前言：寻找写作灵感？中文期刊网用心挑选的顶石课程下的机器人课程设计分析，希望能为您的阅读和创作带来灵感，欢迎大家阅读并分享。
摘 要：为推进本科机械专业实践教学体系的改革，探索将顶石课程理念运用于机器人课程设计教学工作的可行性。以该课程设计的一个案例为对象，从选题、实施和考核三个方面进行了阐述，重点针对实施过程中遇到的问题和挑战，提出了一系列基于顶石课程理念的解决方案，并最终对其取得的教学效果予以评价。
关键词：机器人；顶石课程；课程设计
1顶石课程的内涵
顶石课程由英文“capstone course”翻译而来。“顶石”是建筑学的术语，指在建筑施工过程中，为增强整体结构力而在建筑物顶端架设的石头，完成了这块石头的搭建，整个建筑工程才算顺利完工。该词引申到教育领域，意指本科生教育最后阶段所开设的课程，这类课程能够进一步增强学生在本科期间所学知识的“整体结构力”[1]。美国首先将“capstone”一词用于高等教育领域，以指代高年级学生尤其是毕业生的体验性课程或项目，这类课程旨在为学生提供一个将碎片化知识进行系统整合的机会，让学生对所学知识进行回顾和理解，也为其过渡到下一阶段的工作和学习做好准备[2]。美国南卡罗来纳大学国家智囊中心对美国707所院校进行了调查分析，并发布了《促进学科发展：关于顶石课程的分析报告》。报告显示约77.6%的院校开设顶石课程，显现出顶石课程的发展趋势，其已经成为美国高校课程体系的一个重要环节[1]。顶石课程的主要目的和核心内容主要集中于两点，一是整合专业知识课程，让学生通过一定的课程载体对以往学过的知识点进行总结，起到理论学习与实际应用之间的桥梁作用；二是跨学科之间的交叉、融合，向学生提供了将通识课程、专业课程、辅修课程及课外学习等进行系统整合的机会。
2机器人课程设计的设置
佛山是中国先进制造业50强城市之一，地处粤港大湾区的核心地区。2018年4月9日，佛山市政府出台《佛山市推动机器人应用及产业发展扶持方案(2018—2020年)》[3]，以机器人为驱动力的智能制造已成为佛山制造业转型升级的强劲“引擎”。虽然拥有诸如嘉腾、华数、泰格威、新鹏等诸多明星机器人企业，但从总体上看，佛山的机器人产业还处在产业链的中下游，即机器人本体和系统集成领域。机器人企业急需大量具有创新能力的技术人才，高校的“自我造血”能力略显不足。我校是广东省高水平理工大学建设单位，并已成立了机器人产业学院。我校机械专业综合课程设计的开设已十年有余，该课程一般安排在大四上学期，学时为5周，设计题目由教师指定，旨在为学生提供一次综合运用所学知识的实践机会。近年来，该课程的主题逐步向机器人方向集中，比如机器人智能搬运和码垛、机器人水果采摘、慧鱼机器人等，但仍然存在设计不够深入、缺乏团队意识的培养、过程管理不全面、与企业衔接程度不够等问题。
3课程设计的实施案例
从2020学年开始，我校对机械专业6个本科班开展了基于顶石课程理念的机器人课程设计教学探索。本文围绕其中一个案例来说明该课程设计的实施过程和具体效果。
3.1设计选题
笔者指导的设计选题名为“一种具有动作识别功能的自制机器人”，具体的设计内容是：利用摄像头捕捉人的肢体动作，该动作可以是手势、上下肢、躯干或头部的动作，动作的识别信号通过通信接口输出至驱动电路板，控制自制机器人的电机，使机器人实现设定的各种功能。学生根据上述要求自行制作一种小型机器人，可以是机械手、机器人双足、慧鱼机器人、轮式机器人或其他一切具备实际用途的机构。该选题仅给出了课程设计的大致框架，对于执行机构，即自制机器人，学生拥有自由发挥的空间，可以自由组合搭配电机、机械零件和实验平台，进行创新性的设计。该选题需要学生对计算机视觉、数据通信、电路设计、机械原理和设计等相关知识有较深入的理解，促使其回顾、整合过去所学的专业知识，构建知识结构，提升发现问题和解决问题的工程应用能力。指导教师提供Kinect 3D体感摄像机、各种规格的舵机给学生团队选用，其中Kinect 3D体感摄像机是Xbox 360体感游戏的周边外设，有较强的趣味性。学生也可自行选择其他视觉装备，进行底层的开发。
3.2实施过程
机器人课程设计的学时已从过去的5周延长至19周，贯穿整个学期。整个实施过程可分为3个阶段。
3.2.1准备阶段
学期初，教师组织学生召开课程设计选题宣讲会，给出课程设计的任务要求。学生按照6～7人/组的方式进行分组，并自行选举团队负责人。同时，教师收集学生方面的信息，如学生的现有知识和技能水平、团队风格等，有针对性地对课题任务进行微调，并由实验教师发放实验设备。学生收集技术资料，进行任务分析，团队内部组织讨论，制订学习计划和进度安排表，由指导教师和企业导师对其可行性进行审定。准备阶段的时间为3周。
3.2.2实施阶段
该课程设计的设计内容主要包括3个方面，即动作的视觉识别、电路设计及编程、机械设计及制作，学生团队自发按照以上内容进行分组，即视觉组、电路组和机械组。3个小组的设计工作并行开展，同时也进行密切合作，在最后的调试环节，3个小组同时参与。整个实施阶段的时间为14周，其中各小组进行独立实践的时间为10周，整体调试时间为4周。限于篇幅，本文重点阐述电路组的实施阶段。电路组的主要任务是制作电路板，该电路板能通过通信接口接收计算机发来的动作识别信号，并在单片机中进行处理，生成信号控制机器人的多个电机。另外，电路板还可以采集机器人传感器的信号，并对其运动实现PID控制。电路组的主要设计难点是设计PCB电路板和PID控制算法的编写，前者偏重于硬件设计，后者为软件编程。虽然机械专业的本科生已经学习过电工电子学、单片机原理、测试技术、数控技术等课程，但软硬件设计经验仍然不足，不过这恰是顶石课程理念所倡导的，即让学生通过实践，整合学过的专业知识，并进行跨学科的融合。电路组的流程进度安排如图1所示。
(1)硬件设计的挑战与对策
对于硬件设计部分，教师要先向学生讲授PCB设计的核心概念，引导学生自学电路辅助设计软件，重点掌握原件库、PCB封装库、设计规则等内容。接着教师通过分析多个电路设计的参考案例，引导学生绘制电路原理图，使其能够对电子元器件进行正确选型，搜索或自行绘制对应器件的封装。以上过程大概需要3～4周，采取的教学形式主要为一周1～2次的实验室研讨会，同时结合线上答疑。前期的研讨会由指导教师主持，讲授核心概念、设计规则和参考案例。后期的研讨会由学生主持、企业导师参与，由学生汇报项目进度和分享收获，并将实践中的反思向教师进行反馈。PCB布局布线是学生最容易出错的环节，进度的快慢主要取决于学生的设计经验，有的设计团队可在1～2周完成，有的却需要4～5周，由于PCB布局布线的好坏决定着最终电路板的成败，所以这个环节要求指导教师投入较大的精力，并需要企业导师的参与。学生设计生成的PCB文件，会经过系统、学生、指导教师、企业导师的四重检查，对于因学生敷衍大意导致的问题，教师会在过程评价时给予减分，以促使学生养成严谨细致的工作作风。PCB电路板下单后，一周左右便可取回，实验室提供电烙铁、热风枪，方便学生焊接芯片等电子元器件。
(2)软件编程的步骤和方法
对于软件编程部分，由于此时电路板的硬件设计仍在并行进行中，指导教师需要向学生提供通用开发板用于软件编写。在学生掌握单片机开发的基本技能之后，教师要指导学生调试通信模块，实现计算机与电路板之间的数据通信。因为要求对自制机器人进行准确和稳定的控制，所以学生需要学会对机器人传感器(如陀螺仪或加速度传感器)的信号进行处理(如滤波和补偿)，以获得稳定、低噪声的数据。以上过程大概需要5周时间，教学形式为实验室研讨会，同时结合线上答疑。PID控制算法的编写对学生而言，是一个设计难点。控制算法性能不佳可能是许多原因导致的，如概念上的误解、算法实现错误、算法优化问题、单片机配置错误和参数设置不当等。由于对问题进行诊断比较困难，所以帮助学生调试控制算法是一个挑战，教师通常会向学生提供一些规范的代码模块，以便他们能够快速地进行整合和调试，确保控制器的稳定性和鲁棒性。实验室会提供一些单通道的PID控制器，用以整定PID参数，以获得执行电机所需的电压信号。
(3)电路板的整体调试
最终的整体调试需要电路组与其余两组学生共同参与。焊接所有元器件和组装电路板以后，下载通信、信号处理、PID控制及电机驱动等程序至单片机，分别连接计算机和自制机器人，通过Kinect 3D体感摄像机准确识别人的肢体动作，电路板经过通信接口，采集传感器数据，并控制机器人运动。在这个阶段面临的主要问题是各个小组间的协同问题，例如机器人的运动规划、电机数量和安装位置、传感器类型和通信方式、控制指令格式等，这些都需要3组学生之间实现无缝对接。在实施阶段，每两周要求各组长进行一次技术交流，交换技术文档，旨在提高学生团队之间的沟通能力，对于有争议的协同问题，由教师负责最终裁定。
3.3设计考核
顶石课程的考核理念是不将最终的项目成果作为唯一的考核依据，而是综合考量学生行为、执行过程和最终成果，并将其作为课程评价的依据。课程设计的成绩将结合指导教师和实验教师的意见、企业导师的评价以及团队间互评和团队内互评的结果。其中成绩的65%与作品的完成度和创新性直接相关，另外35%则取决于执行过程中的团队合作、沟通技巧、实验装置的使用技能、学习反思等。考核阶段为期2周，由指导教师和实验教师共同负责对成果材料进行整理和评定。
4教学效果
经过19周的机器人课程设计实践教学，绝大多数学生团队都能提交质量较高的设计作品。图2展示的是部分学生设计的作品。从目前的学生反馈来看，基于顶石课程理念的机器人课程设计取得了较好的教学效果。首先，机械专业的学生获得了对电子技术、自动控制、传感器技术等领域更深入的实践机会，该设计环节有助于学生对知识体系进行整合；其次，学生通过对实验数据的分析和实验结果的反思，提升了解决问题的能力，增强了面对工程应用问题的自信心；再次，该课程设计借鉴了企业项目管理的经验，设计过程中多次进行主题研讨、口头或书面报告，增强了学生的团队合作意识和沟通能力，教师对课程设计的成绩评定也更加科学和客观。最后，机器人本体部分由学生自主设计、组装，这极大地激发了学生自主学习的兴趣，有利于其创新意识的培养。
5结语
在大学高年级推行顶石课程，有助于学生巩固和整合先前所学的知识，使其专业能力得到跨越式的提升，进一步培养了学生的综合能力，帮助其顺利过渡到职场环境。近年来，越来越多的国内高校开展了关于顶石课程的教学研究，我院将顶石课程理念运用于机器人课程设计的教学中，这是实践教学体系改革中的积极探索。接下来，我院将进一步推广顶石课程的实施范围，从而促进本科课程体系改革和内涵建设，创新教学模式，拉近学校在人才培养方面与佛山制造业人才需求的距离。
作者：袁庆丹 华蕊 刘军 单位：佛山科学技术学院机电工程与自动化学院
