基本器件的完好性，為后期的整體實(shí)驗(yàn)奠定基礎(chǔ)。圖1為本次實(shí)驗(yàn)足球機(jī)器人的基本構(gòu)架框圖。

圖1、足球機(jī)器人基本構(gòu)架框圖

應(yīng)用設(shè)計(jì)。在了解掌握了器件的功能后，可以結(jié)合主控模塊和移動(dòng)模塊搭建機(jī)器人。通過(guò)軟件編程控制機(jī)器人實(shí)現(xiàn)機(jī)器人尋找球光源并完成射球等動(dòng)作，自主設(shè)計(jì)完成機(jī)器人。在此安排了4個(gè)課時(shí)進(jìn)行機(jī)器人的設(shè)計(jì)和完善。此案例是在實(shí)驗(yàn)箱外，如果機(jī)器人未脫離實(shí)驗(yàn)箱的操作的話，可適時(shí)調(diào)整課時(shí)。圖2、圖3分別是本次實(shí)驗(yàn)案例我們所搭建的足球機(jī)器人模型以及機(jī)器人實(shí)現(xiàn)找尋模擬球光源的實(shí)驗(yàn)效果圖。搭建的模型可以使各式各樣的，我們的模型僅供參考。

圖2、自主搭建足球機(jī)器人模型側(cè)面圖

圖3、足球機(jī)器人尋找模擬光源過(guò)程圖

以上就完成了足球機(jī)器人的教學(xué)課程，這樣幾個(gè)案例下來(lái)學(xué)生就可以脫離實(shí)驗(yàn)箱自主選擇器件，編寫程序，搭建設(shè)計(jì)各式各樣的機(jī)器人。將復(fù)雜機(jī)器人拆分成簡(jiǎn)單器件和模塊進(jìn)行教學(xué)，并應(yīng)用到實(shí)際的案例中操作。通過(guò)這種“授之以漁”的教學(xué)方式，學(xué)生能夠熟練地掌握和應(yīng)用機(jī)器人知識(shí)，同時(shí)也能掌握機(jī)器人設(shè)計(jì)的方法。當(dāng)然這只是簡(jiǎn)單的案例介紹，一個(gè)從基礎(chǔ)到應(yīng)用的引導(dǎo)過(guò)程，更加熟練的應(yīng)用機(jī)器人技術(shù)還需要更多的知識(shí)。

6 結(jié)論

提出的“積木式”機(jī)器人的設(shè)想初步取得了成效。積木式的思維可以提高學(xué)員的動(dòng)手能力以及自主創(chuàng)造的能力。教學(xué)中設(shè)計(jì)出了多種不同功能的機(jī)器人，對(duì)機(jī)器人試驗(yàn)箱的設(shè)計(jì)做出了進(jìn)一步完善。在教學(xué)方面小班化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)也有突出的效果，對(duì)于機(jī)器人教學(xué)的推廣有很大的促進(jìn)作用。無(wú)論是從機(jī)器人教學(xué)平臺(tái)還是從教學(xué)方面的嘗試，都可以證明該模式的可行性。相信這種模式的推廣，會(huì)進(jìn)一步推進(jìn)機(jī)器人基礎(chǔ)教學(xué)的拓展式普及，進(jìn)而促進(jìn)我國(guó)機(jī)器人技術(shù)更高層次的發(fā)展。我們將繼續(xù)不斷探索新的機(jī)器人基礎(chǔ)教學(xué)的教學(xué)方法和教學(xué)思路，努力推進(jìn)機(jī)器人知識(shí)的推廣和普及。

[1]王劍.關(guān)于本科教育機(jī)器人教學(xué)的思考[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào),2011,33(2):18-21

[2]陳世利.搭建教學(xué)機(jī)器人綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的研究[J].實(shí)驗(yàn)室科學(xué),2010,13(2):96-97

[3]高鷺周李涌.大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程的教學(xué)思路與方法研究[C].現(xiàn)代教育技術(shù)，2008,18（3）:123-12

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