機器人公選課教學(xué)改革的探索與實踐

劉振東 馬建民 李雪琴

摘 要 隨著國內(nèi)高等教育事業(yè)的發(fā)展，機器人逐漸作為教具進入課堂。由于公選課程的特殊性，選課學(xué)生專業(yè)差異很大，難以統(tǒng)籌兼顧，再加上課堂所用兩種機器人編程方法相差較大，學(xué)生不宜完成思想轉(zhuǎn)變。通過拆分課程內(nèi)容，補充新型傳感器，改善教學(xué)方法，取得了良好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞 機器人 公選課 教學(xué)改革

中圖分類號：G424 文獻標(biāo)識碼：A

0 概述

隨著國內(nèi)高等教育事業(yè)的大力發(fā)展，高校對學(xué)生的教育理念、培養(yǎng)模式發(fā)生了深刻變化，創(chuàng)新精神和實踐能力的培養(yǎng)越來越受到重視，大力開展創(chuàng)新型教育、培養(yǎng)創(chuàng)新人才已成為當(dāng)前高等教育改革的重點。①

機器人技術(shù)是融合了機械、電子、傳感器、計算機軟件、通訊技術(shù)、硬件和人工智能等的先進技術(shù)，將機器人作為教具進入課堂，可以鍛煉學(xué)生將各方面技術(shù)知識融會貫通的能力；另外，程序是機器人的靈魂，硬件是軟件基礎(chǔ)，程序要根據(jù)機器人所配的傳感器、起動裝置、驅(qū)動裝置、搭建位置等諸多硬件條件來編寫，②通過編程練習(xí)，可以使學(xué)生了解機器人軟件與硬件之間的協(xié)作關(guān)系，提高學(xué)生的編程技巧。

筆者結(jié)合中國石油大學(xué)（華東）石油工業(yè)訓(xùn)練中心面向全校本科生開設(shè)的一門公選課初級機器人技術(shù)與實踐，進行了教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法等方面的改革研究與實踐探索，通過兩個學(xué)期的應(yīng)用，取得了良好的教學(xué)效果，提高了學(xué)生的綜合素質(zhì)。

1 原課程主要存在的問題

原課程中讓學(xué)生學(xué)習(xí)、使用的機器人為德普施公司的寶貝車機器人和步行機器人兩種，分別如圖1和圖2所示。由于本門課程為面向全校本科生開設(shè)的一門公選課，授課時間僅為24學(xué)時，所以存在如下幾個問題：

1.1 學(xué)生專業(yè)不同，教學(xué)難以統(tǒng)籌兼顧③

課堂上授課時采用“講+練”相結(jié)合的形式，先講解機器人控制指令的含義和用法，或者是講解機器人要完成某個功能所對應(yīng)的程序，然后布置一些挑戰(zhàn)課題，讓學(xué)生自己動手編寫程序、調(diào)試硬件，并在機器人上實現(xiàn)。

由于選課學(xué)生專業(yè)不同，知識基礎(chǔ)不一樣，而且對機器人的求知欲也不一樣，在課堂上難以做到統(tǒng)籌兼顧。比如像機械類、電工電子類專業(yè)的學(xué)生希望能夠更加透徹地了解機器人的結(jié)構(gòu)組成和工作原理、能夠自己編寫新程序、設(shè)計機器人新動作、完成挑戰(zhàn)課題等，而其他如文科專業(yè)、部分理科專業(yè)的學(xué)生則感覺自由時間太長，希望能介紹更多的前沿機器人技術(shù)。

1.2 兩種機器人編程方法相差較大，學(xué)生不宜完成思想轉(zhuǎn)變

由圖1可以看出，寶貝車機器人有三個車輪，分別為兩個主動輪和一個萬向輪；兩個主動輪分別由一個伺服電機驅(qū)動，通過控制兩個主動輪的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速實現(xiàn)不同的運行軌跡。

寶貝車上所用電機為連續(xù)旋轉(zhuǎn)伺服電機，脈沖值對應(yīng)電機軸的旋轉(zhuǎn)方向和轉(zhuǎn)速，如圖3左側(cè)坐標(biāo)所示。由于寶貝車三個輪子永遠和地面接觸，無需考慮傾斜、摔倒或者是動作不連貫等問題，所以編程難度較小，學(xué)生學(xué)習(xí)起來容易上手。比如讓小車向前直線行走，僅需要一個循環(huán)指令就能夠完成：

由圖2可以看出，步行機器人需要通過傾斜和跨步兩種狀態(tài)相組合，才能實現(xiàn)直線行走、轉(zhuǎn)彎等動作。步行機器人的傾斜和跨步分別由一個伺服電機控制。傾斜伺服電機位于機器人的正前方，通過四連桿使步行機器人實現(xiàn)左、右傾斜；跨步伺服電機位于機器人下方中間位置，通過連桿驅(qū)動兩腿前進、后退。

從圖中可以看出，由于受結(jié)構(gòu)的限制，步行機器人的伺服電機不能連續(xù)旋轉(zhuǎn)，故所用伺服電機為舵機，脈沖值對應(yīng)電機軸所處的角度，如圖3右側(cè)坐標(biāo)所示。若想讓舵機的電機軸連續(xù)旋轉(zhuǎn)，必須不斷地向電機發(fā)送變化的脈沖值。想讓步行機器人完成向前行走的一個循環(huán)單步，至少需要以下指令：

由以上語句可以看出，步行機器人向前行走時，先向左傾斜，右腳向前邁，再向右傾斜，然后左腳再向前邁，四個動作完成一個向前行走的循環(huán)單步；與寶貝車相比，步行機器人完成相同的運動軌跡，程序要長很多，難度上也有很大增加。

另外，在編寫步行機器人程序的時候必須要清楚機器人當(dāng)前處于哪種狀態(tài)，接下來有哪些運動可以調(diào)用，否則機器人在行走過程中將會出現(xiàn)跳動。當(dāng)編寫復(fù)雜運動時，程序會變得非常冗長，而且難以理解。為了精簡程序可以采用一些新編程方法，但學(xué)生在學(xué)習(xí)新編程方法時感覺難度很大。

1.3 作為公選課程，學(xué)生很難在課后花費很大精力

高等院校開設(shè)公選課，主旨在于滿足學(xué)生的不同興趣和需求，促進學(xué)生不同學(xué)科的交叉滲透，拓寬學(xué)生知識面，增強學(xué)生綜合素質(zhì)，促進學(xué)生全面發(fā)展，是使課程種類多樣化的重要手段，是實現(xiàn)“通識教育”的重要途徑。④

大學(xué)生在校期間，除了要上各門必修課、限選課和實驗課以外，還要準(zhǔn)備英語四、六級考試、計算機二、三級考試等等，公選課幾乎是所有大學(xué)課程中地位最低、對學(xué)生要求最為寬松的課程，學(xué)生很難在此類課程上花費很大精力。因此作為面向全校本科生的初級機器人公選課程，編程難度應(yīng)適合各專業(yè)的學(xué)生。

2 課程改革方案

為了解決以上問題，對原來的初級機器人技術(shù)及實踐課程內(nèi)容進行了拆分和補充，具體情況如下：

（1）將寶貝車作為新初級機器人技術(shù)與實踐課程的主載體，編程方法和各類傳感器的應(yīng)用練習(xí)均以寶貝車為基礎(chǔ)平臺。原來課程里面的傳感器僅有觸須、光敏電阻和紅外探測器，為彌補減掉步行機器人后的課時內(nèi)容，新購置了Sensirion溫濕度探測器、柔性力傳感器、HM55B指南針模塊、發(fā)聲模塊和寶貝車數(shù)字編碼器套件等，用于拓寬學(xué)生的視野，使學(xué)生了解更多的傳感器工作原理和機器人技術(shù)，并掌握其編程方法。

其中，柔性力傳感器可用于工業(yè)自動化、夾段滾筒、壓縮模塊、密封包裝、機器人夾持力、消費產(chǎn)品和服裝等行業(yè)； HM55B指南針模塊能感應(yīng)微特斯拉的磁場強度，校準(zhǔn)后有6位（64個方向）的精度，從開始測試到數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好只需30-40ms，廣泛用于無線和步行機器人方向傳感器、袖珍電子指南針和汽車電子指南針；發(fā)聲模塊為可以用地道的女聲連續(xù)智能地說出一些句子，數(shù)字和常用的縮寫，可以加入一些生僻的或難發(fā)音的單詞，廣泛用于人工智能、餐飲及其它服務(wù)領(lǐng)域等。

（2）新申請了中級機器人技術(shù)與實踐公選課程，并將步行機器人作為該課程的主載體，配套傳感器除原來的光敏電阻、紅外傳感器外，新購置了傳感器安裝云臺、LED顯示器、閃光腳趾、Memsic加速度計、藍牙通訊模塊和TCS230顏色傳感器等。本課程主要面向已經(jīng)選修過初級機器人技術(shù)與實踐課程的工科學(xué)生。

其中，傳感器云臺上面可以簡單快捷地安裝上各種傳感器，能夠上下、左右旋轉(zhuǎn)180埃梢韻捎讜諮沂蛟諂淥燙逕顯碩討脅畝抖籐CD顯示器套件可以方便地連接到面包板上，能夠顯示所有ASCII字符，4個用戶輸入按扭方便學(xué)生設(shè)計各種不同的控制方案；Memsic加速度計為采用雙軸熱加速計來測量動態(tài)震動加速度和靜態(tài)重力加速度的裝置，已廣泛應(yīng)用于自我平衡機器人、傾斜的游戲控制器、無人駕駛的飛機模型、汽車報警系統(tǒng)、撞擊檢測/氣囊自動展開和人手勢的檢測等工況。

（3）在課堂教學(xué)過程中，采用以“學(xué)生為主體，教師為主導(dǎo)”的教學(xué)模式，對學(xué)生進行分組，先讓學(xué)生自學(xué)相應(yīng)傳感器的工作原理和編程方法，給學(xué)生提供獨立思考的機會；然后由老師對后續(xù)操作的注意事項進行說明，避免學(xué)生走太多彎路，提高課程效率；最后由學(xué)生自己動手搭建、調(diào)試電路，并自由編寫程序，以實現(xiàn)不同的功能。在每節(jié)課中留出五分鐘時間，讓學(xué)生交流、討論課堂上所遇到的問題和解決方法，促進學(xué)生與學(xué)生之間的相互溝通和學(xué)習(xí)交流，培養(yǎng)和提高學(xué)生分析問題、解決問題的能力。

（4）在課程最后的拓展環(huán)節(jié)，不再局限于現(xiàn)有的野外重載鐵甲蟲機器人、柱狀機器人、六自由度機械臂、人形機器人和足球機器人等，其他高級機器人如日本本田公司的阿西莫機器人、美國Big Dog機器人、水下機器人等相關(guān)技術(shù)和知識都會給學(xué)生講解，讓學(xué)生對世界當(dāng)前的機器人技術(shù)發(fā)展水平和趨勢有所了解，激發(fā)學(xué)生對機器人前沿技術(shù)的學(xué)習(xí)興趣。

3 結(jié)論

經(jīng)過兩個學(xué)期的教學(xué)試驗，取得了良好的教學(xué)效果：（1）在兩門公選課的教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)，絕大多數(shù)學(xué)生在課堂上就能夠掌握機器人及配套傳感器的編程方法，無需占用學(xué)生課后的學(xué)習(xí)時間，學(xué)生在課堂上表現(xiàn)非常積極。（2）通過對課程內(nèi)容的調(diào)整，滿足了不同專業(yè)學(xué)生的需求，讓學(xué)生真正學(xué)到了一定的機器人技術(shù)和傳感器知識，拓寬了學(xué)生的視野。（3）通過對教學(xué)方法的調(diào)整，培養(yǎng)了學(xué)生的自學(xué)能力和團隊協(xié)作精神，促進了學(xué)生與學(xué)生之間的學(xué)習(xí)交流，提高了學(xué)生的實踐動手能力和創(chuàng)新精神。

注釋

①③劉振東，張作龍，等.初級機器人教學(xué)的探索與實踐[J].科教文匯，2009（21）：22-23.

② 雷靜桃，劉亮，等.“機器人學(xué)”課程教學(xué)改革與實踐[J].實驗室研究與探索，2013.5.32（5）：179-182.

④ 申鳳君，楊蕓，等.高校公選課存在的問題及對策[J].成都理工大學(xué)學(xué)報（社會科學(xué)版），2006（3）：96-99.