《智能機(jī)器人設(shè)計(jì)與制作》課程開發(fā)與教學(xué)改革研究

李笑梅，彭建盛，鄒琦萍，楊 鳳，宋華寧

（河池學(xué)院物理與機(jī)電工程學(xué)院，廣西 宜州546300）

0 引言

隨著科技的不斷進(jìn)步，機(jī)器人這一新鮮事物離我們?cè)絹碓浇⑶乙沧兊迷絹碓街悄芑芏嘁郧爸荒茉诳苹秒娪爸锌吹降那楣?jié)已經(jīng)出現(xiàn)在我們的生活中，機(jī)器人在各個(gè)領(lǐng)域中發(fā)揮了不可代替的作用。機(jī)器人在各個(gè)領(lǐng)域的突出地位，使機(jī)器人技術(shù)的普及教育在世界各國都受到了高度的重視。美國是第一個(gè)開辦機(jī)器人課程的國家，早在1994年機(jī)器人就首次走進(jìn)美國的大學(xué)課堂[1]。雖然日本起步比美國慢，但日本在國民的每個(gè)學(xué)段一直都很重視機(jī)器人的教育，每個(gè)學(xué)段都開設(shè)機(jī)器人課程[2]。伴隨著機(jī)器人課程的興起，各國政府紛紛提倡開辦機(jī)器人課程。2003年4月我國正式將機(jī)器人知識(shí)劃為中小學(xué)選修內(nèi)容，使我國的機(jī)器人課程有了初步的發(fā)展[3]。2013年我國把南京、常州等地區(qū)作為機(jī)器人課程開辦的試行點(diǎn)，經(jīng)過不斷的努力和嘗試，機(jī)器人課程的開辦取得優(yōu)異的成績[4]。實(shí)踐表明，機(jī)器人課程在創(chuàng)新思維能力與綜合實(shí)踐能力培養(yǎng)等方面具有顯著的效果[5]。國家已經(jīng)把培養(yǎng)高素質(zhì)的智能機(jī)器人研究人才納入國家“人才儲(chǔ)備計(jì)劃”[6]。機(jī)器人課程的開辦對(duì)創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)具有重要意義，其多學(xué)科交叉融合的特性為培養(yǎng)復(fù)合型人才提供了一個(gè)良好的平臺(tái)[7]。

1 課程開發(fā)現(xiàn)狀

1.1 傳統(tǒng)教學(xué)方式存在的問題

以與機(jī)器人技術(shù)密切相關(guān)的《單片機(jī)技術(shù)》課程來說，課程資源只有教科書和實(shí)驗(yàn)箱。傳統(tǒng)的教學(xué)方式一般是先開設(shè)理論課，然后再開設(shè)單片機(jī)實(shí)驗(yàn)課，在固定功能和器件毫無擴(kuò)展性的實(shí)驗(yàn)箱上進(jìn)行一些驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)，都是為了做實(shí)驗(yàn)而做實(shí)驗(yàn)。因此傳統(tǒng)的教學(xué)方式最大的弊端是無法調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，磨滅了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，直接導(dǎo)致學(xué)生無法充分理解和吸收教師講授內(nèi)容，甚至直接漠視[8]。對(duì)于初學(xué)者來說，因?yàn)閱纹瑱C(jī)機(jī)器人學(xué)習(xí)的過程中需要相當(dāng)復(fù)雜的操作，如果只使用傳統(tǒng)的課程資源，把理論課和實(shí)驗(yàn)課分開進(jìn)行，學(xué)生只能暫時(shí)被動(dòng)的接受課本的知識(shí)，無法一次性記住，也就無法將所學(xué)的理論知識(shí)運(yùn)用到實(shí)驗(yàn)課上，導(dǎo)致所學(xué)的知識(shí)無法被理解消化。

1.2 現(xiàn)有課程資源的不足

伴隨著互聯(lián)網(wǎng)對(duì)各行業(yè)滲透力的不斷增加，課程資源的開發(fā)方法也越來越多。從課件的設(shè)計(jì)方法來看，早期的課件是與教材相互配套多張透明膠片，教師可以用鋼筆在膠片上書寫教學(xué)的知識(shí)點(diǎn)，然后通過膠片投影儀投影出來。進(jìn)入互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代后，課件的制作可以利用Power Point在電腦上完成，近幾年又出現(xiàn)了微課、慕課、翻轉(zhuǎn)課堂等新鮮的教學(xué)方式，但是微課、慕課、翻轉(zhuǎn)課堂的課件制作相當(dāng)復(fù)雜，需要付費(fèi)購買多種制作軟件，先制作出各種零散的素材，然后再利用素材進(jìn)行課件設(shè)計(jì)，需要花費(fèi)大量的時(shí)間學(xué)習(xí)、制作。

1.3 教學(xué)資源匱乏

機(jī)器人教育教學(xué)的開展需要有教學(xué)資源的支持，從硬件資源上看，由于機(jī)器人教育剛剛興起，國內(nèi)很少有專門用于機(jī)器人教學(xué)的產(chǎn)品，只能引進(jìn)一些國外的產(chǎn)品，例如丹麥樂高集團(tuán)的產(chǎn)品，但樂高的產(chǎn)品非常昂貴，導(dǎo)致機(jī)器人教育無法得到普及。從軟件資源上看，現(xiàn)在的教育機(jī)器人設(shè)備只配有專用的學(xué)習(xí)軟件。由于機(jī)器人課程是一門新興的學(xué)科，機(jī)器人的教學(xué)資源還比較欠缺，即使是機(jī)器人教材配套的資源也只有簡單的產(chǎn)品介紹或使用說明，無法作為課程資源。

綜上所述，機(jī)器人技術(shù)涉及很多學(xué)科的知識(shí)，可以綜合地培養(yǎng)學(xué)生的信息素養(yǎng)、技術(shù)素養(yǎng)和創(chuàng)新能力素養(yǎng)[9]。傳統(tǒng)學(xué)科的課程資源與教學(xué)方式已不能適用在機(jī)器人課程上，改進(jìn)傳統(tǒng)的教學(xué)方式，開發(fā)能夠適應(yīng)現(xiàn)代化教學(xué)的機(jī)器人課程資源，有利于促進(jìn)機(jī)器人課程的正常開展。

2 機(jī)器人課程資源開發(fā)原則

2.1 與傳統(tǒng)學(xué)科相結(jié)合

機(jī)器人課程涉及很多傳統(tǒng)的學(xué)科知識(shí)，例如單片機(jī)編程、電子電路、傳感器技術(shù)等都與機(jī)器人技術(shù)緊密相關(guān)。雖然這些學(xué)科在很多的理工科專業(yè)都有開設(shè)，但在傳統(tǒng)的教學(xué)中這些學(xué)科都是相互獨(dú)立的。根據(jù)機(jī)器人課程與傳統(tǒng)學(xué)科相結(jié)合的課程資源開發(fā)原則，將教學(xué)機(jī)器人作為傳統(tǒng)學(xué)科的實(shí)訓(xùn)設(shè)備，把各個(gè)學(xué)科的內(nèi)容相互聯(lián)系起來，讓每個(gè)學(xué)科的知識(shí)在教育機(jī)器人上盡其所用，這樣即能讓機(jī)器人教育得到普及和發(fā)展，又能對(duì)傳統(tǒng)的學(xué)科知識(shí)進(jìn)行鞏固并加以運(yùn)用，還可以提高學(xué)生學(xué)習(xí)探索的興趣。

2.2 教學(xué)內(nèi)容項(xiàng)目化

針對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)方式保守、落后的弊端，提出將機(jī)器人教育課程的知識(shí)制定成相對(duì)獨(dú)立的小項(xiàng)目來進(jìn)行教學(xué)。從教師授課的角度來看，教師以教授學(xué)生完成項(xiàng)目實(shí)踐為目標(biāo)，教授完一個(gè)項(xiàng)目要點(diǎn)后指導(dǎo)學(xué)生使用教育機(jī)器人硬件資源進(jìn)行項(xiàng)目實(shí)踐，完成教學(xué)任務(wù)。從學(xué)生學(xué)習(xí)的角度來看，學(xué)生以完成當(dāng)次課的實(shí)踐項(xiàng)目為學(xué)習(xí)的目標(biāo)，教師每講完一個(gè)項(xiàng)目的知識(shí)后，就使用教育機(jī)器人設(shè)備進(jìn)行項(xiàng)目實(shí)踐訓(xùn)練，完成基本項(xiàng)目后學(xué)生還可以根據(jù)自己的想法進(jìn)行拓展，很好地培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新思維。此項(xiàng)目式教學(xué)，不僅教師授課的思路很清晰，而且學(xué)生學(xué)習(xí)的目的也很明確，避免教師為了講課而講課、學(xué)生學(xué)習(xí)漫無目的、無事可干的問題，大大增強(qiáng)了課堂的趣味性。

2.3 開發(fā)在線教學(xué)資源

由于傳統(tǒng)課堂中理論學(xué)習(xí)與動(dòng)手實(shí)踐訓(xùn)練分離，甚至只有理論學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)，沒有實(shí)踐訓(xùn)練內(nèi)容，學(xué)生只能被動(dòng)的接受教師教授的課本知識(shí)，導(dǎo)致學(xué)生抵不住手機(jī)的誘惑在課堂上玩手機(jī)。所以最有效的辦法就是讓手機(jī)、平板電腦等智能設(shè)備變成學(xué)習(xí)的工具，讓學(xué)生在“玩手機(jī)”中也可以學(xué)習(xí)，避免手機(jī)使用問題影響教學(xué)。

3 課程內(nèi)容設(shè)計(jì)

本課程采用C語言作為單片機(jī)機(jī)器人的編程語言，在教學(xué)機(jī)器人上迅速深入學(xué)習(xí)C語言的各種靈活功能，很好地將C語言的理論知識(shí)運(yùn)用到實(shí)際項(xiàng)目開發(fā)中。針對(duì)機(jī)器人課程、單片機(jī)編程及自動(dòng)化控制的初學(xué)者，從機(jī)器人的組裝開始，根據(jù)C51單片機(jī)機(jī)器人課程實(shí)踐項(xiàng)目的知識(shí)需求，將課程內(nèi)容劃分成多個(gè)單獨(dú)的項(xiàng)目，符合項(xiàng)目化教學(xué)內(nèi)容的課程資源開發(fā)原則。

為了把手機(jī)、平板電腦等智能設(shè)備變成學(xué)習(xí)的工具，本課程課件添加了對(duì)智能設(shè)備的支持。教師可以提前將課件推送到學(xué)生手機(jī)或平板電腦的微信，允許學(xué)生隨時(shí)使用智能設(shè)備學(xué)習(xí)，學(xué)生的預(yù)習(xí)情況教師也能隨時(shí)查看到。課件中還針對(duì)不同的知識(shí)點(diǎn)設(shè)有相應(yīng)的交互測試題，學(xué)生可以在課件學(xué)習(xí)過程中向教師反應(yīng)自己學(xué)習(xí)的情況。上課時(shí)教師還可以查看學(xué)生的到課情況，課后作業(yè)也可以通過微信進(jìn)行提交。這些特性讓課件具有時(shí)下流行的“微課”、翻轉(zhuǎn)課堂交互性的特點(diǎn)，讓教師與學(xué)生在教學(xué)過程中能夠更直接地交流，幫助教師了解學(xué)生學(xué)習(xí)的情況。

機(jī)器人課程具體的教學(xué)項(xiàng)目如表1所示。

表1 機(jī)器人課程具體實(shí)踐項(xiàng)目安排表

4 總結(jié)

本文提出了基于C51單片機(jī)的機(jī)器人課程資源的思路，通過一系列具體的項(xiàng)目實(shí)踐帶領(lǐng)學(xué)生學(xué)習(xí)，特別適合零基礎(chǔ)學(xué)生快速地學(xué)習(xí)機(jī)器人技術(shù)，也為其它課程的資源開發(fā)提供了新的思路。雖然課程資源的開發(fā)也使用了一些多功能的開發(fā)工具，大大提高了課程資源的靈活性、趣味性與互動(dòng)性，不僅方便教師教學(xué)，也方便學(xué)習(xí)者在各個(gè)階段的學(xué)習(xí)，但是仍存在不足之處，例如在智能設(shè)備上雨課堂無法播放課件中插入的視頻，課程的內(nèi)容、資源不夠全面，無法代替其他學(xué)科的學(xué)習(xí)。因此開發(fā)并引進(jìn)合適的豐富的課程資源，使用現(xiàn)代化的教學(xué)方式才能最大化地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，讓機(jī)器人課程教學(xué)為創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)發(fā)揮更大的促進(jìn)作用。