基于任務驅動法的移動機器人視覺實訓教學研究

郭崇光，鄧三鵬，鄭建華

（1.天津職業技術師范大學機器人及智能裝備研究所，天津300222；2.云南省玉溪技師學院，云南 玉溪653100）

0 引言

當前機器人技術型人才的培養主要包括工業機器人技術和移動機器技術。在工科類職業院校中，工業機器人技術專業相對普遍，其課程體系與教學方法也相對比較完善。而移動機器人技術在專業建設和課程教學方面仍有不足。在移動機器人技術課程教學內容中，機器視覺技術占據著核心位置，像顏色識別，視覺測量和物體的追蹤與標定等技術是移動機器人智能化的關鍵[1]。當下的移動機器人視覺實訓課程實訓教學平臺多使用偏底層的C或C++程序語言進行編程控制，這對編程基礎弱的學生來說入門較難[2]。設計了一種入門相對簡單的競賽型移動機器人視覺教學實訓平臺，該實訓平臺采用圖形化編程的LabVIEW軟件平臺，其相對文本式編程簡單，讓學生專注于移動機器人視覺的學習。此外，移動機器人教學實訓課程教學中，以老師為中心的指導式教學方法占據主導，指導式教學方法要求老師在課堂上進行每一環節的示范指導，這種教學方法不僅加重老師的工作量，也不利于學生自主性發揮[3]。本研究提出了一種以學生為主體的任務驅動式實訓教學法。任務驅動式教學法以解決實際問題為目的，多層次全面分解課程內容，同時減少老師的干預，給予學生自主學習權，充分調動學生學習的積極性。

1 移動機器人視覺實訓課程教學平臺設計

設計的競賽型移動機器人實訓平臺采用NI的myRIO1900控制器為核心（如圖1所示），微軟LifeCam網絡高清攝像機作為視覺傳感器，本體采用鋁型材搭建，軟件開發采用圖形化編程的LabVIEW，LabVIEW軟件開發工具內部有大量的例程模塊與函數包，因此學生使用LabVIEW進行視覺數據的采集與處理分析變得簡單快捷。

圖1 移動機器人實訓平臺與myRIO控制器

在2017博諾杯移動機器人大賽和2018“一帶一路”暨金磚國家技能發展與技術創新大賽移動機器人賽項中，該移動機器人作為比賽平臺，學生不僅可以利用它進行各種條件下的視覺識別，還可以根據自己的想法進行改裝，充分發揮自己的創造力[4]。

2 任務驅動法在視覺實訓課程的研究

2.1 任務驅動教學法

任務驅動教學法源于教育家皮亞杰、維果斯基等人提出的建構主義教學理論。建構主義認為，知識的獲取不是完全依靠教師，而是學習者借助其他人（包括教師和學習伙伴）的幫助，利用必要的學習資料通過意義建構方式獲得的[5]。任務驅動式教育理念改變了實訓教學中教師的主導地位，以學生完成具體項目任務為學習動機，在實訓教學中為學生創建解決問題的環境，幫助學生在解決問題中活化知識，充分體現了以學生為主體，學用結合的教學理念。

2.2 任務驅動教學的設計

任務驅動式教學法的具體教學流程如圖2，先確定實訓課程的教學目標和教學內容，把教學內容拆分成多個包含教學知識點的目標任務，學生以3～5人一組接受目標任務，然后進行組內討論制定技術方案，最后執行。在整個過程中老師僅僅作為一個引導和顧問的角色，向學生解疑答惑。學生完成任務后，老師把小組任務完成情況與教學目表進行對比和評價。

圖2 任務驅動式移動機器人視覺系統實訓教學流程圖

2.3 任務式教學內容

如表1，任務式教學內容源于趣味性的實際任務，每個實際任務包含要求學生掌握的知識內容，這樣既可以體現移動機器人視覺技術的實訓，又能把握實訓課程的知識目標。

表1 任務式教學內容

2.4 考核與評價

對學生進行考核與評價有助于學生了解自身的知識技能水平，找出自身的不足并改進。老師可以通過考核與評價掌握課程進度，把握教學節奏，了解整個教學工作效率。任務驅動教學法所采用的評價主要有三種，第一是小組內評價，包括組內互評和自我評價，整個過程由老師作為監督；第二是學生平時學習的評價，主要有作業完成情況，遲到曠課早退記錄等；最后根據學生任務完成情況進行評價。考核主要包括閉卷考核和實踐操作考核，閉卷考核是整個實踐操作的知識點，如正確操作事項、顏色識別編程內容等，實踐操作考核是學生對每項任務的實踐操作。如表2，選取了任務一的實踐考核標準作為示例。

表2 實踐考核標準示范表

3 結束語

移動機器人視覺實訓課程具有較強的專業性與應用性。以富有趣味性和綜合性的移動機器人作為實訓平臺，在移動機器人視覺實訓課程教學中不僅鍛煉了學生的團隊協作能力，通過完成項目任務，學生的學習積極性也得到了提升；同時用情節真實的實例呈現問題，創造解決問題的環境，培養了學生發現問題，獨立思考解決問題的能力。