《智能机器人设计与制作》课程开发与教学改革研究

李笑梅，彭建盛，邹琦萍，杨 凤，宋华宁

（河池学院物理与机电工程学院，广西 宜州546300）

0 引言

随着科技的不断进步，机器人这一新鲜事物离我们越来越近，并且也变得越来越智能化，很多以前只能在科幻电影中看到的情节已经出现在我们的生活中，机器人在各个领域中发挥了不可代替的作用。机器人在各个领域的突出地位，使机器人技术的普及教育在世界各国都受到了高度的重视。美国是第一个开办机器人课程的国家，早在1994年机器人就首次走进美国的大学课堂[1]。虽然日本起步比美国慢，但日本在国民的每个学段一直都很重视机器人的教育，每个学段都开设机器人课程[2]。伴随着机器人课程的兴起，各国政府纷纷提倡开办机器人课程。2003年4月我国正式将机器人知识划为中小学选修内容，使我国的机器人课程有了初步的发展[3]。2013年我国把南京、常州等地区作为机器人课程开办的试行点，经过不断的努力和尝试，机器人课程的开办取得优异的成绩[4]。实践表明，机器人课程在创新思维能力与综合实践能力培养等方面具有显著的效果[5]。国家已经把培养高素质的智能机器人研究人才纳入国家“人才储备计划”[6]。机器人课程的开办对创新型人才的培养具有重要意义，其多学科交叉融合的特性为培养复合型人才提供了一个良好的平台[7]。

1 课程开发现状

1.1 传统教学方式存在的问题

以与机器人技术密切相关的《单片机技术》课程来说，课程资源只有教科书和实验箱。传统的教学方式一般是先开设理论课，然后再开设单片机实验课，在固定功能和器件毫无扩展性的实验箱上进行一些验证性的实验，都是为了做实验而做实验。因此传统的教学方式最大的弊端是无法调动学生的学习兴趣，磨灭了学生学习的积极性，直接导致学生无法充分理解和吸收教师讲授内容，甚至直接漠视[8]。对于初学者来说，因为单片机机器人学习的过程中需要相当复杂的操作，如果只使用传统的课程资源，把理论课和实验课分开进行，学生只能暂时被动的接受课本的知识，无法一次性记住，也就无法将所学的理论知识运用到实验课上，导致所学的知识无法被理解消化。

1.2 现有课程资源的不足

伴随着互联网对各行业渗透力的不断增加，课程资源的开发方法也越来越多。从课件的设计方法来看，早期的课件是与教材相互配套多张透明胶片，教师可以用钢笔在胶片上书写教学的知识点，然后通过胶片投影仪投影出来。进入互联网时代后，课件的制作可以利用Power Point在电脑上完成，近几年又出现了微课、慕课、翻转课堂等新鲜的教学方式，但是微课、慕课、翻转课堂的课件制作相当复杂，需要付费购买多种制作软件，先制作出各种零散的素材，然后再利用素材进行课件设计，需要花费大量的时间学习、制作。

1.3 教学资源匮乏

机器人教育教学的开展需要有教学资源的支持，从硬件资源上看，由于机器人教育刚刚兴起，国内很少有专门用于机器人教学的产品，只能引进一些国外的产品，例如丹麦乐高集团的产品，但乐高的产品非常昂贵，导致机器人教育无法得到普及。从软件资源上看，现在的教育机器人设备只配有专用的学习软件。由于机器人课程是一门新兴的学科，机器人的教学资源还比较欠缺，即使是机器人教材配套的资源也只有简单的产品介绍或使用说明，无法作为课程资源。

综上所述，机器人技术涉及很多学科的知识，可以综合地培养学生的信息素养、技术素养和创新能力素养[9]。传统学科的课程资源与教学方式已不能适用在机器人课程上，改进传统的教学方式，开发能够适应现代化教学的机器人课程资源，有利于促进机器人课程的正常开展。

2 机器人课程资源开发原则

2.1 与传统学科相结合

机器人课程涉及很多传统的学科知识，例如单片机编程、电子电路、传感器技术等都与机器人技术紧密相关。虽然这些学科在很多的理工科专业都有开设，但在传统的教学中这些学科都是相互独立的。根据机器人课程与传统学科相结合的课程资源开发原则，将教学机器人作为传统学科的实训设备，把各个学科的内容相互联系起来，让每个学科的知识在教育机器人上尽其所用，这样即能让机器人教育得到普及和发展，又能对传统的学科知识进行巩固并加以运用，还可以提高学生学习探索的兴趣。

2.2 教学内容项目化

针对传统教学方式保守、落后的弊端，提出将机器人教育课程的知识制定成相对独立的小项目来进行教学。从教师授课的角度来看，教师以教授学生完成项目实践为目标，教授完一个项目要点后指导学生使用教育机器人硬件资源进行项目实践，完成教学任务。从学生学习的角度来看，学生以完成当次课的实践项目为学习的目标，教师每讲完一个项目的知识后，就使用教育机器人设备进行项目实践训练，完成基本项目后学生还可以根据自己的想法进行拓展，很好地培养了学生的创新思维。此项目式教学，不仅教师授课的思路很清晰，而且学生学习的目的也很明确，避免教师为了讲课而讲课、学生学习漫无目的、无事可干的问题，大大增强了课堂的趣味性。

2.3 开发在线教学资源

由于传统课堂中理论学习与动手实践训练分离，甚至只有理论学习环节，没有实践训练内容，学生只能被动的接受教师教授的课本知识，导致学生抵不住手机的诱惑在课堂上玩手机。所以最有效的办法就是让手机、平板电脑等智能设备变成学习的工具，让学生在“玩手机”中也可以学习，避免手机使用问题影响教学。

3 课程内容设计

本课程采用C语言作为单片机机器人的编程语言，在教学机器人上迅速深入学习C语言的各种灵活功能，很好地将C语言的理论知识运用到实际项目开发中。针对机器人课程、单片机编程及自动化控制的初学者，从机器人的组装开始，根据C51单片机机器人课程实践项目的知识需求，将课程内容划分成多个单独的项目，符合项目化教学内容的课程资源开发原则。

为了把手机、平板电脑等智能设备变成学习的工具，本课程课件添加了对智能设备的支持。教师可以提前将课件推送到学生手机或平板电脑的微信，允许学生随时使用智能设备学习，学生的预习情况教师也能随时查看到。课件中还针对不同的知识点设有相应的交互测试题，学生可以在课件学习过程中向教师反应自己学习的情况。上课时教师还可以查看学生的到课情况，课后作业也可以通过微信进行提交。这些特性让课件具有时下流行的“微课”、翻转课堂交互性的特点，让教师与学生在教学过程中能够更直接地交流，帮助教师了解学生学习的情况。

机器人课程具体的教学项目如表1所示。

表1 机器人课程具体实践项目安排表

4 总结

本文提出了基于C51单片机的机器人课程资源的思路，通过一系列具体的项目实践带领学生学习，特别适合零基础学生快速地学习机器人技术，也为其它课程的资源开发提供了新的思路。虽然课程资源的开发也使用了一些多功能的开发工具，大大提高了课程资源的灵活性、趣味性与互动性，不仅方便教师教学，也方便学习者在各个阶段的学习，但是仍存在不足之处，例如在智能设备上雨课堂无法播放课件中插入的视频，课程的内容、资源不够全面，无法代替其他学科的学习。因此开发并引进合适的丰富的课程资源，使用现代化的教学方式才能最大化地激发学生的学习兴趣，让机器人课程教学为创新型人才的培养发挥更大的促进作用。