基于项目的大学生学习方法研究*——以六自由度机器人开发项目为例

◆金涵逊 倪受东 杨飞彪 付昌义 袁祖强 周雨朋

基于项目的大学生学习方法研究*
——以六自由度机器人开发项目为例

◆金涵逊 倪受东 杨飞彪 付昌义 袁祖强 周雨朋

全面介绍基于项目学习（PBL）的定义、内涵、构成要素、分析方法以及项目设计与实施步骤，并以“六自由度机器人开发”项目的每一个步骤详细讨论项目学习模式的理论、方法以及可以锻炼大学生的能力，从而为高校开展以实际项目为载体培养创新型卓越工程师进行有效的探索与实践。

基于项目学习；大学生；六自由度机器人

1 前言

在我国颁布的《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010—2020年）》中，教育部等部门要求全面提高我国高等教育的质量，并提高人才培养质量，强化教学中实践环节，优化教育结构，扩大应用型、复合型、技能型人才培养规模，要特别重视学生学习能力、实践能力和创新能力的培养和提高[1]。

已经有很多国内外学者对基于项目学习（PBL）进行了详细研究。Thomas J W、沈建新等人[2-4]详细研究了PBL模式的发展历程，刘景福等人[5]研究了PBL在信息技术人才培养方面的作用。然而我国大学生已经习惯于老套授课形式的培养，被动接受教师上课的内容。这对于培养大学生尤其是培养复合型工科大学生是有害无益的。因此，寻求具有吸引力的高度综合的实践教学载体是解决该问题的一种有效方式。实践表明，以智能机器人为载体的工程实践教学对提升学生的工程能力和创新意识具有明显的效果[6]。

本文首先回顾PBL的基本概念、特征，后以南京工业大学机械与动力工程学院2014年度江苏省创新创业训练计划“六自由度机器人开发”项目为例，具体阐述PBL在工科教学项目中的具体应用。

2 基于项目的学习的概念

定义 目前，PBL在国内外有很多定义形式，并没有固定的定义方法。通俗一点儿讲，“基于项目的学习”中的“项目”两个字是普通的“项目”在教学领域的延伸和相对具体的应用。因此，基于项目的学习方向指的是以学科的基

本概念和原理为中心，在真实世界中借助多种资源开展探究活动，并在一定时间内解决一系列相互关联着的问题的一种新型的探究性学习模式。

*项目来源：江苏省大学生创新创业训练计划重点项目（201313905010Y）。

作者：金涵逊，南京工业大学，主要研究方向为先进材料力学性能；倪受东，南京工业大学副教授，主要研究方向为机器人技术及其应用、智能机电系统；杨飞彪、付昌义、袁祖强、周雨朋，南京工业大学（211816）。

目前，“基于项目的学习”是在美国中小学广泛采用的一种探究性学习模式。它的理论基础是建构主义学习理论、杜威的实用主义教育理论和布鲁纳的发现学习理论，在此将全面介绍这种学习模式的定义、构成要素、特征和操作程序等。这种模式对于我国大学工科专业实践研究性学习的开展有较大的借鉴作用，因此研究PBL对工科大学生的培养有巨大的价值。

构成要素 基于项目的学习主要由四大要素构成，分别是：1）内容；2）活动；3）情境；4）结果。具体结构如图1所示。

特征 基于项目的学习作为探究性学习的一种，注重发挥学习者的主动性，通过参与完整的项目进程，获取知识与技能。这一新的教学模式显然有别于传统的教学模式，有其自身显著的特征。

1）项目真实而具体。基于项目的学习的项目，一般与生活、工作密切相关，学习者面对的是真实、具体的问题，而不仅仅是某个抽象的学习问题。这样有助于调动学习者的学习兴趣、积极性与创造性；真实、丰富的项目学习体验，有助于知识的记忆与理解、技能的锻炼。

2）学习内容具有综合性和开放性。因为这些学习内容涉及源于生活的激发性的问题，要解决这些问题需要多学科的知识，有时单靠一门学科的知识可能无法解决所有问题。项目的设计是具有开放性的，一个个项目中融合了知识与操作，不局限于课本，可以从多个角度进行分析，以多种方式完成。

3）学习途径多样而协同。学习者可以选择和使用各种认知工具获取、整理和归纳信息，来辅助自己的学习。在数字化、信息化的当下，学习者可以充分利用数字化学习资源，如利用QQ实现实时交流，利用微博实现快速分享，以及利用网络云课堂、专题学习网站等实现在线学习、交流与协作，提高学习效率。

基于项目的学习旨在把学生融入有意义的任务完成的过程中，让学生积极地学习、自主地进行知识的建构，以现实的学生生成的知识和培养起来的能力为最高成就目标，对学习结果的评价则着重学习的过程而非只看重学习的结果。

3 基于项目的工科大学生学习思路及方法

项目活动是一个兼动手和动脑学习的复杂的认知过程。基于项目的学习方式是以学生的行动为导向的，其重点在于做什么而不是学什么。基于项目的学习方式在以下四个领域得以实现的：获得知识并应用、交流、协作以及独立学习。教师所期望的学习结果就是要促进学生发展认知技能。

在工科科研中实施基于项目的学习通常分为设计项目、分组分工、探究协作、制作作品、汇报演示和总结评价等六个基本步骤。通过这六个基本步骤，学生可以锻炼口头表达、交流汇报、小组合作、专业知识实际运用等多种能力，更好地符合我国复合型工科人才的培养目标。

4 实践案例：PBL在“六自由度工业机器人开发”项目中的应用

南京工业大学对本科学生参与科研方面给予比较大的支持。2014年10月份，南工大机械学院一名大四学生在大三期间发表的7篇论文（其中还有一篇EI论文[7]）被《南京日报》《中国青年报》等媒体报道转载。同时，该学生还参加了“六自由度机器人开发”项目，该项目是南京工业大学机械与动力工程学院2014年度江苏省创新创业训练计划的重点项目，目的是拟通过学生自行设计、制造一个六自由度小型工业机器人机械本体，购买驱动用的步进电机或舵机，并用单片机自行设计控制系统实现该机器人的控制。学生通过这样一个实训的过程，将所学的机械原理、机械设计及机电控制课程的知识在真正的设计实践中得到运用和提升。

下面通过本项目中设计项目、分组分工、探究协作、制作作品、汇报演示和总结评价六个基本步骤，详细阐述基于项目学习的过程以及对大学生能力的培养。

项目设计 机器人作为一个多学科交叉融合的机电一体化载体，涵盖了机械、电气、计算机科学、材料科学等诸多大类学科，应用范围涉及日常生活乃至军事应用各个领域。国外高校如美国麻省理工大学、斯坦福大学等在PBL教学模式中都使用机器人来锻炼在校学生的能力，这种教育教学取得明显的成效[8]。

于是，本项目在项目设计阶段考虑到学生实际所学的机械原理、机械设计、机电一体化等课程，决定使用SolidWords三维软件设计一款基于单片机控制的六自由度工业机器人，机器人三维效果图如图2所示。

分组分工 当完成项目任务布置后，需要完成小组成员的分组任务。本项目中，小组总共有六名学生。通过开第一次全体会议，安排每名学生负责一个模块的设计任务。比如：两名学生负责机器人的机械手三维设计，两名学生负责机器人大臂运动关节的设计等。通过分组分工，优化小组资源，让每名小组成员都在擅长的领域发挥自身优势。

探究协作 在当今大科学时代，任何科学研究都离不开合作[9]。本项目中，处处都需要合作交流。而这种在实际项目中合作交流的能力，是我国工科大学生培养计划中所缺失的。本项目中，在机械三维设计阶段，小组成员需要共同合作，核对各人设计任务的基本尺寸，才能把每人的设计部分完美地拼接起来。小组成员在协作中互相学习，发现问题、解决问题，使得项目能够顺利进行。这种完成实际课题中的合作交流能力在大学生未来走向工作岗位时也是十分重要的。

作品制作 当完成机器人三维设计时，则需要完成机器人实体的加工。小组成员利用各种资源，亲手使用数控机床、磨床、线切割等现代加工设备对每一个零部件进行加工。在这个过程中锻炼了工科大学生的实际动手能力。成品如图3所示。

图3 机器人成品

演示汇报 演示汇报作为整个项目对外展示的一个环节，其重要性不容小觑。这个环节往往需要小组成员制作使用演示文稿演讲并回答专家提问，而这个环节恰恰被很多大学生忽略。本项目也参加了很多基金项目的申报，如江苏省大学生创新创业训练计划，并且参加了第五届全国大学生过程装备与控制大赛等竞赛。这些环节都需要汇报演示。小组在讨论后，一起制作了PPT，并且突出演讲重点，演讲者也做了充分的准备，并对专家的问题作出一些预判。在现场答辩中，获得了专家的一致好评，并获得了不错的比赛结果。大学生的演示文稿制作能力、口语表达能力在本次活动中得到很好的锻炼。

总结评价 即便一个完成很好的项目，也要及时做出总结。本项目总结会上，指导教师首先对小组的努力表达肯定，随后对项目进行中做得不太好的部分进行总结。比如在机械设计部分没有考虑机器人手臂自重而造成下垂现象，造成现场演示效果没有达到预期。在总结中，小组成员吸取教训，并表示在以后的设计任务中会更加细心。

5 结论

本文首先提出基于项目的学习（PBL）的概念以及学习方法，随后用项目“六自由度机器人开发”具体阐述PBL模式中大学生学习能力的锻炼过程。PBL模式不仅提高了大学生的实践能力，还有效培养了学生的合作能力和创新思维。高校应该结合学科和学生的不同特点来运用PBL模式，在实践中去探索和总结经验，更好地为大学工科教育实践所用。

[1]顾明远.学习和解读《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010—2020）》[J].高等教育研究,2010(7):1-6.

[2]Thomas J W. A review of research on project-based learning[EB/OL].http://www.autodesk.com/foundation/.

[3]Thomas J W.Project-based learning: Overview[R].Navato, CA: Buck Institute for Education,1999.

[4]沈建新,王海燕.PBL：一种新型的教学模式[J].复旦教育论坛,2001(2):36-38.

[5]刘景福,钟志贤.基于项目的学习（PBL）模式研究[J].外国教育研究,2002(11).

[6]阎世梁,张华,肖晓萍,等.高等工程教育中的机器人教育探索与实践[J].实验室研究与探索,2013(8):149-152.

[7]Jin Hanxun, et al. The Research of Remanufacturing Technology Applied to Lifting Machinery[J].Applied Mechanics and Materials,2014,541:530-533.

[8]赵婷婷,买楠楠.基于大工程观的美国高等工程教育课程设置特点分析:麻省理工学院与斯坦福大学工学院的比较研究[J].高等教育研究,2004(6).

[9]谢彩霞,刘则渊.科研合作及其科研生产力功能[J].科学技术哲学研究,2006(1):99-102.

College Students’ Learning Methods of Project-based Learning: Take Design a SDOF robot’ as An Example/

/JIN Hanxun, NI Shoudong, YANG Feibiao, FU Changyi, YUAN Zuqiang, ZHOU Yupeng

This paper thoroughly introduces the definition, connotation, elements, analysis methods and implementation steps of project-based learning (PBL), and then uses Six Degree of Freedom Robot Project in order to explain in detail the capability theory, method of PBL and the abilities gained by PBL, showing effective exploration and practice for colleges and universities to carry out training innovative excellent engineer based on the actual project.

project-based learning; college students; SDOF robot

G642.4

A

1671-489X(2015)18-0004-03

10.3969 /j.issn.1671-489X.2015.18.004