基于项目驱动的机器人专业实验课程教学探索

段振霞 李 厦 杨 鸣

（上海理工大学机械工程学院 上海 200093）

随着近年来5G技术及人工智能技术的发展，企业对学生的多学科交叉综合应用能力提出了更高的要求，国家为了给人工智能发展提供更多的优秀人才储备，2016年开始批准了一批机器人相关的本科新专业。机器人专业作为一个多学科交叉的专业，学生不仅需要掌握扎实的工科知识，同时需要具有较强的编程控制能力。Python作为目前比较流行的编程语言之一，其应用场合越来越广。然而，很多学生通过Python理论课学习只能在计算机上编程做些运算分析，没有机会亲自实践编程来控制硬件，无法真正培养学生的解决工程实际问题的能力。针对这一情况，我们探索开设基于Python与树莓派的测温系统设计实验课程。传统的实验课程一般采用老师讲解实验中的理论知识，然后编写实验指导书，写出实验步骤，让同学们跟着老师的节奏完成实验，主要是验证性为主，很难挖掘出学生的创新能力。在实验的过程中学生的积极性不高，会觉得实验枯燥乏味。如何根据机器人专业的课程特点，探索出一种行之有效的教学模式，实现对学生动手能力、创新能力以及学生主观能动性的培养，是一件紧迫的事情。基于机器人专业实验应用性强和实践性强的特点，采用项目驱动式教学是一种不错的尝试。

1 项目驱动式教学模式

项目驱动式教学法要求在教学过程中，设计一个具体的项目，将教学内容巧妙的隐含在项目中，以项目为线索，以学生为主体，引导学生自己发现问题、提出问题、解决问题。引导学生从“被动学习”到“主动学习”。在完成项目的过程中，需要同学查阅各类资料才能完成任务，从而锻炼学生查阅资料的能力。对项目提出最终要求，不对实现过程做过多干预，由学生自己制定实现方案，充分挖掘学生的创新能力。

近年来很多教育工作者开始关注和尝试采用项目式教学方法教学，但相关的研究较少，由于理论体系尚不完善，教师的能力素质也不尽相同，从而导致教学效果参差不齐。故对项目式驱动教学模式进行研究，如何结合具体课程特点应用于教学实践中，是非常必要的。

2 基于Python与树莓派的测温控制系统项目驱动式教学的实施

基于Python与树莓派的测温系统项目，主要针对机器人专业已学过Python编程语言及相关传感器类课程的大三学生开设的一门实践课。同学采用Python作为编程语言，树莓派作为硬件平台，添加测温模块实现测温功能，同时为测温系统加入视觉模块、超声波测距模块和语音模块，最终完成一款可以测量体温、语音播报、人脸图片保存的测温系统。

2.1 教学项目设计

设计好教学项目是项目驱动式教学成功实施的先决条件。教学项目的设计应以教学内容为依据，应体现课程核心知识点，因此要合理选择项目内容，把握好项目内容的难易程度，以使学生能系统地掌握知识。

在机器人专业实验课程教学项目中，设计了基Python与树莓派的测温系统教学项目。项目中用的硬件设备会分发给每组同学，此项目主要包括以下内容：

（1）查阅树莓派4B开发入门手册，学习树莓派的操作系统烧录方法，Linux系统是树莓派的官方系统，安装好系统后学习树莓派的基本操作方法。

（2）为树莓派配置远程桌面连接，采用SSH协议，通过下载Putty工具及VNC工具实现远程桌面的连接。

（3）查阅资料学习如何成功的安装 OpenCV、Pandas、NumPy等各类Python库，这几类库安装的过程较长且很容易报错，需要同学们自己分析可能的原因，以及采取必要的措施保证安装成功。

（4）为树莓派添加测温模块，测温模块采用串口通信方式，对于没有工程经验的同学来说，这里需要花费大量的时间查阅资料学习串口通信的知识。

（5）为树莓派添加视觉模块，此项目采用微雪树莓派专用摄像头，此摄像头采用CSI通信方式，同学们需要自己完成摄像头的安装工作，同时需要学习OpenCV的使用方法，通过在树莓派上编程调用摄像头，这里需要根据显示的屏幕大小调整显示大小。

（6）为树莓派添加人体感应模块和语音播报模块，当有人靠近时，检测到物体移动到设定距离时则发出高电平信号，语音播报模块则会提醒测量体温。这里需要学习树莓派的GPIO引脚的使用方法。

（7）完成整体的结构设计，同学需要通过三维软件画出结构图，然后预约到实验室里通过3D打印机打印出框架及外壳，最终形成一个完整的产品。这里的结构不做过多约束，学生可自由发挥，培养学生的创新思维。

2.2 教学过程实施

教学过程实施主要以项目为线索，教师为主导学生为主体，通过课堂上的讲解与互动、学生之间的讨论、课外小组成员之间的协作等手段来推动项目的实施。

首先，召集所有同学到实验室，给同学们演示项目最终实现的功能，让同学们对自己要做的项目有个了解，知道最终要实现哪些功能，引起同学们的兴趣，同时做到心中有数。

然后，对整个项目进行分解，分解成多个具体的小任务，每个功能模块作为一个小任务，并逐一讲解每个任务的重点、难点以及每个任务完成的时间节点。

接着，对同学进行分组，2-3个同学一组，每个组推选一个组长作为项目负责人，负责管理整个项目的进度，督促项目组成员按时完成任务。

最后，项目完成的组可以预约老师进行项目答辩，项目组长负责汇报整个项目的设计思路，方案选择，实施过程，实施过程中遇到的问题以及解决问题的思路，以及自己具体做的那部分内容的详细讲解。每个项目组成员汇报自己具体负责模块的实施过程，详细讲解自己的程序框架和具体代码。

2.3 教学评价方式构建

本实验课程采用项目驱动式教学方法，学生主要通过与老师沟通、学生之间讨论、自主学习等方式完成整个项目。所以评价方式就不能采用传统的评价方式。这里对学生的评价主要是通过以下几点来实施：

（1）每周老师与每个小组开一次项目讨论交流会议，会听取每个同学的汇报，根据汇报情况对每个组内成员进行评价，这个评价作为平时成绩，所有会议的评价成绩相加取平均值就是学生的最终平时成绩，平时成绩占总成绩的30%。

（2）项目完成需要每个小组进行项目答辩，根据每位同学的答辩情况，结合小组项目作品的功能完成度、稳定性、测温模块响应时间、结构设计合理性及外壳美观性等几个方面进行综合评价，此部分的成绩为答辩成绩，占总成绩的40%。

（3）组内成员之间互评，根据项目合作过程中的表现给其他成员给出评分，并给出评价依据，避免同学之间胡乱给分，此部分成绩为同学互评成绩，此部分主要是想通过学生视角来考察同学的项目贡献度与参与度，由于此部分有可能会存在一定的非客观性，所以此部分成绩占比较少，占总成绩的10%。

（4）每个同学最后都需要上交一份项目报告，详细阐述项目整体的设计思路，着重介绍自己完成部分的实施过程及问题解决思路，自己编写代码的整体框架及对每条语句做出解释，使同学们真正掌握项目的内容，此部分为报告成绩，占总成绩的20%。

本实验采用多维度的评价标准，尽可能使得评价结果能够真实反映学生的水平，使得评价结果公平公正，让学生真正学到知识的同时，也让同学们感受到享受回报的喜悦，增加同学们的成就感与自我认同感。

3 实验效果分析

项目驱动式教学模式，能够让同学有机会体验一个完整的项目流程。通过完成项目的过程中加深对理论知识的理解，更好的实线理论联系实际。在整个过程中需要同学自己搭建测试系统，可以很好的培养学生的动手能力和创新思维的能力。同时对提高同学们的主动学习的积极性也有很大的促进作用，让同学们完成从“学生”角色到“开发人员”角色的转变，激发了大家学习的热情和主动性。对教师来说，项目驱动式教学模式改变了传统的教学理念，不再采用以课堂讲解理论知识，同学被动接受为主的教学理念，而是采用项目式教学方法，让同学们通过学习可以解决实际问题作为新的教学理念。

4 结语

针对目前传统实验模式中普遍存在的问题，结合机器人专业的特点，探索开设基于Python与树莓派的测温系统项目驱动式教学。通过本实验项目的学习，可以培养学生综合应用所学知识的能力、分析和解决实际工程问题的能力，在规定时间内完成所有项目，同时也可以锻炼学生的抗压能力，增加学生兴趣度和积极主动性，实现从被动学习到主动学习的转变。更好的理论联系实际，提高了教学质量，培养学生的创新精神。

这种教学模式的实施，对实验老师提出了更高的要求，也增加了很多的工作量，但是对学生的快速成长是非常有利的，所以还是非常有必要去尝试与探索。