基于項目的大學生學習方法研究*
——以六自由度機器人開發項目為例

◆金涵遜 倪受東 楊飛彪 付昌義 袁祖強 周雨朋

基于項目的大學生學習方法研究*
——以六自由度機器人開發項目為例

◆金涵遜 倪受東 楊飛彪 付昌義 袁祖強 周雨朋

全面介紹基于項目學習（PBL）的定義、內涵、構成要素、分析方法以及項目設計與實施步驟，并以“六自由度機器人開發”項目的每一個步驟詳細討論項目學習模式的理論、方法以及可以鍛煉大學生的能力，從而為高校開展以實際項目為載體培養創新型卓越工程師進行有效的探索與實踐。

基于項目學習；大學生；六自由度機器人

1 前言

在我國頒布的《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010—2020年）》中，教育部等部門要求全面提高我國高等教育的質量，并提高人才培養質量，強化教學中實踐環節，優化教育結構，擴大應用型、復合型、技能型人才培養規模，要特別重視學生學習能力、實踐能力和創新能力的培養和提高[1]。

已經有很多國內外學者對基于項目學習（PBL）進行了詳細研究。Thomas J W、沈建新等人[2-4]詳細研究了PBL模式的發展歷程，劉景福等人[5]研究了PBL在信息技術人才培養方面的作用。然而我國大學生已經習慣于老套授課形式的培養，被動接受教師上課的內容。這對于培養大學生尤其是培養復合型工科大學生是有害無益的。因此，尋求具有吸引力的高度綜合的實踐教學載體是解決該問題的一種有效方式。實踐表明，以智能機器人為載體的工程實踐教學對提升學生的工程能力和創新意識具有明顯的效果[6]。

本文首先回顧PBL的基本概念、特征，后以南京工業大學機械與動力工程學院2014年度江蘇省創新創業訓練計劃“六自由度機器人開發”項目為例，具體闡述PBL在工科教學項目中的具體應用。

2 基于項目的學習的概念

定義 目前，PBL在國內外有很多定義形式，并沒有固定的定義方法。通俗一點兒講，“基于項目的學習”中的“項目”兩個字是普通的“項目”在教學領域的延伸和相對具體的應用。因此，基于項目的學習方向指的是以學科的基

本概念和原理為中心，在真實世界中借助多種資源開展探究活動，并在一定時間內解決一系列相互關聯著的問題的一種新型的探究性學習模式。

*項目來源：江蘇省大學生創新創業訓練計劃重點項目（201313905010Y）。

作者：金涵遜，南京工業大學，主要研究方向為先進材料力學性能；倪受東，南京工業大學副教授，主要研究方向為機器人技術及其應用、智能機電系統；楊飛彪、付昌義、袁祖強、周雨朋，南京工業大學（211816）。

目前，“基于項目的學習”是在美國中小學廣泛采用的一種探究性學習模式。它的理論基礎是建構主義學習理論、杜威的實用主義教育理論和布魯納的發現學習理論，在此將全面介紹這種學習模式的定義、構成要素、特征和操作程序等。這種模式對于我國大學工科專業實踐研究性學習的開展有較大的借鑒作用，因此研究PBL對工科大學生的培養有巨大的價值。

構成要素 基于項目的學習主要由四大要素構成，分別是：1）內容；2）活動；3）情境；4）結果。具體結構如圖1所示。

特征 基于項目的學習作為探究性學習的一種，注重發揮學習者的主動性，通過參與完整的項目進程，獲取知識與技能。這一新的教學模式顯然有別于傳統的教學模式，有其自身顯著的特征。

1）項目真實而具體。基于項目的學習的項目，一般與生活、工作密切相關，學習者面對的是真實、具體的問題，而不僅僅是某個抽象的學習問題。這樣有助于調動學習者的學習興趣、積極性與創造性；真實、豐富的項目學習體驗，有助于知識的記憶與理解、技能的鍛煉。

2）學習內容具有綜合性和開放性。因為這些學習內容涉及源于生活的激發性的問題，要解決這些問題需要多學科的知識，有時單靠一門學科的知識可能無法解決所有問題。項目的設計是具有開放性的，一個個項目中融合了知識與操作，不局限于課本，可以從多個角度進行分析，以多種方式完成。

3）學習途徑多樣而協同。學習者可以選擇和使用各種認知工具獲取、整理和歸納信息，來輔助自己的學習。在數字化、信息化的當下，學習者可以充分利用數字化學習資源，如利用QQ實現實時交流，利用微博實現快速分享，以及利用網絡云課堂、專題學習網站等實現在線學習、交流與協作，提高學習效率。

基于項目的學習旨在把學生融入有意義的任務完成的過程中，讓學生積極地學習、自主地進行知識的建構，以現實的學生生成的知識和培養起來的能力為最高成就目標，對學習結果的評價則著重學習的過程而非只看重學習的結果。

3 基于項目的工科大學生學習思路及方法

項目活動是一個兼動手和動腦學習的復雜的認知過程。基于項目的學習方式是以學生的行動為導向的，其重點在于做什么而不是學什么。基于項目的學習方式在以下四個領域得以實現的：獲得知識并應用、交流、協作以及獨立學習。教師所期望的學習結果就是要促進學生發展認知技能。

在工科科研中實施基于項目的學習通常分為設計項目、分組分工、探究協作、制作作品、匯報演示和總結評價等六個基本步驟。通過這六個基本步驟，學生可以鍛煉口頭表達、交流匯報、小組合作、專業知識實際運用等多種能力，更好地符合我國復合型工科人才的培養目標。

4 實踐案例：PBL在“六自由度工業機器人開發”項目中的應用

南京工業大學對本科學生參與科研方面給予比較大的支持。2014年10月份，南工大機械學院一名大四學生在大三期間發表的7篇論文（其中還有一篇EI論文[7]）被《南京日報》《中國青年報》等媒體報道轉載。同時，該學生還參加了“六自由度機器人開發”項目，該項目是南京工業大學機械與動力工程學院2014年度江蘇省創新創業訓練計劃的重點項目，目的是擬通過學生自行設計、制造一個六自由度小型工業機器人機械本體，購買驅動用的步進電機或舵機，并用單片機自行設計控制系統實現該機器人的控制。學生通過這樣一個實訓的過程，將所學的機械原理、機械設計及機電控制課程的知識在真正的設計實踐中得到運用和提升。

下面通過本項目中設計項目、分組分工、探究協作、制作作品、匯報演示和總結評價六個基本步驟，詳細闡述基于項目學習的過程以及對大學生能力的培養。

項目設計 機器人作為一個多學科交叉融合的機電一體化載體，涵蓋了機械、電氣、計算機科學、材料科學等諸多大類學科，應用范圍涉及日常生活乃至軍事應用各個領域。國外高校如美國麻省理工大學、斯坦福大學等在PBL教學模式中都使用機器人來鍛煉在校學生的能力，這種教育教學取得明顯的成效[8]。

于是，本項目在項目設計階段考慮到學生實際所學的機械原理、機械設計、機電一體化等課程，決定使用SolidWords三維軟件設計一款基于單片機控制的六自由度工業機器人，機器人三維效果圖如圖2所示。

分組分工 當完成項目任務布置后，需要完成小組成員的分組任務。本項目中，小組總共有六名學生。通過開第一次全體會議，安排每名學生負責一個模塊的設計任務。比如：兩名學生負責機器人的機械手三維設計，兩名學生負責機器人大臂運動關節的設計等。通過分組分工，優化小組資源，讓每名小組成員都在擅長的領域發揮自身優勢。

探究協作 在當今大科學時代，任何科學研究都離不開合作[9]。本項目中，處處都需要合作交流。而這種在實際項目中合作交流的能力，是我國工科大學生培養計劃中所缺失的。本項目中，在機械三維設計階段，小組成員需要共同合作，核對各人設計任務的基本尺寸，才能把每人的設計部分完美地拼接起來。小組成員在協作中互相學習，發現問題、解決問題，使得項目能夠順利進行。這種完成實際課題中的合作交流能力在大學生未來走向工作崗位時也是十分重要的。

作品制作 當完成機器人三維設計時，則需要完成機器人實體的加工。小組成員利用各種資源，親手使用數控機床、磨床、線切割等現代加工設備對每一個零部件進行加工。在這個過程中鍛煉了工科大學生的實際動手能力。成品如圖3所示。

圖3 機器人成品

演示匯報 演示匯報作為整個項目對外展示的一個環節，其重要性不容小覷。這個環節往往需要小組成員制作使用演示文稿演講并回答專家提問，而這個環節恰恰被很多大學生忽略。本項目也參加了很多基金項目的申報，如江蘇省大學生創新創業訓練計劃，并且參加了第五屆全國大學生過程裝備與控制大賽等競賽。這些環節都需要匯報演示。小組在討論后，一起制作了PPT，并且突出演講重點，演講者也做了充分的準備，并對專家的問題作出一些預判。在現場答辯中，獲得了專家的一致好評，并獲得了不錯的比賽結果。大學生的演示文稿制作能力、口語表達能力在本次活動中得到很好的鍛煉。

總結評價 即便一個完成很好的項目，也要及時做出總結。本項目總結會上，指導教師首先對小組的努力表達肯定，隨后對項目進行中做得不太好的部分進行總結。比如在機械設計部分沒有考慮機器人手臂自重而造成下垂現象，造成現場演示效果沒有達到預期。在總結中，小組成員吸取教訓，并表示在以后的設計任務中會更加細心。

5 結論

本文首先提出基于項目的學習（PBL）的概念以及學習方法，隨后用項目“六自由度機器人開發”具體闡述PBL模式中大學生學習能力的鍛煉過程。PBL模式不僅提高了大學生的實踐能力，還有效培養了學生的合作能力和創新思維。高校應該結合學科和學生的不同特點來運用PBL模式，在實踐中去探索和總結經驗，更好地為大學工科教育實踐所用。

[1]顧明遠.學習和解讀《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010—2020）》[J].高等教育研究,2010(7):1-6.

[2]Thomas J W. A review of research on project-based learning[EB/OL].http://www.autodesk.com/foundation/.

[3]Thomas J W.Project-based learning: Overview[R].Navato, CA: Buck Institute for Education,1999.

[4]沈建新,王海燕.PBL：一種新型的教學模式[J].復旦教育論壇,2001(2):36-38.

[5]劉景福,鐘志賢.基于項目的學習（PBL）模式研究[J].外國教育研究,2002(11).

[6]閻世梁,張華,肖曉萍,等.高等工程教育中的機器人教育探索與實踐[J].實驗室研究與探索,2013(8):149-152.

[7]Jin Hanxun, et al. The Research of Remanufacturing Technology Applied to Lifting Machinery[J].Applied Mechanics and Materials,2014,541:530-533.

[8]趙婷婷,買楠楠.基于大工程觀的美國高等工程教育課程設置特點分析:麻省理工學院與斯坦福大學工學院的比較研究[J].高等教育研究,2004(6).

[9]謝彩霞,劉則淵.科研合作及其科研生產力功能[J].科學技術哲學研究,2006(1):99-102.

College Students’ Learning Methods of Project-based Learning: Take Design a SDOF robot’ as An Example/

/JIN Hanxun, NI Shoudong, YANG Feibiao, FU Changyi, YUAN Zuqiang, ZHOU Yupeng

This paper thoroughly introduces the definition, connotation, elements, analysis methods and implementation steps of project-based learning (PBL), and then uses Six Degree of Freedom Robot Project in order to explain in detail the capability theory, method of PBL and the abilities gained by PBL, showing effective exploration and practice for colleges and universities to carry out training innovative excellent engineer based on the actual project.

project-based learning; college students; SDOF robot

G642.4

A

1671-489X(2015)18-0004-03

10.3969 /j.issn.1671-489X.2015.18.004