机器人制作与专业认识课程的教学设计

许晓飞　吴细宝　陈启丽　陈雯柏

摘要：结合智能科学与技术专业培养目标，介绍机器人制作与专业认识课程的实践创新教学探索与课程系统设计与实现，阐述课程教学设计过程中机器人制作的3个阶梯式平台；结合智能科学与技术专业培养方案内涵，提出在实验内容选定、教学方法设计、本科生实践能力阶梯式培养等方面的一系列教改措施。

关键词：机器人制作；专业认识；实践教学；阶梯式

0引言

智能科学与技术已经成为智慧地球时代创新的重要基础点，机器人制作与专业认识课程教学设计的核心内容，具有智能科学与技术的非抽象性和极强的创新教学工程性和实践性。学生学习和制作机器人能够切实理解和掌握工程学和数学的很多知识与原理，同时通过动手实践将它们运用到解决实际问题的过程中。学生通过课程能够系统、阶梯式地学习认识什么是机器人和智能技术，不同机器人有哪些共性特征，机器人工程应用中有哪些共性关键技术，不仅拓宽视野，还了解前沿技术，同时重点培养对机器人设计工程案例分析研究、提出见解和综合运用信息技术解决问题的能力，从而全面并深入地掌握智能机器人技术。

1总体教学系统设计

1.1课程整体教学设计

智能科学与技术是以知识平台为中心的知识创新与创新知识应用，掌握智能科学与技术是多个强势学科的交叉融合与后硬件时代的到来对多学科复合型人才的需求以及后硬件时代普遍的软件人才需求。智能科学与技术专业实践教学体系是通过设立阶梯课程进行本行业应用创新，因此机器人硬件与软件课程连续4年阶梯设计不断线。针对大学一年级学生的实际需要，机器人制作与专业认识作为专业导论实践类课程，在教学设计中切忌涉及太多理论，采用项目驱动教学方式；鼓励教师改革教学方法和手段，采用案例教学法和项目教学法；引导学生结合自己的知识经验进行调研，搜索资料完成创新部分任务，考核时将学生创新部分加权计入总评成绩，重点培养学生的创新能力、实践动手能力及团队合作精神，驱动学生真正成为学习的主体。

教师需结合机器人制作中的具体工程问题，讲解解决方案形成思路，由浅入深地引导学生重视数学类课程的学习，数学是所有工程科学的基础，没有数学上的论证，高楼不敢盖，宇航船不敢远游；结合培养方案中的数学课程，如高等数学、复变函数、控制论基础、线性代数、矩阵论、概率与随机过程、数字信号处理等数学理论类课程，帮助学生实现研究型人才的发展。教师在讲解机器人控制算法的设计时，引导学生对以后的专业课进行学习思考，包括控制理论、模糊控制、人工智能、人工神经网络、人工智能、专家系统等课程算法思想，帮助学生高屋建瓴地思考分析智能系统中的信息智能处理方法。

1.2总体教学任务与目标

智能科学与技术专业培养的是工程应用型人才，因此在机器人制作实践教学中，教师必须充分认识到让学生主动独立掌握特定机器人设计和开发是课程教学目标实现和教学效果达到的保证。实际影响教学效果的两大问题包括：①课程内容涉及多门学科内容；②学生录取批次多，学生基础和学习动力不一样。针对问题，首先，教师应充分认识到引导学生入门完成机器人制作，可以帮助学生尽快深入理解本专业培养体系，所谓“麻雀虽小，五脏俱全”，该课程具有其他课程不可替代的作用和广阔应用前景；其次，教师应当根据专业特点适当删减机器人制作原理部分偏电子技术内容，利用动画、实际系统演示和实物机器人讲授每一堂课。

为了尽可能解决上述问题，使学生对机器人技术有一个总体、系统的了解与掌握，本次机器人制作课程系列实验设计的具体教学任务与目标是设计制作出能循迹和避障轮式机器人。工程训练的能循迹和避障轮式机器人实验平台较多，本课程实践项目中传感选型环节建议采用光电、灰度和超声波传感器进行环境黑白线和障碍物的检测，而机器人控制器及信息处理部分可独立或结合采用以下3种：基于arduino控制器、C51单片机和arm控制器设计。通过本课程的学习，学生能够对智能科学与技术架构、智能信息处理的算法设计以及相应硬软件平台的形成发展有所了解，通过动手制作和调试出相关机器人功能，可以深入地理解智能科学与技术专业涉及的工程技术基本概念和分析解决问题的方法，为从事智能科学与技术的研究和应用工作打下坚实基础。

2机器人的制作与设计

根据目标设置理论，目标本身具有激励作用，合理的目标设置能把人的需要转变为动机，使学生为实现目标而主动设计和执行最合适的策略和手段，朝着一定的方向努力并将自己的行为结果与既定的目标相对照，及时进行调整和修正，从而实现目标。机器人制作与专业认识课程设置3种不同难度的目标。

2.1基于ardunio控制器机器人的制作与实现

教师可以通过演示基于ardunio控制器的轮式机器人循迹和避障功能，讲解程序设计中的逻辑思维、容易出现的故障及解决措施等，使学生能够在较短时间内理解轮式机器人的架构；鼓励学生像搭积木一样进行轮式机器人的硬件搭建；软件设计上允许学生在积极思考后，对比参考程序进行烧写和参数调试。

机器人制作中，在循迹模块上，主要实现机器人识别并能沿着地面测试区域的黑白线中黑线行走；采用TRCT5000红外对管检测黑线，由于黑白线地板对光线的反射系数不同，可通过传感器接收到的反射光强弱判断小车前进方向。在避障模块调试上，采用HC-SR04超声波传感器发射和接受超声波，实现障碍物距离的测量，中间一个超声波探头默认一个方向。整个机器人由主控电路模块、电源、红外检测模块、电机及驱动模块等几部分组成，而机器人左右轮控制是采用差速换向，实现机器人的左右转、前进后退等电机控制动作，实现轮式机器人循迹和避障效果。

2.2基于C51单片机控制器电机系统制作与实现

该实验项目主要是在第1个实验项目完成的基础上，引导学生学习和更换控制器，这是因为51单片机系列控制器相对ardunio控制器，在电机控制等子函数中，可以进行更多底层的参数设定。针对学生在机器人电机控制程序设计中的诸多问题，教师可指导学生深入理解并实现轮式机器人腿部电机的PWM波控制函数；在课堂讲解中围绕机器人的执行机构，重点讲解直流电机调速系统的设计与实现以及脉冲宽度调制（PWM），指出PWM是用改变电机电枢电压接通与断开时间的占空比控制电机转速；指导学生在MATLAB软件上进行电机控制仿真，借鉴仿真参数，在单片机上编写控制算法，观察测量舵机运行的性能参数变化情况，分析找出稳定性好的关节运动轨迹规划控制器设计方案；通过讲解机器人制作课程的基础PWM波控制电机的转向和速度，帮助学生理解一个机械执行装置执行的完整过程。

教师要指导学生在实验开始前，做好准备工作，准备好配套材料；连接时注意接口松动的问题以及最后确认整个系统连接正确后再启动；软件编写时，要注意delay函数的应用；在实验进行时，由于不方便肉眼观测，可以使用示波器观察信号占空比变化，鼓励下次实验加入闭环系统作为改进；最后加入传感器，即可实现C51单片机控制器的轮式机器人循迹和避障效果。

2.3基于ARM控制器机器人的讲解与演示

该实验项目主要是在第2个实验项目完成的基础上，针对学生在机器人摄像头控制程序设计中的好奇和求知心态，指导学生理解并实现轮式机器人摄像头循迹；课堂讲解中围绕机器人的人工智能思想，重点讲解图像信息的基本分析原理以及图片信息的提取和处理基本流程方法，指导学生采用实验室机器人平台arm控制器实现机器人的追踪、人脸识别等智能科学与技术的应用。

在课堂讲授过程中，教师还应注重引导学生模仿科学研究方法进行探究，如围绕机器人的感知系统，重点指导学生进行数据测试分析，以完成传感器的选型和信号调试电路的设计与实现；指导学生完成电子秤和光电传感器的验证型实验并记录传感器性能数据，采用MATLAB软件编写最小二乘法程序进行实验数据的分析。利用北京信息科技大学卓越联盟实验室已有条件，我们指导学生使用机械臂装运、智能分拣系统、3D打印、激光切割机、雕刻机等设计制作出机器人构件小作品；引导学生注意观察智能技术，发现问题，提出有待解决的工程问题；对于优秀作品，引导学生结合相应机器人竞赛项目进行改进，提升学生思考问题的方式和学习模式，使学生能够结合实际，综合运用书本和课堂上所学的各学科理论，在实践中检验与应用。

3教学与实践设计的效果

3.1学生实践效果

智能科学与技术专业不同基础的学生在学习机器人技术的简单传感技术、调理电路技术以及系统控制及信息处理的基础上，结合实践项目的任务与要求，通过解决实际问题如引线短路、芯片的数据和管脚、系统电源及布局等，将课堂内容通过实际操作达到学以致用，培养智能机器人工程师的素养。学生完成该实验项目过程的部分成果呈现如图1所示。

根据智能科学与技术专业培养方案内涵建设及机器人制作课程特点，对照分析授课内容和学校培养应用型人才的内涵要求，教师可在该课程实践教学中融入全国大学生学科竞赛项目规则的讲解，结合专业相关课程体系，让学生明白专业培养课程前后设置的相关性，发挥主观能动性，鼓励学生在大学期间锻炼自学能力和检索信息资料的能力，分享国内外知名大学著名课程的公开课视频资料等内容，使学生能够尽快地构建自己的专业知识架构，激发学生的学习潜能和专业理想。

3.2学生课堂互动效果

机器人制作专业认识课程共30学时，第1节课主要鼓励学生介绍自己对机器人技术基础知识的理解，讲解机器人技术工程中典型问题的程序设计思路，其中涉及程序流程图设计、工程问题细节设置、可能出现的BUG等方面的讨论互动，学生在课堂上互动活跃，教学效果良好；以后课程中注重根据学生实践中遇到问题进行互动讨论和总结；结课后考核采取演示机器人、PPT总结答辩形式。

该课程教学在项目驱动中采用实验实训拓展方式，课时内容安排是根据学生认知和逻辑上的前后顺序，由浅入深，引导学生不知不觉间迈入机器人世界的门槛，甚至初步具备参加大学生机器人竞赛的能力。教师还可结合具体机器人功能任务的分解深入，介绍多种典型传感器原理及电路特性应用（如红外测距、光电式避障、超声波测距等传感器），演示实际程序调试下载测试效果，扩展模拟和数字电路应用，讲解C语言编程技巧、测量数据处理系统的设计、机器人结构设计与搭建机械技术应用、机器人控制算法设计等，加深学生对智能控制和智能专业技术内涵的深入理解和掌握，避免局限于枯燥、抽象理论的学习。

机器人制作课程实践教学基本流程：首先，讲解设计任务与要求，同时演示讲解参加机器人竞赛的机器人作品功能；其次，针对机器人的功能要求提问，课堂上分析讨论学生设计方案的可行性、所画流程图的逻辑严密性等；然后，督导学生进行机器人功能模块硬件设计、搭建、烧写程序和调试测试；最后，结合评分表和学生具体表现完成所有实验项目的成绩核定。通过明确每一次单项实训项目任务与最终效果，让零基础的学生在玩中学和学中玩，引导学生参考已有的电路图和程序，结合教师总结的程序设计思路以及常见BUG、经常性故障排除知识经验，帮助学生尽快熟悉实践平台和入门；在此基础上，指导学生利用课余时间自学和查找搜索课程资料，完成设计型实验任务的可行性方案，将学生创新部分加权计入实验成绩，驱动学生真正成为实验的主体。

课程结束时对学生进行教学效果测评，学生普遍反映良好。课程内容上安排的从易到难的3种控制器应用，加深了智能科学与技术专业学生对c语言编程的深入认知，令学生对设计的机器人进行功能调试和编程测试，深入思考理论与实践的相互关系，了解有关智能应用的最新成果，认识自己的不足与内在目标，在学习中将自我提升的专业敏感度实践起来，取得了很大进步。

4结语

机器人制作专业认识课程特点是突出实践，指导督促学生设计搭建轮式机器人硬件和软件算法编写调试，教学中注重引导学生对典型机器人技术的学习总结以及举一反三的知识技能迁移能力培养；所谓迁移能力是指已经获得的知识、技能、经验对学习新知识与技能的影响。在机器人制作教学实践中，就如何获得高质量和低耗时的教学效果，还需要结合专业培养方案内涵建设进一步探讨。下一步，我们将根据低年级学生学习特点进行深入研究，按照实践动手能力培养的客观迁移规律组织教学，安排实践练习，强化硬件和软件设计能力的良性发展，使学生在全面运用过程中能够根据用户实际需求选择合适的设计方案，具备智能机器人工程师的素养；同时结合3种不同程度的教学平台，对教学过程进行反馈总结，通过教学效果的对比、分析和提高，实现专业教育的最好引领效果并尝试提出更好的建议。

（编辑：宋文婷）