机器人项目教学路径及其成果研究

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以机器人竞赛、创新实践为导向的项目教学法研究，就是要将项目教学法应用到机器人的创新实践中，把各项理论知识和实践技能有机地结合，将机器人的项目分解成多个明确的目标任务，让学生在规定的时间里独立完成相应的任务，其目的在于充分发掘学生的创造潜能，提高学生解决实际问题的综合能力。通过实践探索出一种能提高学生创新和实践能力，全方位调动学生学习的积极性的机器人教学模式。在实施“机器人竞赛、创新实践为导向的项目教学法”时，重视机器人项目的选择、机器人具体成果展示、教师的评估与总结、充分利用创新实验室的现有资源并使之与现代化教学相结合，这是搞好“项目教学法”的关键。

机器人竞赛

机器人竞赛是一项很好的科技创新活动，形式繁多，内容丰富。设计方案的开放性，也为学生的创新奠定了基础。参赛者可以用不同的方法实现同一个项目，通过比赛，激发其对机器人的学习兴趣，引导他们积极探索机器人新科技，为其自主创新能力的培养提供良好的平台。中国机器人大赛暨RoboCup公开赛：1999年，在RoboCup国际委员的支持和授权下，首届中国机器人大赛暨RoboCup公开赛在中国重庆举办，目前是中国机器人最具影响力的赛事，比赛共设立12类65项赛事。机器人竞赛种类多、规模大、水平高，为大学生进行创新实践活动提供了很好的平台。“未来伙伴”杯中国智能机器人大赛（暨国际机器人灭火比赛中国赛区选拔赛），是中国人工智能机器人专业委员会等多个单位主办的一项全国性赛事。大赛包含机器人救火大赛、机器人足球比赛、机器人创新大赛、机器人搜救大赛、机器人擂台赛和机器人舞蹈戏剧大赛等6个主题项目。其中机器人救火大赛是国际赛制机器人灭火比赛（暨国际机器人灭火比赛中国赛区选拔赛）。“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛，由教育部委托高等学校自动化专业教学指导分委员会主办。竞赛分竞速赛与创意赛两类比赛。自2006年首次举办以来，“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛已经成功举办了6届。

机器人实践教学的具体实施

机器人竞赛、创新实践是一项很好的科技创新活动，机器人的趣味性易于激发学生学习和研究的兴趣，同时将创新实践、竞赛引入教学过程，使学生变被动学习为主动学习和研究。“机器人项目教学法”的一般教学结构如图1所示：“项目教学法”最显著的特点是“以项目为主线、教师为引导、学生为主体”，改变了以往“教师讲，学生听”被动的教学模式，创造了学生主动参与、自主协作、探索创新的新型教学模式。本文以参加2012年中国机器人大赛暨RoboCup公开赛的医疗与服务机器人组的项目为例，在比赛初期确定人员，将不同专业和不同年级的学生组成一个竞赛小组，研究竞赛规则、制定项目方案、机器人结构设计、电路设计、程序调试，学生分工合作，过程中集思广益、取长补短、团结协作。这种在探索中学习的过程是其他教学环节无法实现的，对于培养学生的实践创新能力非常重要。本文以一种医疗与服务机器人设计为导向的项目教学法，按照以下六个教学步骤进行：

1.项目的申请

本学院主要参加了医疗服务机器人、机器人游中国、擂台等机器人项目，学生可以针对感兴趣的比赛项目，或者根据江苏省高等学校大学生实践创新训练计划，申报项目，填写申请书。教师针对学生申报的项目，分析学生的实际情况，建议选择项目规模和难度适中的项目。中国已经进入了老龄化社会，而且在今后几年内老龄人口数量将会呈上升趋势，老龄化将更加严重。老龄化使社会的劳动力减少，一些老年人不仅不能参加劳动，而且有的甚至失去了自理能力，需要人照顾，这就增加了他们的子女以及社会的负担。年轻人为了工作日益繁忙，在目前服务行业工作者稀缺的背景下，在医院时不时会有行动不便的病人需要护士和家人的搀扶。而在没有人帮助的情况下，行动不便的病人寸步难行，稍有不慎就有可能摔倒受伤。所以笔者建议学生选择参加医疗与服务机器人创新设计与制作赛项，设计一种医疗服务机器人更好的服务病人。

2.项目团队的建立

建立学生团队，营造互相竞争、互相帮助的学习氛围，学生在做项目过程中携手合作，弥补相互间的不足，遇到问题大家一起讨论解决，这让学生体会到团队的重要性，做到共同进步。同时，团队的学生分工明确，每人负责项目的某一部分，使学生真正参与到项目中，整个项目的完成，离不开每一个学生，学生为使项目不会因为自己负责的部分没有完成而主动学习，主动查资料，可以培养和提高学生的自主学习能力。学生团队的建立，应考虑学生的专业，年纪，特长等因素。教师确定一名队长，根据项目的特点，队长可以自己招学生，实现学生管理学生。参加医疗与服务机器人创新设计与制作赛项，笔者选择了5名学生，队长由09级的一名学生担任，该生组织能力比较强，专业能力也比较脱出，由他负责整个项目的进展，汇报工作。其他学生分别是1名2009级的，2名2010级的，1名2011级的，专业分别是自动化、测控、电气。

3.项目任务、计划的制定

团队负责人制定机器人项目工作计划，确定工作步骤。机器人是集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多学科先进技术于一体的智能仪器。本次设计的医疗服务机器人由小组讨论决定，医疗服务机器人外形像轮椅，病人能够独自驾驶去化验室拿取报告，去门诊找医生复诊，降低护士工作量及病人家属的负担。为使医疗服务机器人更好的服务病人，该团队为机器人设置了两种模式：座椅模式和病床模式，免去了病人就诊、休息时需要被移动到病床上的麻烦。机器人将现场键盘控制和远程控制相结合，实现护士对病人的远程监护，机器人在前进过程中，检测到前方有障碍物时就会立刻停下，减少不必要的事故。同时机器人配备了机械手，可以帮助病人取物品，最大程度帮助病人。根据团队中学生的专业、特长等分配任务，负责机器人机械结构设计的学生需要画图纸、电焊等来完成机器人结构的设计、机械手的设计；电路设计的学生制作包括单片机电路、电源稳压电路、电机驱动电路、红外避障电路、键盘输入电路；测控专业的学生负责电路的测试、场地的制作等工作；程序编写的学生，完成程序的设计、调试；控制界面的设计由另外一个学生负责，主要是VB编写上位机、WIFI摄像头的调试、蓝牙通信的调试。根据机器人项目的特点，学生在制作过程中可适当地作一些调整。根据项目完成的时间确定工作步骤，进行时间分配。最终得到教师的认可才能执行。

4.项目制作

学生自己确定各自在小组中的分工，然后按照已确立的工作步骤和程序工作。基于机器人项目的作品成果形式多种多样，可以是调查报告、实物模型、演讲稿、论文等。通过展示作品成果，可反映学生在项目完成过程中所掌握的技能。本次设计的医疗服务机器人成果包括机器人模型一个、机器人设计与使用说明书一份、演讲稿一份。在本项目比赛结束后，指导学生按照他们设计的医疗服务机器人撰写论文、申请专利。

5.项目检查评估

整个项目检查评估采用答辩的形式向教师汇报，首先由队长对整个项目进行汇报总结，再由队员对自己负责的工作进行汇报和自我评估，并且对设计的医疗服务机器人进行展示，教师根据团队成员的表现、研究成果表述和作品的展示进行检查，为到现场比赛作准备。针对项目中出现的问题，师生共同讨论，教师引导学生独立思考问题，解决问题。学生通过对比师生评价结果，找出造成结果差异的原因

6.项目资料归档或应用

为使学生养成良好的习惯，项目结束后，教师监督学生将项目工作资料整理归档，材料包括项目申报书、进度表、机器人机械结构图、程序设计流程、机器人控制程序、项目结项书、项目报告讲义等。

机器人项目教学的成果

机器人创新实践是一个综合性、高难度的科技制作过程，有利于提高学生的动手能力和创新能力。在教师指导下，学生通过自己查阅资料、提出有创意的设计方案，选择合适的元件，设计、焊接电路，编程、测试程序等，充分调动了学生的积极性，发挥学生的创造力，使学生在实践中进一步提高自己的综合能力。有助于将学生的兴趣应用到教师的科研中，使学生们热爱科技，投身科技，在学校形成良好的科技学术气氛。本校参加机器人竞赛源于2010年，当时参赛的赛事为“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛、中国机器人大赛暨RoboCup公开赛、江苏省机器人大赛、“未来伙伴”杯机器人竞赛，并因此开设了机器人技术、机器人创新实践与竞赛等公共选修课；制定了《大学生创新实验室项目负责制实施办法》，针对项目采取一系列措施，保证学生能在项目的过程中锻炼自己的能力，同时能保证创新实验室项目的创新性。实践教学效果显著，本校代表队在2012年第七届“飞思卡尔”杯华东赛区比赛中，获得摄像头组第一名，晋级参加全国决赛的队伍，获得全国摄像头组特等奖。2012年中国机器人大赛暨RoboCup公开赛获得3项季军，2010年“未来伙伴杯”获得灭火比赛冠军，受邀参加在美国举办的国际机器人灭火比赛。

结论

实践教学的目标是培养学生通过实践发现、分析和解决问题的能力，培养创新精神和初步的科学研究能力。机器人创新实践活动以其高度的实践性被越来越多的高校引入实践教学。本校自动化学院机器人实践教学的具体实施，促进了学院各学科综合发展，提高了教师的理论、实践教学水平和科研水平，使学生对机器人相关课程融会贯通，提高了学生自主学习、创新和团队合作等综合能力，推动了学院实践教学体系的发展和完善。（本文作者：毛丽民、刘叔军、李鑫、戴梅 单位：常熟理工学院电气与自动化工程学院）