機器人制作與專業(yè)認(rèn)識課程的教學(xué)設(shè)計

許曉飛　吳細(xì)寶　陳啟麗　陳雯柏

摘要：結(jié)合智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)，介紹機器人制作與專業(yè)認(rèn)識課程的實踐創(chuàng)新教學(xué)探索與課程系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)，闡述課程教學(xué)設(shè)計過程中機器人制作的3個階梯式平臺；結(jié)合智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)培養(yǎng)方案內(nèi)涵，提出在實驗內(nèi)容選定、教學(xué)方法設(shè)計、本科生實踐能力階梯式培養(yǎng)等方面的一系列教改措施。

關(guān)鍵詞：機器人制作；專業(yè)認(rèn)識；實踐教學(xué)；階梯式

0引言

智能科學(xué)與技術(shù)已經(jīng)成為智慧地球時代創(chuàng)新的重要基礎(chǔ)點，機器人制作與專業(yè)認(rèn)識課程教學(xué)設(shè)計的核心內(nèi)容，具有智能科學(xué)與技術(shù)的非抽象性和極強的創(chuàng)新教學(xué)工程性和實踐性。學(xué)生學(xué)習(xí)和制作機器人能夠切實理解和掌握工程學(xué)和數(shù)學(xué)的很多知識與原理，同時通過動手實踐將它們運用到解決實際問題的過程中。學(xué)生通過課程能夠系統(tǒng)、階梯式地學(xué)習(xí)認(rèn)識什么是機器人和智能技術(shù)，不同機器人有哪些共性特征，機器人工程應(yīng)用中有哪些共性關(guān)鍵技術(shù)，不僅拓寬視野，還了解前沿技術(shù)，同時重點培養(yǎng)對機器人設(shè)計工程案例分析研究、提出見解和綜合運用信息技術(shù)解決問題的能力，從而全面并深入地掌握智能機器人技術(shù)。

1總體教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計

1.1課程整體教學(xué)設(shè)計

智能科學(xué)與技術(shù)是以知識平臺為中心的知識創(chuàng)新與創(chuàng)新知識應(yīng)用，掌握智能科學(xué)與技術(shù)是多個強勢學(xué)科的交叉融合與后硬件時代的到來對多學(xué)科復(fù)合型人才的需求以及后硬件時代普遍的軟件人才需求。智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)實踐教學(xué)體系是通過設(shè)立階梯課程進行本行業(yè)應(yīng)用創(chuàng)新，因此機器人硬件與軟件課程連續(xù)4年階梯設(shè)計不斷線。針對大學(xué)一年級學(xué)生的實際需要，機器人制作與專業(yè)認(rèn)識作為專業(yè)導(dǎo)論實踐類課程，在教學(xué)設(shè)計中切忌涉及太多理論，采用項目驅(qū)動教學(xué)方式；鼓勵教師改革教學(xué)方法和手段，采用案例教學(xué)法和項目教學(xué)法；引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合自己的知識經(jīng)驗進行調(diào)研，搜索資料完成創(chuàng)新部分任務(wù)，考核時將學(xué)生創(chuàng)新部分加權(quán)計入總評成績，重點培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力、實踐動手能力及團隊合作精神，驅(qū)動學(xué)生真正成為學(xué)習(xí)的主體。

教師需結(jié)合機器人制作中的具體工程問題，講解解決方案形成思路，由淺入深地引導(dǎo)學(xué)生重視數(shù)學(xué)類課程的學(xué)習(xí)，數(shù)學(xué)是所有工程科學(xué)的基礎(chǔ)，沒有數(shù)學(xué)上的論證，高樓不敢蓋，宇航船不敢遠(yuǎn)游；結(jié)合培養(yǎng)方案中的數(shù)學(xué)課程，如高等數(shù)學(xué)、復(fù)變函數(shù)、控制論基礎(chǔ)、線性代數(shù)、矩陣論、概率與隨機過程、數(shù)字信號處理等數(shù)學(xué)理論類課程，幫助學(xué)生實現(xiàn)研究型人才的發(fā)展。教師在講解機器人控制算法的設(shè)計時，引導(dǎo)學(xué)生對以后的專業(yè)課進行學(xué)習(xí)思考，包括控制理論、模糊控制、人工智能、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、人工智能、專家系統(tǒng)等課程算法思想，幫助學(xué)生高屋建瓴地思考分析智能系統(tǒng)中的信息智能處理方法。

1.2總體教學(xué)任務(wù)與目標(biāo)

智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)培養(yǎng)的是工程應(yīng)用型人才，因此在機器人制作實踐教學(xué)中，教師必須充分認(rèn)識到讓學(xué)生主動獨立掌握特定機器人設(shè)計和開發(fā)是課程教學(xué)目標(biāo)實現(xiàn)和教學(xué)效果達(dá)到的保證。實際影響教學(xué)效果的兩大問題包括：①課程內(nèi)容涉及多門學(xué)科內(nèi)容；②學(xué)生錄取批次多，學(xué)生基礎(chǔ)和學(xué)習(xí)動力不一樣。針對問題，首先，教師應(yīng)充分認(rèn)識到引導(dǎo)學(xué)生入門完成機器人制作，可以幫助學(xué)生盡快深入理解本專業(yè)培養(yǎng)體系，所謂“麻雀雖小，五臟俱全”，該課程具有其他課程不可替代的作用和廣闊應(yīng)用前景；其次，教師應(yīng)當(dāng)根據(jù)專業(yè)特點適當(dāng)刪減機器人制作原理部分偏電子技術(shù)內(nèi)容，利用動畫、實際系統(tǒng)演示和實物機器人講授每一堂課。

為了盡可能解決上述問題，使學(xué)生對機器人技術(shù)有一個總體、系統(tǒng)的了解與掌握，本次機器人制作課程系列實驗設(shè)計的具體教學(xué)任務(wù)與目標(biāo)是設(shè)計制作出能循跡和避障輪式機器人。工程訓(xùn)練的能循跡和避障輪式機器人實驗平臺較多，本課程實踐項目中傳感選型環(huán)節(jié)建議采用光電、灰度和超聲波傳感器進行環(huán)境黑白線和障礙物的檢測，而機器人控制器及信息處理部分可獨立或結(jié)合采用以下3種：基于arduino控制器、C51單片機和arm控制器設(shè)計。通過本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠?qū)χ悄芸茖W(xué)與技術(shù)架構(gòu)、智能信息處理的算法設(shè)計以及相應(yīng)硬軟件平臺的形成發(fā)展有所了解，通過動手制作和調(diào)試出相關(guān)機器人功能，可以深入地理解智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)涉及的工程技術(shù)基本概念和分析解決問題的方法，為從事智能科學(xué)與技術(shù)的研究和應(yīng)用工作打下堅實基礎(chǔ)。

2機器人的制作與設(shè)計

根據(jù)目標(biāo)設(shè)置理論，目標(biāo)本身具有激勵作用，合理的目標(biāo)設(shè)置能把人的需要轉(zhuǎn)變?yōu)閯訖C，使學(xué)生為實現(xiàn)目標(biāo)而主動設(shè)計和執(zhí)行最合適的策略和手段，朝著一定的方向努力并將自己的行為結(jié)果與既定的目標(biāo)相對照，及時進行調(diào)整和修正，從而實現(xiàn)目標(biāo)。機器人制作與專業(yè)認(rèn)識課程設(shè)置3種不同難度的目標(biāo)。

2.1基于ardunio控制器機器人的制作與實現(xiàn)

教師可以通過演示基于ardunio控制器的輪式機器人循跡和避障功能，講解程序設(shè)計中的邏輯思維、容易出現(xiàn)的故障及解決措施等，使學(xué)生能夠在較短時間內(nèi)理解輪式機器人的架構(gòu)；鼓勵學(xué)生像搭積木一樣進行輪式機器人的硬件搭建；軟件設(shè)計上允許學(xué)生在積極思考后，對比參考程序進行燒寫和參數(shù)調(diào)試。

機器人制作中，在循跡模塊上，主要實現(xiàn)機器人識別并能沿著地面測試區(qū)域的黑白線中黑線行走；采用TRCT5000紅外對管檢測黑線，由于黑白線地板對光線的反射系數(shù)不同，可通過傳感器接收到的反射光強弱判斷小車前進方向。在避障模塊調(diào)試上，采用HC-SR04超聲波傳感器發(fā)射和接受超聲波，實現(xiàn)障礙物距離的測量，中間一個超聲波探頭默認(rèn)一個方向。整個機器人由主控電路模塊、電源、紅外檢測模塊、電機及驅(qū)動模塊等幾部分組成，而機器人左右輪控制是采用差速換向，實現(xiàn)機器人的左右轉(zhuǎn)、前進后退等電機控制動作，實現(xiàn)輪式機器人循跡和避障效果。

2.2基于C51單片機控制器電機系統(tǒng)制作與實現(xiàn)

該實驗項目主要是在第1個實驗項目完成的基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)和更換控制器，這是因為51單片機系列控制器相對ardunio控制器，在電機控制等子函數(shù)中，可以進行更多底層的參數(shù)設(shè)定。針對學(xué)生在機器人電機控制程序設(shè)計中的諸多問題，教師可指導(dǎo)學(xué)生深入理解并實現(xiàn)輪式機器人腿部電機的PWM波控制函數(shù)；在課堂講解中圍繞機器人的執(zhí)行機構(gòu)，重點講解直流電機調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)以及脈沖寬度調(diào)制（PWM），指出PWM是用改變電機電樞電壓接通與斷開時間的占空比控制電機轉(zhuǎn)速；指導(dǎo)學(xué)生在MATLAB軟件上進行電機控制仿真，借鑒仿真參數(shù)，在單片機上編寫控制算法，觀察測量舵機運行的性能參數(shù)變化情況，分析找出穩(wěn)定性好的關(guān)節(jié)運動軌跡規(guī)劃控制器設(shè)計方案；通過講解機器人制作課程的基礎(chǔ)PWM波控制電機的轉(zhuǎn)向和速度，幫助學(xué)生理解一個機械執(zhí)行裝置執(zhí)行的完整過程。

教師要指導(dǎo)學(xué)生在實驗開始前，做好準(zhǔn)備工作，準(zhǔn)備好配套材料；連接時注意接口松動的問題以及最后確認(rèn)整個系統(tǒng)連接正確后再啟動；軟件編寫時，要注意delay函數(shù)的應(yīng)用；在實驗進行時，由于不方便肉眼觀測，可以使用示波器觀察信號占空比變化，鼓勵下次實驗加入閉環(huán)系統(tǒng)作為改進；最后加入傳感器，即可實現(xiàn)C51單片機控制器的輪式機器人循跡和避障效果。

2.3基于ARM控制器機器人的講解與演示

該實驗項目主要是在第2個實驗項目完成的基礎(chǔ)上，針對學(xué)生在機器人攝像頭控制程序設(shè)計中的好奇和求知心態(tài)，指導(dǎo)學(xué)生理解并實現(xiàn)輪式機器人攝像頭循跡；課堂講解中圍繞機器人的人工智能思想，重點講解圖像信息的基本分析原理以及圖片信息的提取和處理基本流程方法，指導(dǎo)學(xué)生采用實驗室機器人平臺arm控制器實現(xiàn)機器人的追蹤、人臉識別等智能科學(xué)與技術(shù)的應(yīng)用。

在課堂講授過程中，教師還應(yīng)注重引導(dǎo)學(xué)生模仿科學(xué)研究方法進行探究，如圍繞機器人的感知系統(tǒng)，重點指導(dǎo)學(xué)生進行數(shù)據(jù)測試分析，以完成傳感器的選型和信號調(diào)試電路的設(shè)計與實現(xiàn)；指導(dǎo)學(xué)生完成電子秤和光電傳感器的驗證型實驗并記錄傳感器性能數(shù)據(jù)，采用MATLAB軟件編寫最小二乘法程序進行實驗數(shù)據(jù)的分析。利用北京信息科技大學(xué)卓越聯(lián)盟實驗室已有條件，我們指導(dǎo)學(xué)生使用機械臂裝運、智能分揀系統(tǒng)、3D打印、激光切割機、雕刻機等設(shè)計制作出機器人構(gòu)件小作品；引導(dǎo)學(xué)生注意觀察智能技術(shù)，發(fā)現(xiàn)問題，提出有待解決的工程問題；對于優(yōu)秀作品，引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合相應(yīng)機器人競賽項目進行改進，提升學(xué)生思考問題的方式和學(xué)習(xí)模式，使學(xué)生能夠結(jié)合實際，綜合運用書本和課堂上所學(xué)的各學(xué)科理論，在實踐中檢驗與應(yīng)用。

3教學(xué)與實踐設(shè)計的效果

3.1學(xué)生實踐效果

智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)不同基礎(chǔ)的學(xué)生在學(xué)習(xí)機器人技術(shù)的簡單傳感技術(shù)、調(diào)理電路技術(shù)以及系統(tǒng)控制及信息處理的基礎(chǔ)上，結(jié)合實踐項目的任務(wù)與要求，通過解決實際問題如引線短路、芯片的數(shù)據(jù)和管腳、系統(tǒng)電源及布局等，將課堂內(nèi)容通過實際操作達(dá)到學(xué)以致用，培養(yǎng)智能機器人工程師的素養(yǎng)。學(xué)生完成該實驗項目過程的部分成果呈現(xiàn)如圖1所示。

根據(jù)智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)培養(yǎng)方案內(nèi)涵建設(shè)及機器人制作課程特點，對照分析授課內(nèi)容和學(xué)校培養(yǎng)應(yīng)用型人才的內(nèi)涵要求，教師可在該課程實踐教學(xué)中融入全國大學(xué)生學(xué)科競賽項目規(guī)則的講解，結(jié)合專業(yè)相關(guān)課程體系，讓學(xué)生明白專業(yè)培養(yǎng)課程前后設(shè)置的相關(guān)性，發(fā)揮主觀能動性，鼓勵學(xué)生在大學(xué)期間鍛煉自學(xué)能力和檢索信息資料的能力，分享國內(nèi)外知名大學(xué)著名課程的公開課視頻資料等內(nèi)容，使學(xué)生能夠盡快地構(gòu)建自己的專業(yè)知識架構(gòu)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)潛能和專業(yè)理想。

3.2學(xué)生課堂互動效果

機器人制作專業(yè)認(rèn)識課程共30學(xué)時，第1節(jié)課主要鼓勵學(xué)生介紹自己對機器人技術(shù)基礎(chǔ)知識的理解，講解機器人技術(shù)工程中典型問題的程序設(shè)計思路，其中涉及程序流程圖設(shè)計、工程問題細(xì)節(jié)設(shè)置、可能出現(xiàn)的BUG等方面的討論互動，學(xué)生在課堂上互動活躍，教學(xué)效果良好；以后課程中注重根據(jù)學(xué)生實踐中遇到問題進行互動討論和總結(jié)；結(jié)課后考核采取演示機器人、PPT總結(jié)答辯形式。

該課程教學(xué)在項目驅(qū)動中采用實驗實訓(xùn)拓展方式，課時內(nèi)容安排是根據(jù)學(xué)生認(rèn)知和邏輯上的前后順序，由淺入深，引導(dǎo)學(xué)生不知不覺間邁入機器人世界的門檻，甚至初步具備參加大學(xué)生機器人競賽的能力。教師還可結(jié)合具體機器人功能任務(wù)的分解深入，介紹多種典型傳感器原理及電路特性應(yīng)用（如紅外測距、光電式避障、超聲波測距等傳感器），演示實際程序調(diào)試下載測試效果，擴展模擬和數(shù)字電路應(yīng)用，講解C語言編程技巧、測量數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的設(shè)計、機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計與搭建機械技術(shù)應(yīng)用、機器人控制算法設(shè)計等，加深學(xué)生對智能控制和智能專業(yè)技術(shù)內(nèi)涵的深入理解和掌握，避免局限于枯燥、抽象理論的學(xué)習(xí)。

機器人制作課程實踐教學(xué)基本流程：首先，講解設(shè)計任務(wù)與要求，同時演示講解參加機器人競賽的機器人作品功能；其次，針對機器人的功能要求提問，課堂上分析討論學(xué)生設(shè)計方案的可行性、所畫流程圖的邏輯嚴(yán)密性等；然后，督導(dǎo)學(xué)生進行機器人功能模塊硬件設(shè)計、搭建、燒寫程序和調(diào)試測試；最后，結(jié)合評分表和學(xué)生具體表現(xiàn)完成所有實驗項目的成績核定。通過明確每一次單項實訓(xùn)項目任務(wù)與最終效果，讓零基礎(chǔ)的學(xué)生在玩中學(xué)和學(xué)中玩，引導(dǎo)學(xué)生參考已有的電路圖和程序，結(jié)合教師總結(jié)的程序設(shè)計思路以及常見BUG、經(jīng)常性故障排除知識經(jīng)驗，幫助學(xué)生盡快熟悉實踐平臺和入門；在此基礎(chǔ)上，指導(dǎo)學(xué)生利用課余時間自學(xué)和查找搜索課程資料，完成設(shè)計型實驗任務(wù)的可行性方案，將學(xué)生創(chuàng)新部分加權(quán)計入實驗成績，驅(qū)動學(xué)生真正成為實驗的主體。

課程結(jié)束時對學(xué)生進行教學(xué)效果測評，學(xué)生普遍反映良好。課程內(nèi)容上安排的從易到難的3種控制器應(yīng)用，加深了智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)學(xué)生對c語言編程的深入認(rèn)知，令學(xué)生對設(shè)計的機器人進行功能調(diào)試和編程測試，深入思考理論與實踐的相互關(guān)系，了解有關(guān)智能應(yīng)用的最新成果，認(rèn)識自己的不足與內(nèi)在目標(biāo)，在學(xué)習(xí)中將自我提升的專業(yè)敏感度實踐起來，取得了很大進步。

4結(jié)語

機器人制作專業(yè)認(rèn)識課程特點是突出實踐，指導(dǎo)督促學(xué)生設(shè)計搭建輪式機器人硬件和軟件算法編寫調(diào)試，教學(xué)中注重引導(dǎo)學(xué)生對典型機器人技術(shù)的學(xué)習(xí)總結(jié)以及舉一反三的知識技能遷移能力培養(yǎng)；所謂遷移能力是指已經(jīng)獲得的知識、技能、經(jīng)驗對學(xué)習(xí)新知識與技能的影響。在機器人制作教學(xué)實踐中，就如何獲得高質(zhì)量和低耗時的教學(xué)效果，還需要結(jié)合專業(yè)培養(yǎng)方案內(nèi)涵建設(shè)進一步探討。下一步，我們將根據(jù)低年級學(xué)生學(xué)習(xí)特點進行深入研究，按照實踐動手能力培養(yǎng)的客觀遷移規(guī)律組織教學(xué)，安排實踐練習(xí)，強化硬件和軟件設(shè)計能力的良性發(fā)展，使學(xué)生在全面運用過程中能夠根據(jù)用戶實際需求選擇合適的設(shè)計方案，具備智能機器人工程師的素養(yǎng)；同時結(jié)合3種不同程度的教學(xué)平臺，對教學(xué)過程進行反饋總結(jié)，通過教學(xué)效果的對比、分析和提高，實現(xiàn)專業(yè)教育的最好引領(lǐng)效果并嘗試提出更好的建議。

（編輯：宋文婷）