前言：尋找寫作靈感？中文期刊網用心挑選的頂石課程下的機器人課程設計分析，希望能為您的閱讀和創作帶來靈感，歡迎大家閱讀并分享。

摘   要：為推進本科機械專業實踐教學體系的改革，探索將頂石課程理念運用于機器人課程設計教學工作的可行性。以該課程設計的一個案例為對象，從選題、實施和考核三個方面進行了闡述，重點針對實施過程中遇到的問題和挑戰，提出了一系列基于頂石課程理念的解決方案，并最終對其取得的教學效果予以評價。

關鍵詞：機器人；頂石課程；課程設計

1頂石課程的內涵

頂石課程由英文“capstone course”翻譯而來。“頂石”是建筑學的術語，指在建筑施工過程中，為增強整體結構力而在建筑物頂端架設的石頭，完成了這塊石頭的搭建，整個建筑工程才算順利完工。該詞引申到教育領域，意指本科生教育最后階段所開設的課程，這類課程能夠進一步增強學生在本科期間所學知識的“整體結構力”[1]。美國首先將“capstone”一詞用于高等教育領域，以指代高年級學生尤其是畢業生的體驗性課程或項目，這類課程旨在為學生提供一個將碎片化知識進行系統整合的機會，讓學生對所學知識進行回顧和理解，也為其過渡到下一階段的工作和學習做好準備[2]。美國南卡羅來納大學國家智囊中心對美國707所院校進行了調查分析，并發布了《促進學科發展：關于頂石課程的分析報告》。報告顯示約77.6%的院校開設頂石課程，顯現出頂石課程的發展趨勢，其已經成為美國高校課程體系的一個重要環節[1]。頂石課程的主要目的和核心內容主要集中于兩點，一是整合專業知識課程，讓學生通過一定的課程載體對以往學過的知識點進行總結，起到理論學習與實際應用之間的橋梁作用；二是跨學科之間的交叉、融合，向學生提供了將通識課程、專業課程、輔修課程及課外學習等進行系統整合的機會。

2機器人課程設計的設置

佛山是中國先進制造業50強城市之一，地處粵港大灣區的核心地區。2018年4月9日，佛山市政府出臺《佛山市推動機器人應用及產業發展扶持方案(2018—2020年)》[3]，以機器人為驅動力的智能制造已成為佛山制造業轉型升級的強勁“引擎”。雖然擁有諸如嘉騰、華數、泰格威、新鵬等諸多明星機器人企業，但從總體上看，佛山的機器人產業還處在產業鏈的中下游，即機器人本體和系統集成領域。機器人企業急需大量具有創新能力的技術人才，高校的“自我造血”能力略顯不足。我校是廣東省高水平理工大學建設單位，并已成立了機器人產業學院。我校機械專業綜合課程設計的開設已十年有余，該課程一般安排在大四上學期，學時為5周，設計題目由教師指定，旨在為學生提供一次綜合運用所學知識的實踐機會。近年來，該課程的主題逐步向機器人方向集中，比如機器人智能搬運和碼垛、機器人水果采摘、慧魚機器人等，但仍然存在設計不夠深入、缺乏團隊意識的培養、過程管理不全面、與企業銜接程度不夠等問題。

3課程設計的實施案例

從2020學年開始，我校對機械專業6個本科班開展了基于頂石課程理念的機器人課程設計教學探索。本文圍繞其中一個案例來說明該課程設計的實施過程和具體效果。

3.1設計選題

筆者指導的設計選題名為“一種具有動作識別功能的自制機器人”，具體的設計內容是：利用攝像頭捕捉人的肢體動作，該動作可以是手勢、上下肢、軀干或頭部的動作，動作的識別信號通過通信接口輸出至驅動電路板，控制自制機器人的電機，使機器人實現設定的各種功能。學生根據上述要求自行制作一種小型機器人，可以是機械手、機器人雙足、慧魚機器人、輪式機器人或其他一切具備實際用途的機構。該選題僅給出了課程設計的大致框架，對于執行機構，即自制機器人，學生擁有自由發揮的空間，可以自由組合搭配電機、機械零件和實驗平臺，進行創新性的設計。該選題需要學生對計算機視覺、數據通信、電路設計、機械原理和設計等相關知識有較深入的理解，促使其回顧、整合過去所學的專業知識，構建知識結構，提升發現問題和解決問題的工程應用能力。指導教師提供Kinect 3D體感攝像機、各種規格的舵機給學生團隊選用，其中Kinect 3D體感攝像機是Xbox  360體感游戲的周邊外設，有較強的趣味性。學生也可自行選擇其他視覺裝備，進行底層的開發。

3.2實施過程

機器人課程設計的學時已從過去的5周延長至19周，貫穿整個學期。整個實施過程可分為3個階段。

3.2.1準備階段

學期初，教師組織學生召開課程設計選題宣講會，給出課程設計的任務要求。學生按照6～7人/組的方式進行分組，并自行選舉團隊負責人。同時，教師收集學生方面的信息，如學生的現有知識和技能水平、團隊風格等，有針對性地對課題任務進行微調，并由實驗教師發放實驗設備。學生收集技術資料，進行任務分析，團隊內部組織討論，制訂學習計劃和進度安排表，由指導教師和企業導師對其可行性進行審定。準備階段的時間為3周。

3.2.2實施階段

該課程設計的設計內容主要包括3個方面，即動作的視覺識別、電路設計及編程、機械設計及制作，學生團隊自發按照以上內容進行分組，即視覺組、電路組和機械組。3個小組的設計工作并行開展，同時也進行密切合作，在最后的調試環節，3個小組同時參與。整個實施階段的時間為14周，其中各小組進行獨立實踐的時間為10周，整體調試時間為4周。限于篇幅，本文重點闡述電路組的實施階段。電路組的主要任務是制作電路板，該電路板能通過通信接口接收計算機發來的動作識別信號，并在單片機中進行處理，生成信號控制機器人的多個電機。另外，電路板還可以采集機器人傳感器的信號，并對其運動實現PID控制。電路組的主要設計難點是設計PCB電路板和PID控制算法的編寫，前者偏重于硬件設計，后者為軟件編程。雖然機械專業的本科生已經學習過電工電子學、單片機原理、測試技術、數控技術等課程，但軟硬件設計經驗仍然不足，不過這恰是頂石課程理念所倡導的，即讓學生通過實踐，整合學過的專業知識，并進行跨學科的融合。電路組的流程進度安排如圖1所示。

(1)硬件設計的挑戰與對策

對于硬件設計部分，教師要先向學生講授PCB設計的核心概念，引導學生自學電路輔助設計軟件，重點掌握原件庫、PCB封裝庫、設計規則等內容。接著教師通過分析多個電路設計的參考案例，引導學生繪制電路原理圖，使其能夠對電子元器件進行正確選型，搜索或自行繪制對應器件的封裝。以上過程大概需要3～4周，采取的教學形式主要為一周1～2次的實驗室研討會，同時結合線上答疑。前期的研討會由指導教師主持，講授核心概念、設計規則和參考案例。后期的研討會由學生主持、企業導師參與，由學生匯報項目進度和分享收獲，并將實踐中的反思向教師進行反饋。PCB布局布線是學生最容易出錯的環節，進度的快慢主要取決于學生的設計經驗，有的設計團隊可在1～2周完成，有的卻需要4～5周，由于PCB布局布線的好壞決定著最終電路板的成敗，所以這個環節要求指導教師投入較大的精力，并需要企業導師的參與。學生設計生成的PCB文件，會經過系統、學生、指導教師、企業導師的四重檢查，對于因學生敷衍大意導致的問題，教師會在過程評價時給予減分，以促使學生養成嚴謹細致的工作作風。PCB電路板下單后，一周左右便可取回，實驗室提供電烙鐵、熱風槍，方便學生焊接芯片等電子元器件。

(2)軟件編程的步驟和方法

對于軟件編程部分，由于此時電路板的硬件設計仍在并行進行中，指導教師需要向學生提供通用開發板用于軟件編寫。在學生掌握單片機開發的基本技能之后，教師要指導學生調試通信模塊，實現計算機與電路板之間的數據通信。因為要求對自制機器人進行準確和穩定的控制，所以學生需要學會對機器人傳感器(如陀螺儀或加速度傳感器)的信號進行處理(如濾波和補償)，以獲得穩定、低噪聲的數據。以上過程大概需要5周時間，教學形式為實驗室研討會，同時結合線上答疑。PID控制算法的編寫對學生而言，是一個設計難點。控制算法性能不佳可能是許多原因導致的，如概念上的誤解、算法實現錯誤、算法優化問題、單片機配置錯誤和參數設置不當等。由于對問題進行診斷比較困難，所以幫助學生調試控制算法是一個挑戰，教師通常會向學生提供一些規范的代碼模塊，以便他們能夠快速地進行整合和調試，確保控制器的穩定性和魯棒性。實驗室會提供一些單通道的PID控制器，用以整定PID參數，以獲得執行電機所需的電壓信號。

(3)電路板的整體調試

最終的整體調試需要電路組與其余兩組學生共同參與。焊接所有元器件和組裝電路板以后，下載通信、信號處理、PID控制及電機驅動等程序至單片機，分別連接計算機和自制機器人，通過Kinect 3D體感攝像機準確識別人的肢體動作，電路板經過通信接口，采集傳感器數據，并控制機器人運動。在這個階段面臨的主要問題是各個小組間的協同問題，例如機器人的運動規劃、電機數量和安裝位置、傳感器類型和通信方式、控制指令格式等，這些都需要3組學生之間實現無縫對接。在實施階段，每兩周要求各組長進行一次技術交流，交換技術文檔，旨在提高學生團隊之間的溝通能力，對于有爭議的協同問題，由教師負責最終裁定。

3.3設計考核

頂石課程的考核理念是不將最終的項目成果作為唯一的考核依據，而是綜合考量學生行為、執行過程和最終成果，并將其作為課程評價的依據。課程設計的成績將結合指導教師和實驗教師的意見、企業導師的評價以及團隊間互評和團隊內互評的結果。其中成績的65%與作品的完成度和創新性直接相關，另外35%則取決于執行過程中的團隊合作、溝通技巧、實驗裝置的使用技能、學習反思等。考核階段為期2周，由指導教師和實驗教師共同負責對成果材料進行整理和評定。

4教學效果

經過19周的機器人課程設計實踐教學，絕大多數學生團隊都能提交質量較高的設計作品。圖2展示的是部分學生設計的作品。從目前的學生反饋來看，基于頂石課程理念的機器人課程設計取得了較好的教學效果。首先，機械專業的學生獲得了對電子技術、自動控制、傳感器技術等領域更深入的實踐機會，該設計環節有助于學生對知識體系進行整合；其次，學生通過對實驗數據的分析和實驗結果的反思，提升了解決問題的能力，增強了面對工程應用問題的自信心；再次，該課程設計借鑒了企業項目管理的經驗，設計過程中多次進行主題研討、口頭或書面報告，增強了學生的團隊合作意識和溝通能力，教師對課程設計的成績評定也更加科學和客觀。最后，機器人本體部分由學生自主設計、組裝，這極大地激發了學生自主學習的興趣，有利于其創新意識的培養。

5結語

在大學高年級推行頂石課程，有助于學生鞏固和整合先前所學的知識，使其專業能力得到跨越式的提升，進一步培養了學生的綜合能力，幫助其順利過渡到職場環境。近年來，越來越多的國內高校開展了關于頂石課程的教學研究，我院將頂石課程理念運用于機器人課程設計的教學中，這是實踐教學體系改革中的積極探索。接下來，我院將進一步推廣頂石課程的實施范圍，從而促進本科課程體系改革和內涵建設，創新教學模式，拉近學校在人才培養方面與佛山制造業人才需求的距離。

作者：袁慶丹 華蕊 劉軍 單位：佛山科學技術學院機電工程與自動化學院