機器人項目教學路徑及其成果研究

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以機器人競賽、創新實踐為導向的項目教學法研究，就是要將項目教學法應用到機器人的創新實踐中，把各項理論知識和實踐技能有機地結合，將機器人的項目分解成多個明確的目標任務，讓學生在規定的時間里獨立完成相應的任務，其目的在于充分發掘學生的創造潛能，提高學生解決實際問題的綜合能力。通過實踐探索出一種能提高學生創新和實踐能力，全方位調動學生學習的積極性的機器人教學模式。在實施“機器人競賽、創新實踐為導向的項目教學法”時，重視機器人項目的選擇、機器人具體成果展示、教師的評估與總結、充分利用創新實驗室的現有資源并使之與現代化教學相結合，這是搞好“項目教學法”的關鍵。

機器人競賽

機器人競賽是一項很好的科技創新活動，形式繁多，內容豐富。設計方案的開放性，也為學生的創新奠定了基礎。參賽者可以用不同的方法實現同一個項目，通過比賽，激發其對機器人的學習興趣，引導他們積極探索機器人新科技，為其自主創新能力的培養提供良好的平臺。中國機器人大賽暨RoboCup公開賽：1999年，在RoboCup國際委員的支持和授權下，首屆中國機器人大賽暨RoboCup公開賽在中國重慶舉辦，目前是中國機器人最具影響力的賽事，比賽共設立12類65項賽事。機器人競賽種類多、規模大、水平高，為大學生進行創新實踐活動提供了很好的平臺。“未來伙伴”杯中國智能機器人大賽（暨國際機器人滅火比賽中國賽區選拔賽），是中國人工智能機器人專業委員會等多個單位主辦的一項全國性賽事。大賽包含機器人救火大賽、機器人足球比賽、機器人創新大賽、機器人搜救大賽、機器人擂臺賽和機器人舞蹈戲劇大賽等6個主題項目。其中機器人救火大賽是國際賽制機器人滅火比賽（暨國際機器人滅火比賽中國賽區選拔賽）。“飛思卡爾”杯全國大學生智能汽車競賽，由教育部委托高等學校自動化專業教學指導分委員會主辦。競賽分競速賽與創意賽兩類比賽。自2006年首次舉辦以來，“飛思卡爾”杯全國大學生智能汽車競賽已經成功舉辦了6屆。

機器人實踐教學的具體實施

機器人競賽、創新實踐是一項很好的科技創新活動，機器人的趣味性易于激發學生學習和研究的興趣，同時將創新實踐、競賽引入教學過程，使學生變被動學習為主動學習和研究。“機器人項目教學法”的一般教學結構如圖1所示：“項目教學法”最顯著的特點是“以項目為主線、教師為引導、學生為主體”，改變了以往“教師講，學生聽”被動的教學模式，創造了學生主動參與、自主協作、探索創新的新型教學模式。本文以參加2012年中國機器人大賽暨RoboCup公開賽的醫療與服務機器人組的項目為例，在比賽初期確定人員，將不同專業和不同年級的學生組成一個競賽小組，研究競賽規則、制定項目方案、機器人結構設計、電路設計、程序調試，學生分工合作，過程中集思廣益、取長補短、團結協作。這種在探索中學習的過程是其他教學環節無法實現的，對于培養學生的實踐創新能力非常重要。本文以一種醫療與服務機器人設計為導向的項目教學法，按照以下六個教學步驟進行：

1.項目的申請

本學院主要參加了醫療服務機器人、機器人游中國、擂臺等機器人項目，學生可以針對感興趣的比賽項目，或者根據江蘇省高等學校大學生實踐創新訓練計劃，申報項目，填寫申請書。教師針對學生申報的項目，分析學生的實際情況，建議選擇項目規模和難度適中的項目。中國已經進入了老齡化社會，而且在今后幾年內老齡人口數量將會呈上升趨勢，老齡化將更加嚴重。老齡化使社會的勞動力減少，一些老年人不僅不能參加勞動，而且有的甚至失去了自理能力，需要人照顧，這就增加了他們的子女以及社會的負擔。年輕人為了工作日益繁忙，在目前服務行業工作者稀缺的背景下，在醫院時不時會有行動不便的病人需要護士和家人的攙扶。而在沒有人幫助的情況下，行動不便的病人寸步難行，稍有不慎就有可能摔倒受傷。所以筆者建議學生選擇參加醫療與服務機器人創新設計與制作賽項，設計一種醫療服務機器人更好的服務病人。

2.項目團隊的建立

建立學生團隊，營造互相競爭、互相幫助的學習氛圍，學生在做項目過程中攜手合作，彌補相互間的不足，遇到問題大家一起討論解決，這讓學生體會到團隊的重要性，做到共同進步。同時，團隊的學生分工明確，每人負責項目的某一部分，使學生真正參與到項目中，整個項目的完成，離不開每一個學生，學生為使項目不會因為自己負責的部分沒有完成而主動學習，主動查資料，可以培養和提高學生的自主學習能力。學生團隊的建立，應考慮學生的專業，年紀，特長等因素。教師確定一名隊長，根據項目的特點，隊長可以自己招學生，實現學生管理學生。參加醫療與服務機器人創新設計與制作賽項，筆者選擇了5名學生，隊長由09級的一名學生擔任，該生組織能力比較強，專業能力也比較脫出，由他負責整個項目的進展，匯報工作。其他學生分別是1名2009級的，2名2010級的，1名2011級的，專業分別是自動化、測控、電氣。

3.項目任務、計劃的制定

團隊負責人制定機器人項目工作計劃，確定工作步驟。機器人是集機械、電子、控制、計算機、傳感器、人工智能等多學科先進技術于一體的智能儀器。本次設計的醫療服務機器人由小組討論決定，醫療服務機器人外形像輪椅，病人能夠獨自駕駛去化驗室拿取報告，去門診找醫生復診，降低護士工作量及病人家屬的負擔。為使醫療服務機器人更好的服務病人，該團隊為機器人設置了兩種模式：座椅模式和病床模式，免去了病人就診、休息時需要被移動到病床上的麻煩。機器人將現場鍵盤控制和遠程控制相結合，實現護士對病人的遠程監護，機器人在前進過程中，檢測到前方有障礙物時就會立刻停下，減少不必要的事故。同時機器人配備了機械手，可以幫助病人取物品，最大程度幫助病人。根據團隊中學生的專業、特長等分配任務，負責機器人機械結構設計的學生需要畫圖紙、電焊等來完成機器人結構的設計、機械手的設計；電路設計的學生制作包括單片機電路、電源穩壓電路、電機驅動電路、紅外避障電路、鍵盤輸入電路；測控專業的學生負責電路的測試、場地的制作等工作；程序編寫的學生，完成程序的設計、調試；控制界面的設計由另外一個學生負責，主要是VB編寫上位機、WIFI攝像頭的調試、藍牙通信的調試。根據機器人項目的特點，學生在制作過程中可適當地作一些調整。根據項目完成的時間確定工作步驟，進行時間分配。最終得到教師的認可才能執行。

4.項目制作

學生自己確定各自在小組中的分工，然后按照已確立的工作步驟和程序工作。基于機器人項目的作品成果形式多種多樣，可以是調查報告、實物模型、演講稿、論文等。通過展示作品成果，可反映學生在項目完成過程中所掌握的技能。本次設計的醫療服務機器人成果包括機器人模型一個、機器人設計與使用說明書一份、演講稿一份。在本項目比賽結束后，指導學生按照他們設計的醫療服務機器人撰寫論文、申請專利。

5.項目檢查評估

整個項目檢查評估采用答辯的形式向教師匯報，首先由隊長對整個項目進行匯報總結，再由隊員對自己負責的工作進行匯報和自我評估，并且對設計的醫療服務機器人進行展示，教師根據團隊成員的表現、研究成果表述和作品的展示進行檢查，為到現場比賽作準備。針對項目中出現的問題，師生共同討論，教師引導學生獨立思考問題，解決問題。學生通過對比師生評價結果，找出造成結果差異的原因

6.項目資料歸檔或應用

為使學生養成良好的習慣，項目結束后，教師監督學生將項目工作資料整理歸檔，材料包括項目申報書、進度表、機器人機械結構圖、程序設計流程、機器人控制程序、項目結項書、項目報告講義等。

機器人項目教學的成果

機器人創新實踐是一個綜合性、高難度的科技制作過程，有利于提高學生的動手能力和創新能力。在教師指導下，學生通過自己查閱資料、提出有創意的設計方案，選擇合適的元件，設計、焊接電路，編程、測試程序等，充分調動了學生的積極性，發揮學生的創造力，使學生在實踐中進一步提高自己的綜合能力。有助于將學生的興趣應用到教師的科研中，使學生們熱愛科技，投身科技，在學校形成良好的科技學術氣氛。本校參加機器人競賽源于2010年，當時參賽的賽事為“飛思卡爾”杯全國大學生智能汽車競賽、中國機器人大賽暨RoboCup公開賽、江蘇省機器人大賽、“未來伙伴”杯機器人競賽，并因此開設了機器人技術、機器人創新實踐與競賽等公共選修課；制定了《大學生創新實驗室項目負責制實施辦法》，針對項目采取一系列措施，保證學生能在項目的過程中鍛煉自己的能力，同時能保證創新實驗室項目的創新性。實踐教學效果顯著，本校代表隊在2012年第七屆“飛思卡爾”杯華東賽區比賽中，獲得攝像頭組第一名，晉級參加全國決賽的隊伍，獲得全國攝像頭組特等獎。2012年中國機器人大賽暨RoboCup公開賽獲得3項季軍，2010年“未來伙伴杯”獲得滅火比賽冠軍，受邀參加在美國舉辦的國際機器人滅火比賽。

結論

實踐教學的目標是培養學生通過實踐發現、分析和解決問題的能力，培養創新精神和初步的科學研究能力。機器人創新實踐活動以其高度的實踐性被越來越多的高校引入實踐教學。本校自動化學院機器人實踐教學的具體實施，促進了學院各學科綜合發展，提高了教師的理論、實踐教學水平和科研水平，使學生對機器人相關課程融會貫通，提高了學生自主學習、創新和團隊合作等綜合能力，推動了學院實踐教學體系的發展和完善。（本文作者：毛麗民、劉叔軍、李鑫、戴梅 單位：常熟理工學院電氣與自動化工程學院）