基于任務(wù)驅(qū)動法的移動機(jī)器人視覺實(shí)訓(xùn)教學(xué)研究

郭崇光，鄧三鵬，鄭建華

（1.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)機(jī)器人及智能裝備研究所，天津300222；2.云南省玉溪技師學(xué)院，云南 玉溪653100）

0 引言

當(dāng)前機(jī)器人技術(shù)型人才的培養(yǎng)主要包括工業(yè)機(jī)器人技術(shù)和移動機(jī)器技術(shù)。在工科類職業(yè)院校中，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)專業(yè)相對普遍，其課程體系與教學(xué)方法也相對比較完善。而移動機(jī)器人技術(shù)在專業(yè)建設(shè)和課程教學(xué)方面仍有不足。在移動機(jī)器人技術(shù)課程教學(xué)內(nèi)容中，機(jī)器視覺技術(shù)占據(jù)著核心位置，像顏色識別，視覺測量和物體的追蹤與標(biāo)定等技術(shù)是移動機(jī)器人智能化的關(guān)鍵[1]。當(dāng)下的移動機(jī)器人視覺實(shí)訓(xùn)課程實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺多使用偏底層的C或C++程序語言進(jìn)行編程控制，這對編程基礎(chǔ)弱的學(xué)生來說入門較難[2]。設(shè)計(jì)了一種入門相對簡單的競賽型移動機(jī)器人視覺教學(xué)實(shí)訓(xùn)平臺，該實(shí)訓(xùn)平臺采用圖形化編程的LabVIEW軟件平臺，其相對文本式編程簡單，讓學(xué)生專注于移動機(jī)器人視覺的學(xué)習(xí)。此外，移動機(jī)器人教學(xué)實(shí)訓(xùn)課程教學(xué)中，以老師為中心的指導(dǎo)式教學(xué)方法占據(jù)主導(dǎo)，指導(dǎo)式教學(xué)方法要求老師在課堂上進(jìn)行每一環(huán)節(jié)的示范指導(dǎo)，這種教學(xué)方法不僅加重老師的工作量，也不利于學(xué)生自主性發(fā)揮[3]。本研究提出了一種以學(xué)生為主體的任務(wù)驅(qū)動式實(shí)訓(xùn)教學(xué)法。任務(wù)驅(qū)動式教學(xué)法以解決實(shí)際問題為目的，多層次全面分解課程內(nèi)容，同時(shí)減少老師的干預(yù)，給予學(xué)生自主學(xué)習(xí)權(quán)，充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

1 移動機(jī)器人視覺實(shí)訓(xùn)課程教學(xué)平臺設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的競賽型移動機(jī)器人實(shí)訓(xùn)平臺采用NI的myRIO1900控制器為核心（如圖1所示），微軟LifeCam網(wǎng)絡(luò)高清攝像機(jī)作為視覺傳感器，本體采用鋁型材搭建，軟件開發(fā)采用圖形化編程的LabVIEW，LabVIEW軟件開發(fā)工具內(nèi)部有大量的例程模塊與函數(shù)包，因此學(xué)生使用LabVIEW進(jìn)行視覺數(shù)據(jù)的采集與處理分析變得簡單快捷。

圖1 移動機(jī)器人實(shí)訓(xùn)平臺與myRIO控制器

在2017博諾杯移動機(jī)器人大賽和2018“一帶一路”暨金磚國家技能發(fā)展與技術(shù)創(chuàng)新大賽移動機(jī)器人賽項(xiàng)中，該移動機(jī)器人作為比賽平臺，學(xué)生不僅可以利用它進(jìn)行各種條件下的視覺識別，還可以根據(jù)自己的想法進(jìn)行改裝，充分發(fā)揮自己的創(chuàng)造力[4]。

2 任務(wù)驅(qū)動法在視覺實(shí)訓(xùn)課程的研究

2.1 任務(wù)驅(qū)動教學(xué)法

任務(wù)驅(qū)動教學(xué)法源于教育家皮亞杰、維果斯基等人提出的建構(gòu)主義教學(xué)理論。建構(gòu)主義認(rèn)為，知識的獲取不是完全依靠教師，而是學(xué)習(xí)者借助其他人（包括教師和學(xué)習(xí)伙伴）的幫助，利用必要的學(xué)習(xí)資料通過意義建構(gòu)方式獲得的[5]。任務(wù)驅(qū)動式教育理念改變了實(shí)訓(xùn)教學(xué)中教師的主導(dǎo)地位，以學(xué)生完成具體項(xiàng)目任務(wù)為學(xué)習(xí)動機(jī)，在實(shí)訓(xùn)教學(xué)中為學(xué)生創(chuàng)建解決問題的環(huán)境，幫助學(xué)生在解決問題中活化知識，充分體現(xiàn)了以學(xué)生為主體，學(xué)用結(jié)合的教學(xué)理念。

2.2 任務(wù)驅(qū)動教學(xué)的設(shè)計(jì)

任務(wù)驅(qū)動式教學(xué)法的具體教學(xué)流程如圖2，先確定實(shí)訓(xùn)課程的教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)內(nèi)容，把教學(xué)內(nèi)容拆分成多個(gè)包含教學(xué)知識點(diǎn)的目標(biāo)任務(wù)，學(xué)生以3～5人一組接受目標(biāo)任務(wù)，然后進(jìn)行組內(nèi)討論制定技術(shù)方案，最后執(zhí)行。在整個(gè)過程中老師僅僅作為一個(gè)引導(dǎo)和顧問的角色，向?qū)W生解疑答惑。學(xué)生完成任務(wù)后，老師把小組任務(wù)完成情況與教學(xué)目表進(jìn)行對比和評價(jià)。

圖2 任務(wù)驅(qū)動式移動機(jī)器人視覺系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)教學(xué)流程圖

2.3 任務(wù)式教學(xué)內(nèi)容

如表1，任務(wù)式教學(xué)內(nèi)容源于趣味性的實(shí)際任務(wù)，每個(gè)實(shí)際任務(wù)包含要求學(xué)生掌握的知識內(nèi)容，這樣既可以體現(xiàn)移動機(jī)器人視覺技術(shù)的實(shí)訓(xùn)，又能把握實(shí)訓(xùn)課程的知識目標(biāo)。

表1 任務(wù)式教學(xué)內(nèi)容

2.4 考核與評價(jià)

對學(xué)生進(jìn)行考核與評價(jià)有助于學(xué)生了解自身的知識技能水平，找出自身的不足并改進(jìn)。老師可以通過考核與評價(jià)掌握課程進(jìn)度，把握教學(xué)節(jié)奏，了解整個(gè)教學(xué)工作效率。任務(wù)驅(qū)動教學(xué)法所采用的評價(jià)主要有三種，第一是小組內(nèi)評價(jià)，包括組內(nèi)互評和自我評價(jià)，整個(gè)過程由老師作為監(jiān)督；第二是學(xué)生平時(shí)學(xué)習(xí)的評價(jià)，主要有作業(yè)完成情況，遲到曠課早退記錄等；最后根據(jù)學(xué)生任務(wù)完成情況進(jìn)行評價(jià)?？己酥饕ㄩ]卷考核和實(shí)踐操作考核，閉卷考核是整個(gè)實(shí)踐操作的知識點(diǎn)，如正確操作事項(xiàng)、顏色識別編程內(nèi)容等，實(shí)踐操作考核是學(xué)生對每項(xiàng)任務(wù)的實(shí)踐操作。如表2，選取了任務(wù)一的實(shí)踐考核標(biāo)準(zhǔn)作為示例。

表2 實(shí)踐考核標(biāo)準(zhǔn)示范表

3 結(jié)束語

移動機(jī)器人視覺實(shí)訓(xùn)課程具有較強(qiáng)的專業(yè)性與應(yīng)用性。以富有趣味性和綜合性的移動機(jī)器人作為實(shí)訓(xùn)平臺，在移動機(jī)器人視覺實(shí)訓(xùn)課程教學(xué)中不僅鍛煉了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，通過完成項(xiàng)目任務(wù)，學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性也得到了提升；同時(shí)用情節(jié)真實(shí)的實(shí)例呈現(xiàn)問題，創(chuàng)造解決問題的環(huán)境，培養(yǎng)了學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題，獨(dú)立思考解決問題的能力。