《智能機器人設計與制作》課程開發與教學改革研究

李笑梅，彭建盛，鄒琦萍，楊 鳳，宋華寧

（河池學院物理與機電工程學院，廣西 宜州546300）

0 引言

隨著科技的不斷進步，機器人這一新鮮事物離我們越來越近，并且也變得越來越智能化，很多以前只能在科幻電影中看到的情節已經出現在我們的生活中，機器人在各個領域中發揮了不可代替的作用。機器人在各個領域的突出地位，使機器人技術的普及教育在世界各國都受到了高度的重視。美國是第一個開辦機器人課程的國家，早在1994年機器人就首次走進美國的大學課堂[1]。雖然日本起步比美國慢，但日本在國民的每個學段一直都很重視機器人的教育，每個學段都開設機器人課程[2]。伴隨著機器人課程的興起，各國政府紛紛提倡開辦機器人課程。2003年4月我國正式將機器人知識劃為中小學選修內容，使我國的機器人課程有了初步的發展[3]。2013年我國把南京、常州等地區作為機器人課程開辦的試行點，經過不斷的努力和嘗試，機器人課程的開辦取得優異的成績[4]。實踐表明，機器人課程在創新思維能力與綜合實踐能力培養等方面具有顯著的效果[5]。國家已經把培養高素質的智能機器人研究人才納入國家“人才儲備計劃”[6]。機器人課程的開辦對創新型人才的培養具有重要意義，其多學科交叉融合的特性為培養復合型人才提供了一個良好的平臺[7]。

1 課程開發現狀

1.1 傳統教學方式存在的問題

以與機器人技術密切相關的《單片機技術》課程來說，課程資源只有教科書和實驗箱。傳統的教學方式一般是先開設理論課，然后再開設單片機實驗課，在固定功能和器件毫無擴展性的實驗箱上進行一些驗證性的實驗，都是為了做實驗而做實驗。因此傳統的教學方式最大的弊端是無法調動學生的學習興趣，磨滅了學生學習的積極性，直接導致學生無法充分理解和吸收教師講授內容，甚至直接漠視[8]。對于初學者來說，因為單片機機器人學習的過程中需要相當復雜的操作，如果只使用傳統的課程資源，把理論課和實驗課分開進行，學生只能暫時被動的接受課本的知識，無法一次性記住，也就無法將所學的理論知識運用到實驗課上，導致所學的知識無法被理解消化。

1.2 現有課程資源的不足

伴隨著互聯網對各行業滲透力的不斷增加，課程資源的開發方法也越來越多。從課件的設計方法來看，早期的課件是與教材相互配套多張透明膠片，教師可以用鋼筆在膠片上書寫教學的知識點，然后通過膠片投影儀投影出來。進入互聯網時代后，課件的制作可以利用Power Point在電腦上完成，近幾年又出現了微課、慕課、翻轉課堂等新鮮的教學方式，但是微課、慕課、翻轉課堂的課件制作相當復雜，需要付費購買多種制作軟件，先制作出各種零散的素材，然后再利用素材進行課件設計，需要花費大量的時間學習、制作。

1.3 教學資源匱乏

機器人教育教學的開展需要有教學資源的支持，從硬件資源上看，由于機器人教育剛剛興起，國內很少有專門用于機器人教學的產品，只能引進一些國外的產品，例如丹麥樂高集團的產品，但樂高的產品非常昂貴，導致機器人教育無法得到普及。從軟件資源上看，現在的教育機器人設備只配有專用的學習軟件。由于機器人課程是一門新興的學科，機器人的教學資源還比較欠缺，即使是機器人教材配套的資源也只有簡單的產品介紹或使用說明，無法作為課程資源。

綜上所述，機器人技術涉及很多學科的知識，可以綜合地培養學生的信息素養、技術素養和創新能力素養[9]。傳統學科的課程資源與教學方式已不能適用在機器人課程上，改進傳統的教學方式，開發能夠適應現代化教學的機器人課程資源，有利于促進機器人課程的正常開展。

2 機器人課程資源開發原則

2.1 與傳統學科相結合

機器人課程涉及很多傳統的學科知識，例如單片機編程、電子電路、傳感器技術等都與機器人技術緊密相關。雖然這些學科在很多的理工科專業都有開設，但在傳統的教學中這些學科都是相互獨立的。根據機器人課程與傳統學科相結合的課程資源開發原則，將教學機器人作為傳統學科的實訓設備，把各個學科的內容相互聯系起來，讓每個學科的知識在教育機器人上盡其所用，這樣即能讓機器人教育得到普及和發展，又能對傳統的學科知識進行鞏固并加以運用，還可以提高學生學習探索的興趣。

2.2 教學內容項目化

針對傳統教學方式保守、落后的弊端，提出將機器人教育課程的知識制定成相對獨立的小項目來進行教學。從教師授課的角度來看，教師以教授學生完成項目實踐為目標，教授完一個項目要點后指導學生使用教育機器人硬件資源進行項目實踐，完成教學任務。從學生學習的角度來看，學生以完成當次課的實踐項目為學習的目標，教師每講完一個項目的知識后，就使用教育機器人設備進行項目實踐訓練，完成基本項目后學生還可以根據自己的想法進行拓展，很好地培養了學生的創新思維。此項目式教學，不僅教師授課的思路很清晰，而且學生學習的目的也很明確，避免教師為了講課而講課、學生學習漫無目的、無事可干的問題，大大增強了課堂的趣味性。

2.3 開發在線教學資源

由于傳統課堂中理論學習與動手實踐訓練分離，甚至只有理論學習環節，沒有實踐訓練內容，學生只能被動的接受教師教授的課本知識，導致學生抵不住手機的誘惑在課堂上玩手機。所以最有效的辦法就是讓手機、平板電腦等智能設備變成學習的工具，讓學生在“玩手機”中也可以學習，避免手機使用問題影響教學。

3 課程內容設計

本課程采用C語言作為單片機機器人的編程語言，在教學機器人上迅速深入學習C語言的各種靈活功能，很好地將C語言的理論知識運用到實際項目開發中。針對機器人課程、單片機編程及自動化控制的初學者，從機器人的組裝開始，根據C51單片機機器人課程實踐項目的知識需求，將課程內容劃分成多個單獨的項目，符合項目化教學內容的課程資源開發原則。

為了把手機、平板電腦等智能設備變成學習的工具，本課程課件添加了對智能設備的支持。教師可以提前將課件推送到學生手機或平板電腦的微信，允許學生隨時使用智能設備學習，學生的預習情況教師也能隨時查看到。課件中還針對不同的知識點設有相應的交互測試題，學生可以在課件學習過程中向教師反應自己學習的情況。上課時教師還可以查看學生的到課情況，課后作業也可以通過微信進行提交。這些特性讓課件具有時下流行的“微課”、翻轉課堂交互性的特點，讓教師與學生在教學過程中能夠更直接地交流，幫助教師了解學生學習的情況。

機器人課程具體的教學項目如表1所示。

表1 機器人課程具體實踐項目安排表

4 總結

本文提出了基于C51單片機的機器人課程資源的思路，通過一系列具體的項目實踐帶領學生學習，特別適合零基礎學生快速地學習機器人技術，也為其它課程的資源開發提供了新的思路。雖然課程資源的開發也使用了一些多功能的開發工具，大大提高了課程資源的靈活性、趣味性與互動性，不僅方便教師教學，也方便學習者在各個階段的學習，但是仍存在不足之處，例如在智能設備上雨課堂無法播放課件中插入的視頻，課程的內容、資源不夠全面，無法代替其他學科的學習。因此開發并引進合適的豐富的課程資源，使用現代化的教學方式才能最大化地激發學生的學習興趣，讓機器人課程教學為創新型人才的培養發揮更大的促進作用。