段振霞 李 廈 楊 鳴

（上海理工大學(xué)機械工程學(xué)院 上海 200093）

隨著近年來5G技術(shù)及人工智能技術(shù)的發(fā)展，企業(yè)對學(xué)生的多學(xué)科交叉綜合應(yīng)用能力提出了更高的要求，國家為了給人工智能發(fā)展提供更多的優(yōu)秀人才儲備，2016年開始批準(zhǔn)了一批機器人相關(guān)的本科新專業(yè)。機器人專業(yè)作為一個多學(xué)科交叉的專業(yè)，學(xué)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(yīng)用場合越來越廣。然而，很多學(xué)生通過Python理論課學(xué)習(xí)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(yǎng)學(xué)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(shè)基于Python與樹莓派的測溫系統(tǒng)設(shè)計實驗課程。傳統(tǒng)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(dǎo)書，寫出實驗步驟，讓同學(xué)們跟著老師的節(jié)奏完成實驗，主要是驗證性為主，很難挖掘出學(xué)生的創(chuàng)新能力。在實驗的過程中學(xué)生的積極性不高，會覺得實驗枯燥乏味。如何根據(jù)機器人專業(yè)的課程特點，探索出一種行之有效的教學(xué)模式，實現(xiàn)對學(xué)生動手能力、創(chuàng)新能力以及學(xué)生主觀能動性的培養(yǎng)，是一件緊迫的事情?；跈C器人專業(yè)實驗應(yīng)用性強和實踐性強的特點，采用項目驅(qū)動式教學(xué)是一種不錯的嘗試。

1 項目驅(qū)動式教學(xué)模式

項目驅(qū)動式教學(xué)法要求在教學(xué)過程中，設(shè)計一個具體的項目，將教學(xué)內(nèi)容巧妙的隱含在項目中，以項目為線索，以學(xué)生為主體，引導(dǎo)學(xué)生自己發(fā)現(xiàn)問題、提出問題、解決問題。引導(dǎo)學(xué)生從“被動學(xué)習(xí)”到“主動學(xué)習(xí)”。在完成項目的過程中，需要同學(xué)查閱各類資料才能完成任務(wù)，從而鍛煉學(xué)生查閱資料的能力。對項目提出最終要求，不對實現(xiàn)過程做過多干預(yù)，由學(xué)生自己制定實現(xiàn)方案，充分挖掘?qū)W生的創(chuàng)新能力。

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

2 基于Python與樹莓派的測溫控制系統(tǒng)項目驅(qū)動式教學(xué)的實施

基于Python與樹莓派的測溫系統(tǒng)項目，主要針對機器人專業(yè)已學(xué)過Python編程語言及相關(guān)傳感器類課程的大三學(xué)生開設(shè)的一門實踐課。同學(xué)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(xiàn)測溫功能，同時為測溫系統(tǒng)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(tǒng)。

2.1 教學(xué)項目設(shè)計

設(shè)計好教學(xué)項目是項目驅(qū)動式教學(xué)成功實施的先決條件。教學(xué)項目的設(shè)計應(yīng)以教學(xué)內(nèi)容為依據(jù)，應(yīng)體現(xiàn)課程核心知識點，因此要合理選擇項目內(nèi)容，把握好項目內(nèi)容的難易程度，以使學(xué)生能系統(tǒng)地掌握知識。

在機器人專業(yè)實驗課程教學(xué)項目中，設(shè)計了基Python與樹莓派的測溫系統(tǒng)教學(xué)項目。項目中用的硬件設(shè)備會分發(fā)給每組同學(xué)，此項目主要包括以下內(nèi)容：

（1）查閱樹莓派4B開發(fā)入門手冊，學(xué)習(xí)樹莓派的操作系統(tǒng)燒錄方法，Linux系統(tǒng)是樹莓派的官方系統(tǒng)，安裝好系統(tǒng)后學(xué)習(xí)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(xié)議，通過下載Putty工具及VNC工具實現(xiàn)遠程桌面的連接。

（3）查閱資料學(xué)習(xí)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(xué)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(jīng)驗的同學(xué)來說，這里需要花費大量的時間查閱資料學(xué)習(xí)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(xué)們需要自己完成攝像頭的安裝工作，同時需要學(xué)習(xí)OpenCV的使用方法，通過在樹莓派上編程調(diào)用攝像頭，這里需要根據(jù)顯示的屏幕大小調(diào)整顯示大小。

（6）為樹莓派添加人體感應(yīng)模塊和語音播報模塊，當(dāng)有人靠近時，檢測到物體移動到設(shè)定距離時則發(fā)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(xué)習(xí)樹莓派的GPIO引腳的使用方法。

（7）完成整體的結(jié)構(gòu)設(shè)計，同學(xué)需要通過三維軟件畫出結(jié)構(gòu)圖，然后預(yù)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(chǎn)品。這里的結(jié)構(gòu)不做過多約束，學(xué)生可自由發(fā)揮，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維。

2.2 教學(xué)過程實施

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

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

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

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

最后，項目完成的組可以預(yù)約老師進行項目答辯，項目組長負責(zé)匯報整個項目的設(shè)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(nèi)容的詳細講解。每個項目組成員匯報自己具體負責(zé)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(xué)評價方式構(gòu)建

本實驗課程采用項目驅(qū)動式教學(xué)方法，學(xué)生主要通過與老師溝通、學(xué)生之間討論、自主學(xué)習(xí)等方式完成整個項目。所以評價方式就不能采用傳統(tǒng)的評價方式。這里對學(xué)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(xué)的匯報，根據(jù)匯報情況對每個組內(nèi)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(xué)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(jù)每位同學(xué)的答辯情況，結(jié)合小組項目作品的功能完成度、穩(wěn)定性、測溫模塊響應(yīng)時間、結(jié)構(gòu)設(shè)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?yōu)榇疝q成績，占總成績的40%。

（3）組內(nèi)成員之間互評，根據(jù)項目合作過程中的表現(xiàn)給其他成員給出評分，并給出評價依據(jù)，避免同學(xué)之間胡亂給分，此部分成績?yōu)橥瑢W(xué)互評成績，此部分主要是想通過學(xué)生視角來考察同學(xué)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(xué)最后都需要上交一份項目報告，詳細闡述項目整體的設(shè)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(xué)們真正掌握項目的內(nèi)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(biāo)準(zhǔn)，盡可能使得評價結(jié)果能夠真實反映學(xué)生的水平，使得評價結(jié)果公平公正，讓學(xué)生真正學(xué)到知識的同時，也讓同學(xué)們感受到享受回報的喜悅，增加同學(xué)們的成就感與自我認同感。

3 實驗效果分析

項目驅(qū)動式教學(xué)模式，能夠讓同學(xué)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(lián)系實際。在整個過程中需要同學(xué)自己搭建測試系統(tǒng)，可以很好的培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新思維的能力。同時對提高同學(xué)們的主動學(xué)習(xí)的積極性也有很大的促進作用，讓同學(xué)們完成從“學(xué)生”角色到“開發(fā)人員”角色的轉(zhuǎn)變，激發(fā)了大家學(xué)習(xí)的熱情和主動性。對教師來說，項目驅(qū)動式教學(xué)模式改變了傳統(tǒng)的教學(xué)理念，不再采用以課堂講解理論知識，同學(xué)被動接受為主的教學(xué)理念，而是采用項目式教學(xué)方法，讓同學(xué)們通過學(xué)習(xí)可以解決實際問題作為新的教學(xué)理念。

4 結(jié)語

針對目前傳統(tǒng)實驗?zāi)Ｊ街衅毡榇嬖诘膯栴}，結(jié)合機器人專業(yè)的特點，探索開設(shè)基于Python與樹莓派的測溫系統(tǒng)項目驅(qū)動式教學(xué)。通過本實驗項目的學(xué)習(xí)，可以培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用所學(xué)知識的能力、分析和解決實際工程問題的能力，在規(guī)定時間內(nèi)完成所有項目，同時也可以鍛煉學(xué)生的抗壓能力，增加學(xué)生興趣度和積極主動性，實現(xiàn)從被動學(xué)習(xí)到主動學(xué)習(xí)的轉(zhuǎn)變。更好的理論聯(lián)系實際，提高了教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神。

這種教學(xué)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(xué)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。