江巨浪，劉國明

（安慶師范大學電子工程與智能制造學院，安徽安慶246133）

以培養(yǎng)學生創(chuàng)新精神與創(chuàng)新能力為價值導向，培養(yǎng)適應創(chuàng)新型國家建設需要的高水平創(chuàng)新人才，是我國高等教育的一項重要使命，也是當前高等學校教育教學改革的重要內容之一[1]。在高等學校開設機器人教育公選課，是提高大學生綜合素質、培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的一種有益嘗試。與專業(yè)選修課不同，公選課開設對象來自各個不同專業(yè)與不同年級的大學生。學生在學習專業(yè)知識的同時，可以通過該課程拓寬思維與視野，學習到更多的綜合性知識與技能。機器人教育作為一門具有較強實踐性質的公選課，融合了機械、計算機、電子信息、控制工程、人工智能等眾多學科的理論與實踐，創(chuàng)新教育效果明顯[2]。本文從課程特點出發(fā)，對機器人教育公選課的具體課程內容與教學方法進行探討。

1 教學內容設計

課程選用Arduino作為開發(fā)平臺，實驗設備主要包括Arduino uno基礎開發(fā)板、BigFish擴展板和若干種類傳感器?；陂_放軟件Arduino IDE，采用ArduBlock圖形化編程。該編程方式簡單、直觀、有趣，適用于高校公選課的不同專業(yè)背景的學生[3]。以簡單的教學案例入手，通過課程學習簡單機器人的典型電路與機械結構，掌握機器人運動控制的基本原理與編程方法。在教學案例基礎上，學生還可以在課外進一步自主創(chuàng)新，設計更為復雜的結構，開發(fā)新的功能。以高校公選課較為典型的30學時為例，機器人教育可以設為10次課程。首次課程安排為知識預備課，了解有關電子器件基本模塊、簡單機械結構和編程基礎知識。最后一次課程進行實驗項目考核與答辯。中間8次課分別完成8個實驗教學案例，以下是教學案例的具體內容設計。

萬向輪小車裝配與運動實驗。把雙輪、電機、萬向輪、電池和控制板組裝在小車底板上，通過編程實現(xiàn)小車運動。小車運動方式包括前進、后退、轉向和原地旋轉等4個動作。使用AnalogWrite（）函數對電機轉速進行控制，使小車正確完成目標動作。

智能小車跟蹤實驗。近紅外傳感器可以發(fā)射并接收反射的紅外信號，有效檢測范圍在20 cm以內。在智能小車的左前側和右前側安裝兩個近紅外傳感器，當某一側傳感器檢測到被跟蹤物體時則向該側方向跟進。當兩個傳感器都檢測到物體時則正向前進，反之停止。通過DigitalRead（）函數讀取傳感器觸發(fā)狀態(tài)，用于對電機進行控制。

智能小車避障實驗。小車從無障礙區(qū)出發(fā)，當感應到前進路上障礙物后，根據障礙物位置選擇下一步行進方向。使用3個觸須傳感器，分別安裝在小車的正前方、左前方和右前方。觸須傳感器可以檢測到物體對彈簧觸須的有效觸動，安裝時彈簧與地面平行，有效觸動角度45°。編寫代碼，使小車在觸須傳感器被觸發(fā)時正確選擇后退、左轉和右轉等動作。

超聲波測距實驗。使用HC-SR04超聲波測距模塊，模塊包括超聲波發(fā)生器、接收器與控制電路，可提供2 cm～400 cm 的非接觸式距離感測功能，測距精度可達到3 mm。首先使用SR04（ECHO_PIN,TRIG_PIN）函數創(chuàng)建一個測距模塊實例，其中TRIG_PIN和ECHO_PIN分別是模塊的發(fā)射和接收端口；然后對該實例調用Distance（）函數則可獲得測量的距離；最后用Serial.println（）函數將測距結果在通信串口監(jiān)視器顯示。

灰度傳感器循跡實驗。用黑色絕緣膠帶在白色場地上鋪設一條黑色軌跡，如圖1所示。在小車的前端安裝3個灰度傳感器。由于不同顏色檢測面對光的反射強度存在差異，灰度傳感器的光敏電阻對不同反射光強呈現(xiàn)不同阻值，從而實現(xiàn)對黑白顏色的檢測。當中間傳感器脫離黑色軌跡時，通過側面?zhèn)鞲衅鳈z測到黑色軌跡，從而正確調整小車前進方向。

無線遙控小車控制實驗。使用兩個NRF無線通信模塊，并將其中一個安裝在Birdmen擴展板上作為遙控手柄，此為主控端master。另一個安裝在小車上作為受控端slave。通過函數ADGe（t）讀取搖桿傳感器的值，然后將傳感器值通過通信數據串口，無線傳送到slave端，獲取并分析主控端傳來的數據，進而控制小車動作。

單自由度機械手抓取目標實驗。使用舵機、機械手指、雙足連桿和齒輪，組裝一個單自由度機械手，如圖2所示。將機械手安裝在小車上，結合超聲波測距模塊，小車可以測出目標物距離，并自行調整到合適位置。運用servo.write（）函數調節(jié)舵機的旋轉角度，進而控制機械手抓取范圍，完成對目標物的抓取動作。

圖1 傳感器循跡實驗示意圖

圖2 單自由度機械手結構示意圖

六足機器人三角步態(tài)運動試驗。六足機器人共有兩組腿，身體一側的前足、后足與另一側的中足為一組腿，如圖3中A、C和E為一組腿，B、D和F為另一組腿，每組腿的三足呈現(xiàn)三角形步態(tài)。當圖3中的A、C和E朝虛線方向運動時，機器人隨之向前移動。兩組腿在支撐相與擺動相之間交替轉換，即可實現(xiàn)連續(xù)行走。了解六足機器人結構，并完成組裝和編寫代碼，控制機器人完成前進、后退和轉彎動作。

圖3 六足機器人行走方式示意圖

2 教學方法與成績考核

強化學生的自主學習與實踐。課程涉及的多個學科理論知識，作為學校公選課不能要求學生對相關理論進行系統(tǒng)學習。在理論內容的深度與廣度要求方面，以完成實驗項目為目標，以夠用為原則，以自主學習為主要方式。課前預習是課程教學的重要環(huán)節(jié)，預先向學生發(fā)放學習指導資料，充分運用視頻、動畫、圖片等直觀方式，讓學生了解每次實驗的基本任務與方法。在實驗課堂中，教師首先做簡要的示范講解，剩余時間由學生動手實踐，教師現(xiàn)場指導與答疑。

培養(yǎng)團隊協(xié)作意識。在實驗課程中，從程序編寫、硬件組裝與調試，以及項目答辯，都是由團隊方式進行，團隊人數建議為2至3人。教師在實驗過程中加強監(jiān)督與管理，確保每一位學生的參與度。在合作中培養(yǎng)學生團隊協(xié)作意識，發(fā)揮團隊作用。

成績考核方式綜合化。成績考核作為公選課教學效果的重要評價手段，對教師教學和學生學習具有重要的導向作用[4]。針對課程的團隊協(xié)作與實踐性較強的特點，課程成績由平時成績與綜合考核成績構成。平時成績主要由出勤率、實驗完成度、實驗規(guī)范性、實驗參與度等環(huán)節(jié)構成；綜合考核成績由課程學習總結、項目演示與答辯等環(huán)節(jié)構成，主要考察學生綜合能力。

3 結束語

本文選用Arduino 作為開發(fā)平臺，采用較為直觀的ArduBlock 圖形化編程方式，具體設計了高校機器人教育公選課的教學案例，并針對課程特點對教學方法與考核方法提出了建議。機器人技術是一門多學科高度交叉的前沿學科。在高校開設機器人教育公選課，需要面對專業(yè)知識跨度大、教學學時少、學生基礎差異大、課程實踐性強等復雜情況，在教學模式與教學方法的研究上有待做更深入的探索。