劉 佳，劉紅寧

（石家莊學(xué)院 機(jī)電學(xué)院，河北 石家莊 050035）

0 引言

經(jīng)濟(jì)全球化發(fā)展催生的機(jī)器人、人工智能等新興科技使得傳統(tǒng)的工程教育體系無(wú)法適應(yīng)新工科的要求，尤其是機(jī)械工程專業(yè)，面臨如何培養(yǎng)跨學(xué)科多專業(yè)人才的巨大挑戰(zhàn). 伴隨裝備制造業(yè)對(duì)智能機(jī)器人需求的不斷增加，作為機(jī)電產(chǎn)品智能化重要標(biāo)志的視覺(jué)移動(dòng)機(jī)器人受到越來(lái)越多工科院校的關(guān)注. 因此，為培養(yǎng)符合現(xiàn)代工程需求的新工科人才，面向機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化專業(yè)的學(xué)生開(kāi)設(shè)了視覺(jué)機(jī)器人巡線的實(shí)驗(yàn)課程，旨在探索如何將基于視覺(jué)的圖像采集與處理技術(shù)引入具有機(jī)械專業(yè)背景學(xué)生的教學(xué)模式，培養(yǎng)具有嵌入式系統(tǒng)、圖像識(shí)別與處理、機(jī)電控制等技術(shù)能力的復(fù)合型專業(yè)人才.

國(guó)內(nèi)外高校和研究機(jī)構(gòu)對(duì)此做了大量的探索和實(shí)踐工作，并取得了良好的效果. 底特律大學(xué)（UDM）[1，2]以包括移動(dòng)機(jī)器人在內(nèi)的多種教具作為教學(xué)平臺(tái)，采用基于項(xiàng)目學(xué)習(xí)（Project-based Learning，PBL）的教學(xué)模式，著重解決培訓(xùn)過(guò)程中遇到的機(jī)械和電子的各種工程問(wèn)題. 文獻(xiàn)[3-9]分別設(shè)計(jì)了基于視覺(jué)的移動(dòng)機(jī)器人作為教學(xué)平臺(tái)，采用PBL 教學(xué)模式，以實(shí)際任務(wù)為主線開(kāi)展教學(xué)活動(dòng). 在中國(guó)，北京航空航天大學(xué)機(jī)器人研究所[10]將PBL 教學(xué)模式引入機(jī)電一體化課程，通過(guò)創(chuàng)意之星模塊化機(jī)器人走迷宮比賽的課程實(shí)踐，取得了良好的教學(xué)效果. 劉泉等[11]基于PBL 教學(xué)模式開(kāi)展了3D 打印技術(shù)打造智能義肢的教學(xué)實(shí)踐活動(dòng).

但是這些探索與研究工作存在以下兩方面的缺憾：1）由于課程的開(kāi)設(shè)對(duì)象大多具有計(jì)算機(jī)的專業(yè)背景，而對(duì)于沒(méi)有計(jì)算機(jī)專業(yè)背景的學(xué)生則多側(cè)重于趣味性，忽視了對(duì)于圖像采集與處理這一核心基礎(chǔ)知識(shí)的學(xué)習(xí). 2）在教學(xué)模式的選擇上，單純以項(xiàng)目為主線、以結(jié)果為導(dǎo)向的教學(xué)模式忽視了專業(yè)背景對(duì)知識(shí)消化吸收難易程度的影響，一些學(xué)生可能會(huì)因?yàn)榛A(chǔ)知識(shí)的晦澀難懂而削弱其作為學(xué)習(xí)主體的積極性，最終盡管完成預(yù)定的各項(xiàng)任務(wù)，卻喪失了學(xué)習(xí)熱情.

基于此，提出了基于競(jìng)爭(zhēng)學(xué)習(xí)（Competition-based Learning，CBL）的教學(xué)模式：在傳統(tǒng)項(xiàng)目式教學(xué)的基礎(chǔ)上引入競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制，旨在探索將圖像采集與處理技術(shù)融入具有機(jī)械專業(yè)背景的學(xué)生課堂的跨學(xué)科多專業(yè)人才培養(yǎng)模式.

1 CBL 教學(xué)模式

與傳統(tǒng)的PBL 教學(xué)模式相比，CBL 教學(xué)模式具有以下特點(diǎn)：

1）在各小組間引入競(jìng)爭(zhēng)，能夠激勵(lì)學(xué)生不斷發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，并提出改進(jìn)措施，以期在后續(xù)的比賽中取得優(yōu)異成績(jī). 客觀上，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，鍛煉了學(xué)生的創(chuàng)新能力.

2）對(duì)于具備一定潛質(zhì)的學(xué)生，能夠充分調(diào)動(dòng)其主觀能動(dòng)性. 以基于視覺(jué)的智能移動(dòng)機(jī)器人（VBIMR）為教學(xué)平臺(tái)，將課程內(nèi)容分解為若干實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，以VBIMR 巡線競(jìng)速比賽為競(jìng)賽任務(wù)，將學(xué)生分成每組3～4 人的小組，讓學(xué)生以小組的形式在任課教師與助教的引導(dǎo)下開(kāi)展學(xué)習(xí)研究. 在學(xué)習(xí)過(guò)程中，學(xué)生不僅需要對(duì)機(jī)械、驅(qū)動(dòng)、圖像采集與處理、控制等方面的知識(shí)結(jié)合理論課的講解進(jìn)行自我消化與鞏固，而且還需要查閱文獻(xiàn)解決遇到的實(shí)際問(wèn)題，將理論與實(shí)踐相結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目任務(wù)的完成，并在競(jìng)速比賽中取得優(yōu)異成績(jī).

2 實(shí)驗(yàn)任務(wù)與教學(xué)過(guò)程

2.1 實(shí)驗(yàn)任務(wù)

實(shí)驗(yàn)任務(wù)的主題為“VBIMR 巡線”，如圖1 所示. 實(shí)驗(yàn)任務(wù)的內(nèi)容是學(xué)習(xí)包括單片機(jī)的應(yīng)用、圖像采集、基于視覺(jué)的舵機(jī)和電機(jī)控制在內(nèi)的基礎(chǔ)理論知識(shí)，并完成相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)任務(wù)，進(jìn)而綜合運(yùn)用上述結(jié)果實(shí)現(xiàn)VBIMR 在賽道上的平穩(wěn)運(yùn)行，并在最終的競(jìng)速比賽中取得優(yōu)異成績(jī).

圖1 視覺(jué)機(jī)器人巡線

需要特別指出的是，本項(xiàng)實(shí)驗(yàn)任務(wù)分為兩個(gè)層次，每個(gè)學(xué)生必須完成對(duì)應(yīng)于每個(gè)知識(shí)點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)任務(wù)，以保證達(dá)到基本教學(xué)目的，屬于較低層次的要求；一些基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)任務(wù)完成較好的同學(xué)，可進(jìn)一步提出改進(jìn)措施，使VBIMR 在競(jìng)速比賽中取得優(yōu)異成績(jī)，其他同學(xué)在程序編寫和VBIMR 調(diào)試過(guò)程中協(xié)助其完成競(jìng)速比賽任務(wù)，并進(jìn)一步鞏固已有知識(shí)，這屬于較高層次要求.

2.2 教學(xué)過(guò)程

課程的安排分為理論講解和實(shí)踐環(huán)節(jié)兩部分. 具體的課程內(nèi)容如表1 所示.

表1 課程安排表

1）實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)理念與組裝. 通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)理念的介紹，讓學(xué)生了解在明確某種功能的前提下，如何選擇軟硬件搭建滿足預(yù)定性能要求的實(shí)驗(yàn)平臺(tái). 并提供搭建平臺(tái)所需的零部件供學(xué)生在實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)親自動(dòng)手組裝. 如圖2 所示.

圖2 移動(dòng)機(jī)器人組裝示意圖

2）單片機(jī)的基本功能與應(yīng)用. 由于幾乎所有的本科高校均開(kāi)設(shè)了單片機(jī)課程，因此學(xué)生對(duì)此并不陌生.但大多數(shù)學(xué)生僅僅只是“了解”. 因此在對(duì)單片機(jī)的基本功能與應(yīng)用做簡(jiǎn)單回顧后，就通過(guò)“如何點(diǎn)亮一個(gè)LED 燈”“如何檢測(cè)按鍵輸入”“如何檢測(cè)按鍵中斷”“如何實(shí)現(xiàn)串口與外界通信”4 個(gè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)來(lái)學(xué)習(xí)單片機(jī)的基本應(yīng)用.

3）圖像采集與處理. 對(duì)于圖像的采集，首先向?qū)W生簡(jiǎn)單介紹圖像表達(dá)的基本形式，然后根據(jù)實(shí)驗(yàn)所用的“白底黑線”的跑道環(huán)境，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)采用的攝像頭，詳細(xì)講解圖像采集的具體程序流程，使學(xué)生完全掌握?qǐng)D像采集的基本原理.

4）舵機(jī)、電機(jī)的控制. 舵機(jī)主要用于改變VBIMR 的運(yùn)行方向，電機(jī)主要用于為VBIMR 提供動(dòng)力. 學(xué)生在完成圖像采集與處理實(shí)驗(yàn)后，分別編寫舵機(jī)、電機(jī)的控制程序，并將VBIMR 架起，觀察VBIMR 在舵機(jī)控制下前輪的轉(zhuǎn)向以及在電機(jī)控制下后輪的轉(zhuǎn)動(dòng)情況.

系統(tǒng)的控制算法流程如圖3 所示.

圖3 控制算法流程圖

3 比賽規(guī)則、結(jié)果與評(píng)估

3.1 比賽規(guī)則

競(jìng)速比賽分為常規(guī)賽和表演賽. 常規(guī)賽旨在考核所有學(xué)生對(duì)基于視覺(jué)的圖像采集與處理，以及對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的控制和調(diào)節(jié)的掌握程度. 而表演賽主要針對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)掌握較好、具有一定潛力的學(xué)生設(shè)置.

3.1.1 常規(guī)賽

1）每個(gè)小組有3 次機(jī)會(huì)，每次機(jī)會(huì)跑2 圈，2 圈以后再經(jīng)過(guò)起始線后停止計(jì)時(shí)，最終成績(jī)?nèi)? 次成績(jī)的最好成績(jī).

2）在VBIMR 行駛過(guò)程中，不允許駛出跑道，沖出跑道則重新開(kāi)始，若只有1 個(gè)輪子駛出跑道而后又回到賽道，則扣分，輪子壓線仍算在跑道內(nèi).

3）若3 次機(jī)會(huì)VBIMR 均未完成任務(wù)，而基本程序操作到位，則只算及格.

3.1.2 表演賽

在完成常規(guī)賽的基礎(chǔ)上，小組可以自行選擇增加難度，加分項(xiàng)目如下：1）采用閉環(huán)控制同時(shí)針對(duì)彎道有識(shí)別減速；2）VBIMR 能夠識(shí)別起跑線，在跑2 圈后自動(dòng)停下.

本學(xué)期共有12 人參與該課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生們自由組合成以3 個(gè)人為單位的學(xué)習(xí)小組. 在實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備過(guò)程中，小組負(fù)責(zé)人根據(jù)本組具體的實(shí)驗(yàn)進(jìn)度以及遇到的實(shí)際問(wèn)題不定期組織小組討論. 最后在經(jīng)過(guò)常規(guī)賽、表演賽、實(shí)驗(yàn)報(bào)告的書寫、PPT 制作等不同形式的訓(xùn)練后，任課教師組織了課堂展示環(huán)節(jié)，每個(gè)小組選1 名同學(xué)對(duì)本次實(shí)驗(yàn)做總結(jié)陳述，不足之處由小組內(nèi)另外兩名同學(xué)進(jìn)行補(bǔ)充，與所有學(xué)生分享實(shí)驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)與教訓(xùn).

3.2 結(jié)果與評(píng)估

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所有學(xué)生均實(shí)現(xiàn)了VBIMR 在賽道的平穩(wěn)運(yùn)行，掌握了基于視覺(jué)的圖像采集與處理，以及對(duì)VBIMR 的控制和調(diào)節(jié)的基本流程，掌握了微處理器、電機(jī)、舵機(jī)、攝像頭這些基本的控制元器件的使用方法，形成了自己的認(rèn)知體系. 其中有3 個(gè)小組分別在跑道的二值化處理（圖4）、圖像濾波（圖5）、獲取跟蹤軌跡（圖6）方面提出了自己的算法理念；有1 個(gè)小組對(duì)舵機(jī)、電機(jī)的PID 控制算法進(jìn)行了有限度的改進(jìn). 由于受到專業(yè)背景的限制，因此并非每1 名學(xué)生均提出了屬于自己的設(shè)計(jì)理念，每組有1 名同學(xué)在實(shí)現(xiàn)VBIMR平穩(wěn)運(yùn)行的基礎(chǔ)上提出了自己的創(chuàng)新理念，其他2 名同學(xué)均協(xié)助其完成程序的編寫以及后續(xù)PPT 制作、課堂展示等相關(guān)工作，并在此過(guò)程中進(jìn)一步加強(qiáng)學(xué)習(xí).

圖4 跑道的二值化處理

圖5 濾波后的跑道二值化圖

圖6 跑道的軌跡提取

實(shí)驗(yàn)報(bào)告以及課堂展示的結(jié)果表明，兩種考核方式有效地鍛煉了學(xué)生的書面和語(yǔ)言的邏輯表達(dá)能力，對(duì)本學(xué)期的課程做了全方位的總結(jié)，并在課堂展示的過(guò)程中通過(guò)學(xué)生演講、教師提問(wèn)的互動(dòng)方式查漏補(bǔ)缺.

4 教學(xué)方法評(píng)估

為了調(diào)查學(xué)生本學(xué)期的學(xué)習(xí)收獲情況以及學(xué)生對(duì)本課程的反饋意見(jiàn)，課程結(jié)束后，對(duì)2018 年（PBL 教學(xué)模式）和2019 年（CBL 教學(xué)模式）選擇本課程的學(xué)生進(jìn)行了問(wèn)卷調(diào)查，具體問(wèn)題如下：

Ⅰ.你是否掌握了基于視覺(jué)的圖像采集與處理的基本流程？

Ⅱ.你認(rèn)為是否實(shí)現(xiàn)了基于視覺(jué)的圖像采集與處理與傳統(tǒng)機(jī)電一體化知識(shí)的深度融合？

Ⅲ.是否激發(fā)了你的學(xué)習(xí)興趣與熱情？

Ⅳ.你的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力和創(chuàng)新能力是否得到提高？

Ⅴ.你認(rèn)為實(shí)驗(yàn)報(bào)告和匯報(bào)演講是否有必要？

Ⅵ.你認(rèn)為通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)對(duì)未來(lái)研究方向是否有一定的啟發(fā)作用？

Ⅶ.你認(rèn)為教學(xué)過(guò)程是否體現(xiàn)了“讓每個(gè)學(xué)生有收獲，使更多學(xué)生有創(chuàng)新”的教育理念？

對(duì)于PBL、CBL 兩種教學(xué)模式，學(xué)生們只需選擇A（完全贊同）、B（基本贊同）、C（可有可無(wú)）、D（不贊成）即可.

最終收到了24 份反饋答卷，其中2018 年和2019 年選擇本課程的人數(shù)分別為12 人. 83.33%的同學(xué)認(rèn)為采用CBL 的教學(xué)模式能夠?qū)崿F(xiàn)圖像采集與處理技術(shù)與傳統(tǒng)機(jī)電一體化內(nèi)容的深度融合，超過(guò)對(duì)于PBL 教學(xué)模式的認(rèn)可程度（33.33%）. 在“對(duì)未來(lái)個(gè)人研究方向是否有一定的啟發(fā)作用”方面，91.67%的學(xué)生認(rèn)為CBL 的教學(xué)模式在一定程度上拓寬了其研究生選題方向，具有較好的啟發(fā)作用，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出對(duì)PBL 教學(xué)模式的認(rèn)可程度（41.67%）. 此外，相同比例的同學(xué)認(rèn)為CBL 的教學(xué)模式較好地體現(xiàn)了“讓每個(gè)學(xué)生有收獲，使更多學(xué)生有創(chuàng)新”的教育理念.

5 結(jié)論

從培養(yǎng)具有扎實(shí)專業(yè)基礎(chǔ)、實(shí)踐應(yīng)用能力強(qiáng)的復(fù)合型專業(yè)人才要求出發(fā)，將圖像采集與處理技術(shù)引入具有機(jī)械專業(yè)背景的學(xué)生課堂，以VBIMR 為平臺(tái)，以巡線競(jìng)速為任務(wù)，提出了CBL 的教學(xué)模式. 經(jīng)過(guò)一學(xué)期的探索實(shí)踐，考核結(jié)果和調(diào)查結(jié)果均表明CBL 的教學(xué)模式以及VBIMR 教學(xué)平臺(tái)能夠有效地滿足教學(xué)需求.

本學(xué)期的教學(xué)實(shí)踐具有以下兩方面的特點(diǎn)：

第一，采用CBL 的教學(xué)模式將圖像采集與處理這一跨專業(yè)的學(xué)科知識(shí)融入傳統(tǒng)的機(jī)械課程，為機(jī)器人的智能化走進(jìn)機(jī)械專業(yè)的課堂作了有益探索.

第二，在保證每個(gè)學(xué)生掌握基本理論知識(shí)的同時(shí)，通過(guò)常規(guī)賽與表演賽相結(jié)合、實(shí)驗(yàn)報(bào)告與課堂展示相結(jié)合的考核方式，進(jìn)一步鞏固了學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的掌握，提升了學(xué)生的動(dòng)手能力、寫作能力和語(yǔ)言表達(dá)能力，大大激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和熱情.

盡管如此，筆者認(rèn)為未來(lái)還有以下兩方面的工作有待改進(jìn)：

第一，常規(guī)賽與表演賽的評(píng)價(jià)規(guī)則不應(yīng)僅以時(shí)間最短作為考核標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)綜合考慮學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)的掌握程度制定更為多樣性和客觀化的考核標(biāo)準(zhǔn).

第二，可以考慮將教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)為具有鮮明工業(yè)背景的移動(dòng)機(jī)械手，以工業(yè)生產(chǎn)中常見(jiàn)的搬運(yùn)或分揀為任務(wù)目標(biāo)，開(kāi)展基于視覺(jué)的圖像采集與處理教學(xué)活動(dòng).