基于Arduino與樹莓派的創(chuàng)客機器人教學體系研究

摘 要：機器人產業(yè)的蓬勃發(fā)展帶來了巨大的人才缺口。為滿足這一需求，高校急需培養(yǎng)機器人方面的人才，而創(chuàng)客機器人的系統(tǒng)化教學成為重要手段。應用型本科院校對此進行了探索與實踐，構建了“一個理念、兩大平臺、三塊內容、四個階段、五種結合、六類能力”的創(chuàng)客機器人教學體系。該體系以成果導向教育（OBE）理念為指引，以Arduino與樹莓派為實驗平臺，針對機械結構、控制電路、程序設計三塊教學內容，按照“四個階段”循序漸進開展教學；同時，采用“五種結合”的教學方式，實現(xiàn)學生“六類能力”的培養(yǎng)。這一教學體系的探索與實踐，為培養(yǎng)工程實踐能力突出、創(chuàng)新能力強的高素質機器人工程人才奠定了良好基礎。以Arduino與樹莓派為基礎的創(chuàng)客機器人教學體系，作為系統(tǒng)化的實施方案，在人才培養(yǎng)方面效果顯著。

關鍵詞：創(chuàng)客機器人；OBE理念；Arduino；樹莓派；實驗平臺；教學體系

中圖分類號：TP242.6 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2025）07-0-05

0 引 言

中國信息通信研究院的研究表明，我國正處于經濟結構轉型升級與新一輪科技革命和產業(yè)變革取得突破的交匯期。若要在對全球進程有重大影響的技術和產業(yè)領域中占據制高點，大力發(fā)展數(shù)字經濟是重要的窗口機遇。機器人產業(yè)作為數(shù)字經濟的基礎和核心，其發(fā)展受到各個國家的高度重視。

20世紀70年代，我國開始對機器人理論進行探討，這一時期是國內機器人發(fā)展的萌芽期。1986年，國家“863計劃”聚焦高新技術，將機器人技術列為重要發(fā)展主題。此后，東南大學、哈爾濱工業(yè)大學、清華大學、中國科學院、上海交通大學、北京航空航天大學等高校和科研院所，以研究方向或課程設置等多種形式，先后開展機器人研究工作，并進行本碩博等不同層次的人才培養(yǎng)。2016年，教育部基于科技革命和產業(yè)變革下國家建設的需求，批準設立機器人工程專業(yè)并重點扶持。隨著“中國制造2025”“互聯(lián)網＋”等國家重大戰(zhàn)略的實施，教育部積極推進“新工科”建設，全力探索工程教育強國之路。機器人作為“新工科”中最具代表性的前沿交叉學科之一，其產業(yè)和教育迎來了空前的發(fā)展機遇。據全國高校人工智能與大數(shù)據創(chuàng)新聯(lián)盟統(tǒng)計，截至2023年4月，全國共有342所高校的機器人工程專業(yè)獲得教育部審批，機器人本科教育雖然起步較晚，但發(fā)展迅猛。

從國家重點發(fā)展的機器人產業(yè)來說，當下存在著巨大的人才缺口[1]。教育部、人力資源和社會保障部、工業(yè)和信息化部聯(lián)合印發(fā)的《制造業(yè)人才發(fā)展規(guī)劃指南》表明，到2025年，我國高檔數(shù)控機床和機器人領域的人才缺口將達450萬人。機器人產業(yè)對理論研究人才、產業(yè)開發(fā)人才、生產制造人才、維護服務人才等有著大量需求，有機構預測，每年機器人本科人才的產業(yè)需求量約為3萬人。就機器人類別而言，工業(yè)機器人（像焊接機器人、搬運機器人、裝配機器人和噴涂機器人等）和服務機器人（如家庭服務機器人和專用服務機器人等）種類繁多[2]；從機器人產業(yè)鏈來看，上游的機器人研發(fā)、中游的機器人系統(tǒng)集成與制造、下游的機器人應用等不同產業(yè)環(huán)節(jié)所需要的技術與能力截然不同。此外，機器人工程作為多學科交叉專業(yè)，涉及機械、電氣、自動化、計算機等多個領域的專業(yè)知識。因此，機器人產業(yè)的實際發(fā)展狀況，對高校人才培養(yǎng)提出了多種不同類型的要求。

面對機器人產業(yè)的實際需求，教育工作者普遍開始重視人才培養(yǎng)方面的實驗實踐教學環(huán)節(jié)。文獻[3]在機器人實驗教學面臨硬件約束和場景限制等問題時，以項目導向為思路，針對工業(yè)機器人課程開展了虛擬仿真實驗教學設計研究。文獻[4]結合教學實施狀況，從產教融合的角度構建了機器人工程專業(yè)的實踐教學體系。文獻[5]以機器人工程專業(yè)為例，探討了科教—校企—校際深度融合的“大實踐平臺”。除此之外，在機器人具體課程教學[6]、教學模式[7]、教學方法[8]以及教學平臺建設[9]等方面，學者們也進行了一系列研究，針對機器人教學展開了不同主題的探索和實踐。

在機器人教學中，注重多學科交叉以及實驗實踐動手能力已成為共識。國內各高校基于自身實際情況，人才培養(yǎng)目標定位存在明顯差異，這使得在機器人課程的教學理念與方法、教學內容與結構、教學程序與評價等方面呈現(xiàn)出多樣化態(tài)勢。其中，應用型本科的機器人課程教學發(fā)展歷程較短，創(chuàng)客機器人教學的系統(tǒng)性探討尚處于起步階段。憑借多年的創(chuàng)客機器人教學經驗，以Arduino與樹莓派為基礎的創(chuàng)客機器人教學體系作為系統(tǒng)性實施方案，已通過機器人競賽的檢驗，所培養(yǎng)的學生也廣受機器人相關用人單位的好評。進一步探討和完善這一教學體系，有助于提升創(chuàng)新型機器人人才的培養(yǎng)質量，從而更好地服務于機器人產業(yè)發(fā)展。

1 創(chuàng)客機器人教學理念

世界上沒有放之四海而皆準的最優(yōu)教學理念和教學方法，正所謂“教學有法、教無定法、貴在得法”。教學內容和教學對象的差異，決定了教學工作開展需要因地制宜，有的放矢。較早開設的機器人課程教學往往以教師傳授知識為主，注重理論分析與公式推導。這樣的教學方式，有助于幫助將來從事高端研發(fā)的重點院校學生打下堅實基礎，卻不利于培養(yǎng)應用型高校學生的實踐動手能力、自主探索和創(chuàng)新能力。產生于美國的OBE（Outcomes-Based Education）教育理念雖然起源于基礎教育改革，但也契合了應用型本科高校的創(chuàng)客機器人教學需求。

OBE即基于學習產出的教育模式，也被稱為成果導向教育或目標導向教育，其強調以成果為目標導向，以學生為本，運用逆向思維進行課程體系建設。在OBE教育體系中，教育工作者會根據所教育對象的不同能力，設計相適應的教學結構，采取相應的教學策略，以學生的成果產出驅動教學系統(tǒng)運行。創(chuàng)客機器人教學以機械、電子、計算機等系列學科的相關課程為基礎，各個學習階段都有明確的成果導向，而且結果與過程緊密相連，所以適合OBE教學理念實施的情景條件。

2 創(chuàng)客機器人開發(fā)平臺與教學內容

實驗教學平臺建設對讓學生掌握創(chuàng)客機器人所需的理論知識和實踐技能至關重要，是實現(xiàn)教學目標的前提條件。考慮到應用型本科高校的人才培養(yǎng)目標、教學內容以及教學成本等因素，創(chuàng)客機器人教學采用Arduino與樹莓派實驗平臺相結合的方式開展。創(chuàng)客機器人教學內容主要包含三大部分：機械結構開發(fā)、控制電路開發(fā)以及程序開發(fā)。每個機器人作品的完成都需要融合這三部分才能實現(xiàn)，這些教學內容貫穿于Arduino與樹莓派實驗平臺的運用之中。其中，依托Arduino平臺的教學內容主要體現(xiàn)為Arduino基礎和應用；依托樹莓派平臺的教學內容主要體現(xiàn)為樹莓派應用與進階，如圖1所示。

2.1 Arduino平臺及其教學內容

Arduino平臺適用于創(chuàng)客機器人低階教學。它的主板與開發(fā)環(huán)境簡單易用，可作為下位機，易于實現(xiàn)對機器人的控制。在Arduino實驗教學中，重點在于讓學生掌握Arduino板的應用與編程。例如通過LED閃爍實驗，可學習Arduino數(shù)字口使用的目的；呼吸燈實驗能學習模擬口的使用；加入電位器、光敏電阻、開關等元器件，可實現(xiàn)滿足不同應用需求的LED開發(fā)；借助紅外遙控LED、藍牙遙控LED，能夠學習Arduino無線通信知識等。Arduino平臺既能接收傳感器發(fā)來的信號，又能控制外圍設備。此外，直流電機驅動實驗和舵機驅動實驗等，可進一步加深對Arduino的學習。

在上述學習的基礎上，以小車作為載體，加入各類傳感器或者通信模塊，實現(xiàn)智能車的開發(fā)，如圖2所示。學生在實現(xiàn)最終的機器人產品的過程中，能夠鞏固之前所學的基礎知識，例如Arduino板數(shù)字口與模擬口的使用、傳感器信號的讀取、無線通信傳輸?shù)戎R。在這個教學階段，學生的編程能力以及控制電路的設計與開發(fā)能力等能夠得到培養(yǎng)。

2.2 樹莓派平臺及其教學內容

樹莓派開發(fā)平臺適用于創(chuàng)客機器人高階教學。Arduino作為一個單片機驅動設備，不能進行實時圖像處理，因此引入了樹莓派。樹莓派具有一個CPU內核，處理能力更強，可作為上位機，主要負責圖像識別與語音識別等。

樹莓派實驗平臺以機械臂機器人和多足機器人為載體開展教學。通過添加攝像頭、語音識別與合成模塊，樹莓派能夠實現(xiàn)圖像識別、語音識別等功能。樹莓派會根據識別到的信息，將其發(fā)送給下位機Arduino，Arduino控制機器人做出某種動作，如此便可開發(fā)出人機交互的智能化產品，如圖3所示。

在實驗操作過程中，可依據項目任務的不同進行選擇，例如自動駕駛車、自動分揀機械臂、人機交互的雙足機器人等。安裝Linux操作系統(tǒng)的樹莓派相當于一臺電腦，在圖像識別和網絡傳輸方面有著獨特優(yōu)勢，在物聯(lián)網開發(fā)以及智能家居方面應用廣泛。

2.3 Arduino與樹莓派實驗教學的資源保障

Arduino與樹莓派開發(fā)平臺既有區(qū)別又聯(lián)系緊密。各高校可依據人才培養(yǎng)定位、學科競賽、學生科研以及畢業(yè)設計等不同需求，靈活調整依托這兩個實驗平臺的教學內容。以Arduino與樹莓派為平臺依托開展創(chuàng)客機器人教學時，要確保教學效果，就需要豐富的教學支撐。這些教學支撐包含但不限于以下教學資源：適合本校學生的實驗指導書、往屆學生或省級以上相關競賽獲獎作品、涵蓋相關知識點的微課或慕課、學生科研項目中的機器人成果、作為教學建設項目成果的試題庫或習題集等。這些教學資源需要教師花費大量時間和精力去建設、積累、維護和更新，它們是保障創(chuàng)客機器人教學效果的重要資源。

3 創(chuàng)客機器人培養(yǎng)能力與支撐體系

創(chuàng)客機器人教學通過教學過程和最終的智能產品來實現(xiàn)對學生多種能力的培養(yǎng)，如機械裝置設計與機械零件制造能力、控制電路系統(tǒng)設計能力、編程與圖像處理能力等。而這些能力的培養(yǎng)需要前期一系列課程構成支撐體系，如圖4所示。

機械結構設計與制造，即機器人設計、制造與組裝，是應用Arduino與樹莓派平臺進行教學的前置教學環(huán)節(jié)。為了節(jié)約機器人開發(fā)時間，利用可重構機械零部件組裝各類機械裝置更為便捷。例如，組裝小車時，車輪可選用普通輪、麥克納姆輪或者復合輪，可以是三輪也可以是四輪；組裝機械臂，可以根據需要選擇3～5個不同自由度；組裝足式機器人時，可以選擇雙足、四足或六足機器人等。當通用可重構的機械零部件不能滿足機器人產品設計要求時，可以采用3D打印或激光切割等方式，自主加工個性化零件。機械制造技術和特種加工技術讓學生初步掌握了機械制造的基礎知識。這樣一來，從設計、制造到裝配，一個完整的機械人本體得以實現(xiàn)，學生的機械結構設計能力和機械制造能力得以提升。

在控制電路方面，學生已學習電工電子技術、單片機與傳感器技術，這為控制電路的設計與搭建奠定了基礎。在程序控制方面，Arduino基于C/C++，當前最新的Arduino核心庫采用C與C++混合編程。Arduino語言和C語言相似度較高，其區(qū)別在于將單片機相關的一些參數(shù)設置函數(shù)化。具備C語言基礎的學生在使用Arduino語言編程時，能夠快速上手且效果良好。在樹莓派的圖像處理方面需要用到Python語言，如果學生預先修讀了Python語言和C語言，程序開發(fā)就會相對容易。

由此可見，創(chuàng)客機器人的實現(xiàn)要求具備多種能力，而這些能力的達成離不開一系列前置課程的支撐。創(chuàng)客機器人成果是多種能力綜合運用的結果，也是多學科知識融合并進行工程化的直觀體現(xiàn)。以創(chuàng)客機器人開發(fā)成果為導向，能夠為學生提供足夠的動力，促使他們學習并掌握相關課程的教學內容。

4 創(chuàng)客機器人教學過程與考核評價

創(chuàng)客機器人教學立足于實際工程項目研發(fā)，以成果驅動的形式開展。在教學中，學生通過團隊合作的方式，運用多學科知識交叉應用來實現(xiàn)項目成果，進而達成“做中學”的目的。這樣一來，教學過程的意義得以進一步凸顯，因為整個教學過程與最終的項目成果同樣重要。創(chuàng)客機器人教學以成果為導向，始于項目任務，初步結束于項目驗收，如圖5所示。

項目任務通過教師與學生雙主體的方式生成。具體而言，教師可依據工程項目、競賽項目、科研項目以及工作經驗積累設置項目命題，學生也能根據興趣創(chuàng)設題目，不過后者需要教師結合現(xiàn)實情況進行審核。在項目任務目標明確后，由教師主導開展相關知識講解和關鍵步驟演示。考慮到課時和知識復雜性等因素，為提高教學效果，針對重點難點部分內容，布置學生進行課前預習、課后復習、線上微課學習以及課堂練習，這些都成為不可或缺的教學環(huán)節(jié)。

在創(chuàng)客機器人教學中，以項目任務為導向的理論知識學習是基礎，而學生以團隊形式進行實驗操作則是核心部分。學生通過團隊協(xié)作，把理論知識與實驗實踐相融合，在操作過程中鍛煉并提升多種能力。在此期間，學生處于主導地位，教師則扮演指導性的輔助角色。在整個教學過程中，學生主觀能動性的發(fā)揮、參與程度、學習態(tài)度和學習效果，與最終項目任務的完成情況同等重要。將這些教學環(huán)節(jié)納入綜合評價體系，能夠從根本上保障創(chuàng)客機器人教學的效果。

在學生團體操作完成后，創(chuàng)客機器人教學便進入項目驗收的結果評價階段。項目驗收通過實驗報告書、項目演示以及項目答辯等形式開展系統(tǒng)性的結果評價。這一方面能加強團隊協(xié)作并加深學生對操作項目的理解，另一方面有助于不同學生團隊間的相互學習。在項目驗收之后，創(chuàng)客機器人學習對相當一部分學生來說并未完全終止，還存在進一步拓展與深化的空間。

綜上所述，創(chuàng)客機器人教學需要秉承“五個結合”的思路，即線上微課與線下預習相結合、課堂學習與課后復習相結合、理論內容與實驗操作相結合、過程評價與結果評價相結合、課程延伸與實踐深化相結合，以指定項目/自選題材、個人/團隊、線上/線下、作業(yè)/作品等不同形式，根據高校具體情況進行教學過程的系統(tǒng)安排，同時其考核也要根據現(xiàn)實情況開展多維度的綜合評價。

5 創(chuàng)客機器人教學拓展與成果深化

在創(chuàng)客機器人教學的主體工作完成后，若要使學生的自主探索和創(chuàng)新能力得到進一步升華，就需要對其進行拓展與深化。這一環(huán)節(jié)通常與其他實踐項目或者科研項目緊密融合。

創(chuàng)客機器人的拓展教學主要是實現(xiàn)項目任務的橫向遷移，其通過校外見習實習、學生科研項目和畢業(yè)設計這三種路徑達成。這些路徑拓展了創(chuàng)客機器人的應用情景，在具有一定挑戰(zhàn)性且難度適中的情況下進一步激發(fā)了學生的學習興趣，適用于大多數(shù)學生。以校外見習和實習為例，它直接為創(chuàng)客機器人的學習提供了真實的工作場景，鍛煉了學生舉一反三的能力，還對學生成果應用給予了有效激勵。

創(chuàng)客機器人的深化教學重點在于實現(xiàn)項目任務的縱向升級，主要可通過學科競賽、教師科研項目以及發(fā)明專利申請這三種路徑達成。這三種路徑對項目的原創(chuàng)性和應用知識的復雜性有更高要求，僅適用于少數(shù)學生。以省級、國家級的大學生機械創(chuàng)新設計大賽、大學生工程實踐與創(chuàng)新大賽、機器人大賽等為例，在團隊構建、項目構思、機器人產品設計、制造、組裝以及調試的過程里，學生能夠在專業(yè)素養(yǎng)方面得到全方位、更高程度的提升。

6 結 語

在數(shù)字經濟主導未來發(fā)展的前景下，機器人產業(yè)面臨著空前的發(fā)展機遇，高等教育肩負著多層次多類別機器人人才培養(yǎng)的歷史使命。對于應用型本科院校來說，創(chuàng)客機器人教學是一個相對獨立的模塊。這一教學以成果導向為理念，在系列相關專業(yè)基礎課程的支撐下，以Arduino與樹莓派為開發(fā)平臺，分階段對創(chuàng)客機器人涉及的機械結構、控制電路、程序設計等內容進行教學。它通過過程與結果并重等方式，培養(yǎng)創(chuàng)客機器人人才所需的各種能力，是一個較為完整的教學體系。此外，該教學體系富有彈性，有著充足的橫向拓展與縱向深化空間，適用于應用型本科機器人工程專業(yè)的人才培養(yǎng)。

從機器人競賽效果以及用人單位評價的角度而言，基于Arduino與樹莓派的創(chuàng)客機器人教學體系作為一種系統(tǒng)化的實施方案，在機器人創(chuàng)新人才的培養(yǎng)方面成效顯著。機器人產業(yè)的發(fā)展瞬息萬變，其對機器人教育的要求也處于動態(tài)變化之中；與此同時，以ChatGPT為代表的新技術對高等教育生態(tài)系統(tǒng)產生了沖擊[10]。因此，創(chuàng)客機器人教學體系的改進與完善永遠都在進行當中。

注：本文通訊作者為于永海。

參考文獻

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收稿日期：2024-05-21 修回日期：2024-06-25

基金項目：浙江省普通本科高校“十四五”教學改革項目“‘新工科’背景下基于OBE理念的創(chuàng)客機器人教學改革”（jg20220772）；浙江省一流本科課程機械原理（4015B2042212105）；杭師大附屬云湖小學項目化學習課程STEM智造通識啟蒙實踐探究（校合-2024KYCHX0325）

作者簡介：馬寶麗（1977—），女，博士，講師，研究方向為機器人技術與教育教學管理。

周 情（2002—），女，教師，研究方向為小學信息技術。

于永海（1977—），男，博士，副教授，研究方向為組織管理、數(shù)字經濟與教育教學管理。