當前創(chuàng)新實踐的項目教學法初探

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機器人競賽

機器人競賽是一項很好的科技創(chuàng)新活動，形式繁多，內(nèi)容豐富。設(shè)計方案的開放性，也為學生的創(chuàng)新奠定了基礎(chǔ)。參賽者可以用不同的方法實現(xiàn)同一個項目，通過比賽，激發(fā)其對機器人的學習興趣，引導(dǎo)他們積極探索機器人新科技，為其自主創(chuàng)新能力的培養(yǎng)提供良好的平臺。中國機器人大賽暨RoboCup公開賽：1999年，在RoboCup國際委員的支持和授權(quán)下，首屆中國機器人大賽暨RoboCup公開賽在中國重慶舉辦，目前是中國機器人最具影響力的賽事，比賽共設(shè)立12類65項賽事。機器人競賽種類多、規(guī)模大、水平高，為大學生進行創(chuàng)新實踐活動提供了很好的平臺。“未來伙伴”杯中國智能機器人大賽（暨國際機器人滅火比賽中國賽區(qū)選拔賽），是中國人工智能機器人專業(yè)委員會等多個單位主辦的一項全國性賽事。大賽包含機器人救火大賽、機器人足球比賽、機器人創(chuàng)新大賽、機器人搜救大賽、機器人擂臺賽和機器人舞蹈戲劇大賽等6個主題項目。其中機器人救火大賽是國際賽制機器人滅火比賽（暨國際機器人滅火比賽中國賽區(qū)選拔賽）。“飛思卡爾”杯全國大學生智能汽車競賽，由教育部委托高等學校自動化專業(yè)教學指導(dǎo)分委員會主辦。競賽分競速賽與創(chuàng)意賽兩類比賽。自2006年首次舉辦以來，“飛思卡爾”杯全國大學生智能汽車競賽已經(jīng)成功舉辦了6屆。

機器人實踐教學的具體實施

機器人競賽、創(chuàng)新實踐是一項很好的科技創(chuàng)新活動，機器人的趣味性易于激發(fā)學生學習和研究的興趣，同時將創(chuàng)新實踐、競賽引入教學過程，使學生變被動學習為主動學習和研究。“機器人項目教學法”的一般教學結(jié)構(gòu)如圖1所示：“項目教學法”最顯著的特點是“以項目為主線、教師為引導(dǎo)、學生為主體”，改變了以往“教師講，學生聽”被動的教學模式，創(chuàng)造了學生主動參與、自主協(xié)作、探索創(chuàng)新的新型教學模式。本文以參加2012年中國機器人大賽暨RoboCup公開賽的醫(yī)療與服務(wù)機器人組的項目為例，在比賽初期確定人員，將不同專業(yè)和不同年級的學生組成一個競賽小組，研究競賽規(guī)則、制定項目方案、機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計、電路設(shè)計、程序調(diào)試，學生分工合作，過程中集思廣益、取長補短、團結(jié)協(xié)作。這種在探索中學習的過程是其他教學環(huán)節(jié)無法實現(xiàn)的，對于培養(yǎng)學生的實踐創(chuàng)新能力非常重要。本文以一種醫(yī)療與服務(wù)機器人設(shè)計為導(dǎo)向的項目教學法，按照以下六個教學步驟進行：1.項目的申請根據(jù)學院參加機器人競賽的實際情況，中國機器人大賽暨RoboCup公開賽，作為全國最具影響力的機器人比賽。本學院主要參加了醫(yī)療服務(wù)機器人、機器人游中國、擂臺等機器人項目，學生可以針對感興趣的比賽項目，或者根據(jù)江蘇省高等學校大學生實踐創(chuàng)新訓練計劃，申報項目，填寫申請書。教師針對學生申報的項目，分析學生的實際情況，建議選擇項目規(guī)模和難度適中的項目。中國已經(jīng)進入了老齡化社會，而且在今后幾年內(nèi)老齡人口數(shù)量將會呈上升趨勢，老齡化將更加嚴重。老齡化使社會的勞動力減少，一些老年人不僅不能參加勞動，而且有的甚至失去了自理能力，需要人照顧，這就增加了他們的子女以及社會的負擔。年輕人為了工作日益繁忙，在目前服務(wù)行業(yè)工作者稀缺的背景下，在醫(yī)院時不時會有行動不便的病人需要護士和家人的攙扶。而在沒有人幫助的情況下，行動不便的病人寸步難行，稍有不慎就有可能摔倒受傷。所以筆者建議學生選擇參加醫(yī)療與服務(wù)機器人創(chuàng)新設(shè)計與制作賽項，設(shè)計一種醫(yī)療服務(wù)機器人更好的服務(wù)病人。2.項目團隊的建立建立學生團隊，營造互相競爭、互相幫助的學習氛圍，學生在做項目過程中攜手合作，彌補相互間的不足，遇到問題大家一起討論解決，這讓學生體會到團隊的重要性，做到共同進步。同時，團隊的學生分工明確，每人負責項目的某一部分，使學生真正參與到項目中，整個項目的完成，離不開每一個學生，學生為使項目不會因為自己負責的部分沒有完成而主動學習，主動查資料，可以培養(yǎng)和提高學生的自主學習能力。學生團隊的建立，應(yīng)考慮學生的專業(yè)，年紀，特長等因素。教師確定一名隊長，根據(jù)項目的特點，隊長可以自己招學生，實現(xiàn)學生管理學生。參加醫(yī)療與服務(wù)機器人創(chuàng)新設(shè)計與制作賽項，筆者選擇了5名學生，隊長由09級的一名學生擔任，該生組織能力比較強，專業(yè)能力也比較脫出，由他負責整個項目的進展，匯報工作。其他學生分別是1名2009級的，2名2010級的，1名2011級的，專業(yè)分別是自動化、測控、電氣。3.項目任務(wù)、計劃的制定團隊負責人制定機器人項目工作計劃，確定工作步驟。機器人是集機械、電子、控制、計算機、傳感器、人工智能等多學科先進技術(shù)于一體的智能儀器。本次設(shè)計的醫(yī)療服務(wù)機器人由小組討論決定，醫(yī)療服務(wù)機器人外形像輪椅，病人能夠獨自駕駛?cè)セ炇夷萌蟾妫ラT診找醫(yī)生復(fù)診，降低護士工作量及病人家屬的負擔。為使醫(yī)療服務(wù)機器人更好的服務(wù)病人，該團隊為機器人設(shè)置了兩種模式：座椅模式和病床模式，免去了病人就診、休息時需要被移動到病床上的麻煩。機器人將現(xiàn)場鍵盤控制和遠程控制相結(jié)合，實現(xiàn)護士對病人的遠程監(jiān)護，機器人在前進過程中，檢測到前方有障礙物時就會立刻停下，減少不必要的事故。同時機器人配備了機械手，可以幫助病人取物品，最大程度幫助病人。根據(jù)團隊中學生的專業(yè)、特長等分配任務(wù)，負責機器人機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的學生需要畫圖紙、電焊等來完成機器人結(jié)構(gòu)的設(shè)計、機械手的設(shè)計；電路設(shè)計的學生制作包括單片機電路、電源穩(wěn)壓電路、電機驅(qū)動電路、紅外避障電路、鍵盤輸入電路；測控專業(yè)的學生負責電路的測試、場地的制作等工作；程序編寫的學生，完成程序的設(shè)計、調(diào)試；控制界面的設(shè)計由另外一個學生負責，主要是VB編寫上位機、WIFI攝像頭的調(diào)試、藍牙通信的調(diào)試。根據(jù)機器人項目的特點，學生在制作過程中可適當?shù)刈饕恍┱{(diào)整。根據(jù)項目完成的時間確定工作步驟，進行時間分配。最終得到教師的認可才能執(zhí)行。4.項目制作學生自己確定各自在小組中的分工，然后按照已確立的工作步驟和程序工作。基于機器人項目的作品成果形式多種多樣，可以是調(diào)查報告、實物模型、演講稿、論文等。通過展示作品成果，可反映學生在項目完成過程中所掌握的技能。本次設(shè)計的醫(yī)療服務(wù)機器人成果包括機器人模型一個、機器人設(shè)計與使用說明書一份、演講稿一份。在本項目比賽結(jié)束后，指導(dǎo)學生按照他們設(shè)計的醫(yī)療服務(wù)機器人撰寫論文、申請專利。5.項目檢查評估整個項目檢查評估采用答辯的形式向教師匯報，首先由隊長對整個項目進行匯報總結(jié)，再由隊員對自己負責的工作進行匯報和自我評估，并且對設(shè)計的醫(yī)療服務(wù)機器人進行展示，教師根據(jù)團隊成員的表現(xiàn)、研究成果表述和作品的展示進行檢查，為到現(xiàn)場比賽作準備。針對項目中出現(xiàn)的問題，師生共同討論，教師引導(dǎo)學生獨立思考問題，解決問題。學生通過對比師生評價結(jié)果，找出造成結(jié)果差異的原因6.項目資料歸檔或應(yīng)用為使學生養(yǎng)成良好的習慣，項目結(jié)束后，教師監(jiān)督學生將項目工作資料整理歸檔，材料包括項目申報書、進度表、機器人機械結(jié)構(gòu)圖、程序設(shè)計流程、機器人控制程序、項目結(jié)項書、項目報告講義等。

機器人項目教學的成果

機器人創(chuàng)新實踐是一個綜合性、高難度的科技制作過程，有利于提高學生的動手能力和創(chuàng)新能力。在教師指導(dǎo)下，學生通過自己查閱資料、提出有創(chuàng)意的設(shè)計方案，選擇合適的元件，設(shè)計、焊接電路，編程、測試程序等，充分調(diào)動了學生的積極性，發(fā)揮學生的創(chuàng)造力，使學生在實踐中進一步提高自己的綜合能力。有助于將學生的興趣應(yīng)用到教師的科研中，使學生們熱愛科技，投身科技，在學校形成良好的科技學術(shù)氣氛。本校參加機器人競賽源于2010年，當時參賽的賽事為“飛思卡爾”杯全國大學生智能汽車競賽、中國機器人大賽暨RoboCup公開賽、江蘇省機器人大賽、“未來伙伴”杯機器人競賽，并因此開設(shè)了機器人技術(shù)、機器人創(chuàng)新實踐與競賽等公共選修課；制定了《大學生創(chuàng)新實驗室項目負責制實施辦法》，針對項目采取一系列措施，保證學生能在項目的過程中鍛煉自己的能力，同時能保證創(chuàng)新實驗室項目的創(chuàng)新性。實踐教學效果顯著，本校代表隊在2012年第七屆“飛思卡爾”杯華東賽區(qū)比賽中，獲得攝像頭組第一名，晉級參加全國決賽的隊伍，獲得全國攝像頭組特等獎。2012年中國機器人大賽暨RoboCup公開賽獲得3項季軍，2010年“未來伙伴杯”獲得滅火比賽冠軍，受邀參加在美國舉辦的國際機器人滅火比賽。五、結(jié)論實踐教學的目標是培養(yǎng)學生通過實踐發(fā)現(xiàn)、分析和解決問題的能力，培養(yǎng)創(chuàng)新精神和初步的科學研究能力。機器人創(chuàng)新實踐活動以其高度的實踐性被越來越多的高校引入實踐教學。本校自動化學院機器人實踐教學的具體實施，促進了學院各學科綜合發(fā)展，提高了教師的理論、實踐教學水平和科研水平，使學生對機器人相關(guān)課程融會貫通，提高了學生自主學習、創(chuàng)新和團隊合作等綜合能力，推動了學院實踐教學體系的發(fā)展和完善。

本文作者：毛麗民劉叔軍李鑫戴梅工作單位：常熟理工學院電氣與自動化工程學院