项目式教学法在“机器人”课程实践中的教学改革*

葛海浪 ， 唐友亮 ， 李光宇 ， 张 锦 ， 李守军

（宿迁学院机电工程学院，江苏 宿迁 223800）

0 引言

20世纪80年代，许多西方企业就指出了大学教育存在着研究与应用脱离、过分强调理论教育而轻视实践教学，以及缺乏专业化和更新等问题[1]。后来的教育者努力寻找正确的教学模式，以期培养的学生能够满足行业的实际需求。这一过程先后经历了行为学派、认知学派和建构主义学派。建构主义学派强调教学方法应以学习者为中心，鼓励学习者的积极参与。而基于项目式学习（Project-based learning，PJBL）正属于建构主义学派的一种方法，它认为探究问题是学生有效学习的本质，通过让学生参与项目的方式来改善学习效果，开发相关技能[2]。

机器人技术融合了机械、自动化、传感器、控制、大数据、机器视觉、计算机及人工智能等多种先进技术[3]。这一技术在工业、农业、服务业、国防、军事、航空航天及医疗等众多领域有着越来越多的应用[4-5]。当前社会对掌握机器人理论尤其是有机器人实践经验的人才的需求越来越大，然而“机器人”课程的人才培养还是以传统工科的理论教学为主，使得学校培养的机器人人才无法满足企业的需求。作为地方应用型本科院校，宿迁学院开设了“机器人”实践课程，以培养学生的创新和实践能力[6]。对“机器人”实践课程进行改革，培养满足社会需求的应用型本科人才是高校教师所面临的重要课题。

1 “机器人”实践课程特点

“机器人”实践课程目前逐步成为高校机械及自动化专业的重要实践课程之一，对于培养学生的实践和创新能力具有重要意义[7]。在过去20年的传统教学方法中，我国的“机器人”实践课程教育存在重理论讲授、轻课后实践，重理论推导、轻实践创新的问题。这使得学生的理论知识学得比较多，但是对于怎么应用这些理论知识却不甚清楚，最终使得学生的创新能力和动手能力没有得到充分提高，根据目标任务系统性地分析问题、解决问题的能力也比较弱。由于机器人相关实验设备比较贵、操作复杂、后期维护保养花费高、软件更新慢等问题，导致在“机器人”实践课程的教学中，实践教学基本都是演示论证性实践，所有人的实践任务和过程都是统一的，学生没有独立思考和创新的过程，学生的实践创新能力自然无法得到有效提高[8]。因此，对“机器人”实践课程的教学改革已经迫在眉睫。

本“机器人”实践课程的教学改革采用项目式教学法，根据实验室不同的机器人相关设备，给各个课程实践小组分配不一样的任务，让学生根据任务自行开发相关的机器人设备，根据最终实现任务功能的多少对学生进行评分，对于提高学生的实践积极性、创新能力、分析解决问题能力有很大的帮助，教学改革效果显著[9]。

2 实践平台和任务确定

2.1 实践平台的介绍

Bobac智能移动机器人，是深圳元创兴科技有限公司推出的智能移动机器人，如图1所示。Bobac是一款室内服务机器人的学习和研究平台，它搭载了上下两层控制器以及服务机器人所需的所有传感器，预装了ROS机器人操作系统，提供了完整的教学课程方案，为“机器人”课程实践教学提供了一个开放、简洁、低成本、模块化的综合机器人平台。

图1 Bobac智能移动机器人

2.2 任务确定

项目式教学法需要项目任务的多样性，足够的项目任务才能从根本上实现培养学生能力的目的。对于项目任务，根据实验室现有的Bobac智能移动机器人，教师可确定一批具有创新性的题目，比如对智能移动机器人进行软件设计、硬件设计、行走算法设计、slam算法设计、特定功能实现等题目。各项目小组自由选择题目，比如可以选择“slam算法设计”作为题目，不同小组的任务尽量不要相同。水平较高的小组可以选择较难的题目，水平一般的小组可以选择相对简单的题目。

3 教学改革

3.1 项目式教学法

在开展“机器人”课程实践时，教师发布实践项目任务要求，各小组根据任务要求设计移动机器人功能实现的方案路线、模块选择、动作设计与编程，组内研讨项目任务的难点问题，共同提出解决思路。然后，每个小组成员分配明确的任务，各个任务相关，成员之间必须紧密合作，努力完成自己的任务。学生根据自己的水平和兴趣选择项目任务，用这种项目任务驱动学习，可以大大激发学生的学习兴趣。

基于实践教学和项目式教学法的教学特点，教师没有确定的评分标准来对整个班级的学生进行精确打分。具体评分时，教师根据学生的平时表现、实践综合能力、团队表现、项目难度以及机器人功能的实现程度对学生进行综合评分。

3.2 结合学科竞赛开展实践教学

当前，很多实践课程的题目都是很多年不变的，学生参加实践的热情不断降低，为了解决这一问题，可以把“机器人”课程实践教学与机器人相关的学科竞赛相结合。机器人相关的学科竞赛要求完成的任务都是不断更新也是最贴近机器人实际需求的，这可以让学生接触当下机器人发展的最前沿技术和市场上最急需解决的技术难题，学生参与“机器人”课程实践的热情高涨。教师发布机器人竞赛任务后，指导学生根据要求完成竞赛的准备工作，教师根据学生的准备情况、完成竞赛任务进度对学生进行综合评价，挑出最优秀的1~3组学生去参加机器人学科竞赛，这样一来，促进了学生创新能力的进一步提高。

4 结语

把Bobac智能移动机器人应用到“机器人”课程实践教学中，会综合用到“机械原理”“机械设计”“C语言”“电子电路”“测试技术”“单片机与接口技术”“控制工程基础”等课程知识，而且设置的实践项目任务没有标准答案，一切都是开放式的，只有类似任务是否完成、完成的质量怎么样这样的指标。学生在项目任务的驱动下，在完全开放的 环境中根据自己的兴趣选题，不断地进行自主性的探索、调试、改进、优化，遇到各种问题时，学生都会自发地去查阅各种书籍、资料以及咨询老师。在这个过程中，营造起了很好的学习和研究氛围。经过“机器人”实践课程的学习，学生的自主学习能力、创新能力、沟通能力、学习兴趣得到了很大的提高。事实证明，应用Bobac智能移动机器人对“机器人”实践课程进行的教学改革具有很好的效果，是培养学生实践创新能力的一条有效途径。