基于項目驅動的機器人專業實驗課程教學探索

段振霞 李 廈 楊 鳴

（上海理工大學機械工程學院 上海 200093）

隨著近年來5G技術及人工智能技術的發展，企業對學生的多學科交叉綜合應用能力提出了更高的要求，國家為了給人工智能發展提供更多的優秀人才儲備，2016年開始批準了一批機器人相關的本科新專業。機器人專業作為一個多學科交叉的專業，學生不僅需要掌握扎實的工科知識，同時需要具有較強的編程控制能力。Python作為目前比較流行的編程語言之一，其應用場合越來越廣。然而，很多學生通過Python理論課學習只能在計算機上編程做些運算分析，沒有機會親自實踐編程來控制硬件，無法真正培養學生的解決工程實際問題的能力。針對這一情況，我們探索開設基于Python與樹莓派的測溫系統設計實驗課程。傳統的實驗課程一般采用老師講解實驗中的理論知識，然后編寫實驗指導書，寫出實驗步驟，讓同學們跟著老師的節奏完成實驗，主要是驗證性為主，很難挖掘出學生的創新能力。在實驗的過程中學生的積極性不高，會覺得實驗枯燥乏味。如何根據機器人專業的課程特點，探索出一種行之有效的教學模式，實現對學生動手能力、創新能力以及學生主觀能動性的培養，是一件緊迫的事情。基于機器人專業實驗應用性強和實踐性強的特點，采用項目驅動式教學是一種不錯的嘗試。

1 項目驅動式教學模式

項目驅動式教學法要求在教學過程中，設計一個具體的項目，將教學內容巧妙的隱含在項目中，以項目為線索，以學生為主體，引導學生自己發現問題、提出問題、解決問題。引導學生從“被動學習”到“主動學習”。在完成項目的過程中，需要同學查閱各類資料才能完成任務，從而鍛煉學生查閱資料的能力。對項目提出最終要求，不對實現過程做過多干預，由學生自己制定實現方案，充分挖掘學生的創新能力。

近年來很多教育工作者開始關注和嘗試采用項目式教學方法教學，但相關的研究較少，由于理論體系尚不完善，教師的能力素質也不盡相同，從而導致教學效果參差不齊。故對項目式驅動教學模式進行研究，如何結合具體課程特點應用于教學實踐中，是非常必要的。

2 基于Python與樹莓派的測溫控制系統項目驅動式教學的實施

基于Python與樹莓派的測溫系統項目，主要針對機器人專業已學過Python編程語言及相關傳感器類課程的大三學生開設的一門實踐課。同學采用Python作為編程語言，樹莓派作為硬件平臺，添加測溫模塊實現測溫功能，同時為測溫系統加入視覺模塊、超聲波測距模塊和語音模塊，最終完成一款可以測量體溫、語音播報、人臉圖片保存的測溫系統。

2.1 教學項目設計

設計好教學項目是項目驅動式教學成功實施的先決條件。教學項目的設計應以教學內容為依據，應體現課程核心知識點，因此要合理選擇項目內容，把握好項目內容的難易程度，以使學生能系統地掌握知識。

在機器人專業實驗課程教學項目中，設計了基Python與樹莓派的測溫系統教學項目。項目中用的硬件設備會分發給每組同學，此項目主要包括以下內容：

（1）查閱樹莓派4B開發入門手冊，學習樹莓派的操作系統燒錄方法，Linux系統是樹莓派的官方系統，安裝好系統后學習樹莓派的基本操作方法。

（2）為樹莓派配置遠程桌面連接，采用SSH協議，通過下載Putty工具及VNC工具實現遠程桌面的連接。

（3）查閱資料學習如何成功的安裝 OpenCV、Pandas、NumPy等各類Python庫，這幾類庫安裝的過程較長且很容易報錯，需要同學們自己分析可能的原因，以及采取必要的措施保證安裝成功。

（4）為樹莓派添加測溫模塊，測溫模塊采用串口通信方式，對于沒有工程經驗的同學來說，這里需要花費大量的時間查閱資料學習串口通信的知識。

（5）為樹莓派添加視覺模塊，此項目采用微雪樹莓派專用攝像頭，此攝像頭采用CSI通信方式，同學們需要自己完成攝像頭的安裝工作，同時需要學習OpenCV的使用方法，通過在樹莓派上編程調用攝像頭，這里需要根據顯示的屏幕大小調整顯示大小。

（6）為樹莓派添加人體感應模塊和語音播報模塊，當有人靠近時，檢測到物體移動到設定距離時則發出高電平信號，語音播報模塊則會提醒測量體溫。這里需要學習樹莓派的GPIO引腳的使用方法。

（7）完成整體的結構設計，同學需要通過三維軟件畫出結構圖，然后預約到實驗室里通過3D打印機打印出框架及外殼，最終形成一個完整的產品。這里的結構不做過多約束，學生可自由發揮，培養學生的創新思維。

2.2 教學過程實施

教學過程實施主要以項目為線索，教師為主導學生為主體，通過課堂上的講解與互動、學生之間的討論、課外小組成員之間的協作等手段來推動項目的實施。

首先，召集所有同學到實驗室，給同學們演示項目最終實現的功能，讓同學們對自己要做的項目有個了解，知道最終要實現哪些功能，引起同學們的興趣，同時做到心中有數。

然后，對整個項目進行分解，分解成多個具體的小任務，每個功能模塊作為一個小任務，并逐一講解每個任務的重點、難點以及每個任務完成的時間節點。

接著，對同學進行分組，2-3個同學一組，每個組推選一個組長作為項目負責人，負責管理整個項目的進度，督促項目組成員按時完成任務。

最后，項目完成的組可以預約老師進行項目答辯，項目組長負責匯報整個項目的設計思路，方案選擇，實施過程，實施過程中遇到的問題以及解決問題的思路，以及自己具體做的那部分內容的詳細講解。每個項目組成員匯報自己具體負責模塊的實施過程，詳細講解自己的程序框架和具體代碼。

2.3 教學評價方式構建

本實驗課程采用項目驅動式教學方法，學生主要通過與老師溝通、學生之間討論、自主學習等方式完成整個項目。所以評價方式就不能采用傳統的評價方式。這里對學生的評價主要是通過以下幾點來實施：

（1）每周老師與每個小組開一次項目討論交流會議，會聽取每個同學的匯報，根據匯報情況對每個組內成員進行評價，這個評價作為平時成績，所有會議的評價成績相加取平均值就是學生的最終平時成績，平時成績占總成績的30%。

（2）項目完成需要每個小組進行項目答辯，根據每位同學的答辯情況，結合小組項目作品的功能完成度、穩定性、測溫模塊響應時間、結構設計合理性及外殼美觀性等幾個方面進行綜合評價，此部分的成績為答辯成績，占總成績的40%。

（3）組內成員之間互評，根據項目合作過程中的表現給其他成員給出評分，并給出評價依據，避免同學之間胡亂給分，此部分成績為同學互評成績，此部分主要是想通過學生視角來考察同學的項目貢獻度與參與度，由于此部分有可能會存在一定的非客觀性，所以此部分成績占比較少，占總成績的10%。

（4）每個同學最后都需要上交一份項目報告，詳細闡述項目整體的設計思路，著重介紹自己完成部分的實施過程及問題解決思路，自己編寫代碼的整體框架及對每條語句做出解釋，使同學們真正掌握項目的內容，此部分為報告成績，占總成績的20%。

本實驗采用多維度的評價標準，盡可能使得評價結果能夠真實反映學生的水平，使得評價結果公平公正，讓學生真正學到知識的同時，也讓同學們感受到享受回報的喜悅，增加同學們的成就感與自我認同感。

3 實驗效果分析

項目驅動式教學模式，能夠讓同學有機會體驗一個完整的項目流程。通過完成項目的過程中加深對理論知識的理解，更好的實線理論聯系實際。在整個過程中需要同學自己搭建測試系統，可以很好的培養學生的動手能力和創新思維的能力。同時對提高同學們的主動學習的積極性也有很大的促進作用，讓同學們完成從“學生”角色到“開發人員”角色的轉變，激發了大家學習的熱情和主動性。對教師來說，項目驅動式教學模式改變了傳統的教學理念，不再采用以課堂講解理論知識，同學被動接受為主的教學理念，而是采用項目式教學方法，讓同學們通過學習可以解決實際問題作為新的教學理念。

4 結語

針對目前傳統實驗模式中普遍存在的問題，結合機器人專業的特點，探索開設基于Python與樹莓派的測溫系統項目驅動式教學。通過本實驗項目的學習，可以培養學生綜合應用所學知識的能力、分析和解決實際工程問題的能力，在規定時間內完成所有項目，同時也可以鍛煉學生的抗壓能力，增加學生興趣度和積極主動性，實現從被動學習到主動學習的轉變。更好的理論聯系實際，提高了教學質量，培養學生的創新精神。

這種教學模式的實施，對實驗老師提出了更高的要求，也增加了很多的工作量，但是對學生的快速成長是非常有利的，所以還是非常有必要去嘗試與探索。