基于CBL 教学模式的移动机器人巡线课程

刘 佳，刘红宁

（石家庄学院 机电学院，河北 石家庄 050035）

0 引言

经济全球化发展催生的机器人、人工智能等新兴科技使得传统的工程教育体系无法适应新工科的要求，尤其是机械工程专业，面临如何培养跨学科多专业人才的巨大挑战. 伴随装备制造业对智能机器人需求的不断增加，作为机电产品智能化重要标志的视觉移动机器人受到越来越多工科院校的关注. 因此，为培养符合现代工程需求的新工科人才，面向机械设计制造及自动化专业的学生开设了视觉机器人巡线的实验课程，旨在探索如何将基于视觉的图像采集与处理技术引入具有机械专业背景学生的教学模式，培养具有嵌入式系统、图像识别与处理、机电控制等技术能力的复合型专业人才.

国内外高校和研究机构对此做了大量的探索和实践工作，并取得了良好的效果. 底特律大学（UDM）[1，2]以包括移动机器人在内的多种教具作为教学平台，采用基于项目学习（Project-based Learning，PBL）的教学模式，着重解决培训过程中遇到的机械和电子的各种工程问题. 文献[3-9]分别设计了基于视觉的移动机器人作为教学平台，采用PBL 教学模式，以实际任务为主线开展教学活动. 在中国，北京航空航天大学机器人研究所[10]将PBL 教学模式引入机电一体化课程，通过创意之星模块化机器人走迷宫比赛的课程实践，取得了良好的教学效果. 刘泉等[11]基于PBL 教学模式开展了3D 打印技术打造智能义肢的教学实践活动.

但是这些探索与研究工作存在以下两方面的缺憾：1）由于课程的开设对象大多具有计算机的专业背景，而对于没有计算机专业背景的学生则多侧重于趣味性，忽视了对于图像采集与处理这一核心基础知识的学习. 2）在教学模式的选择上，单纯以项目为主线、以结果为导向的教学模式忽视了专业背景对知识消化吸收难易程度的影响，一些学生可能会因为基础知识的晦涩难懂而削弱其作为学习主体的积极性，最终尽管完成预定的各项任务，却丧失了学习热情.

基于此，提出了基于竞争学习（Competition-based Learning，CBL）的教学模式：在传统项目式教学的基础上引入竞争机制，旨在探索将图像采集与处理技术融入具有机械专业背景的学生课堂的跨学科多专业人才培养模式.

1 CBL 教学模式

与传统的PBL 教学模式相比，CBL 教学模式具有以下特点：

1）在各小组间引入竞争，能够激励学生不断发现问题，并提出改进措施，以期在后续的比赛中取得优异成绩. 客观上，激发了学生的学习热情，锻炼了学生的创新能力.

2）对于具备一定潜质的学生，能够充分调动其主观能动性. 以基于视觉的智能移动机器人（VBIMR）为教学平台，将课程内容分解为若干实验项目，以VBIMR 巡线竞速比赛为竞赛任务，将学生分成每组3～4 人的小组，让学生以小组的形式在任课教师与助教的引导下开展学习研究. 在学习过程中，学生不仅需要对机械、驱动、图像采集与处理、控制等方面的知识结合理论课的讲解进行自我消化与巩固，而且还需要查阅文献解决遇到的实际问题，将理论与实践相结合，以实现项目任务的完成，并在竞速比赛中取得优异成绩.

2 实验任务与教学过程

2.1 实验任务

实验任务的主题为“VBIMR 巡线”，如图1 所示. 实验任务的内容是学习包括单片机的应用、图像采集、基于视觉的舵机和电机控制在内的基础理论知识，并完成相应的实验任务，进而综合运用上述结果实现VBIMR 在赛道上的平稳运行，并在最终的竞速比赛中取得优异成绩.

图1 视觉机器人巡线

需要特别指出的是，本项实验任务分为两个层次，每个学生必须完成对应于每个知识点的实验任务，以保证达到基本教学目的，属于较低层次的要求；一些基础实验任务完成较好的同学，可进一步提出改进措施，使VBIMR 在竞速比赛中取得优异成绩，其他同学在程序编写和VBIMR 调试过程中协助其完成竞速比赛任务，并进一步巩固已有知识，这属于较高层次要求.

2.2 教学过程

课程的安排分为理论讲解和实践环节两部分. 具体的课程内容如表1 所示.

表1 课程安排表

1）实验平台的设计理念与组装. 通过对实验平台的设计理念的介绍，让学生了解在明确某种功能的前提下，如何选择软硬件搭建满足预定性能要求的实验平台. 并提供搭建平台所需的零部件供学生在实验环节亲自动手组装. 如图2 所示.

图2 移动机器人组装示意图

2）单片机的基本功能与应用. 由于几乎所有的本科高校均开设了单片机课程，因此学生对此并不陌生.但大多数学生仅仅只是“了解”. 因此在对单片机的基本功能与应用做简单回顾后，就通过“如何点亮一个LED 灯”“如何检测按键输入”“如何检测按键中断”“如何实现串口与外界通信”4 个基础实验来学习单片机的基本应用.

3）图像采集与处理. 对于图像的采集，首先向学生简单介绍图像表达的基本形式，然后根据实验所用的“白底黑线”的跑道环境，并结合实验采用的摄像头，详细讲解图像采集的具体程序流程，使学生完全掌握图像采集的基本原理.

4）舵机、电机的控制. 舵机主要用于改变VBIMR 的运行方向，电机主要用于为VBIMR 提供动力. 学生在完成图像采集与处理实验后，分别编写舵机、电机的控制程序，并将VBIMR 架起，观察VBIMR 在舵机控制下前轮的转向以及在电机控制下后轮的转动情况.

系统的控制算法流程如图3 所示.

图3 控制算法流程图

3 比赛规则、结果与评估

3.1 比赛规则

竞速比赛分为常规赛和表演赛. 常规赛旨在考核所有学生对基于视觉的图像采集与处理，以及对移动机器人的控制和调节的掌握程度. 而表演赛主要针对基础知识掌握较好、具有一定潜力的学生设置.

3.1.1 常规赛

1）每个小组有3 次机会，每次机会跑2 圈，2 圈以后再经过起始线后停止计时，最终成绩取3 次成绩的最好成绩.

2）在VBIMR 行驶过程中，不允许驶出跑道，冲出跑道则重新开始，若只有1 个轮子驶出跑道而后又回到赛道，则扣分，轮子压线仍算在跑道内.

3）若3 次机会VBIMR 均未完成任务，而基本程序操作到位，则只算及格.

3.1.2 表演赛

在完成常规赛的基础上，小组可以自行选择增加难度，加分项目如下：1）采用闭环控制同时针对弯道有识别减速；2）VBIMR 能够识别起跑线，在跑2 圈后自动停下.

本学期共有12 人参与该课程的学习，学生们自由组合成以3 个人为单位的学习小组. 在实验准备过程中，小组负责人根据本组具体的实验进度以及遇到的实际问题不定期组织小组讨论. 最后在经过常规赛、表演赛、实验报告的书写、PPT 制作等不同形式的训练后，任课教师组织了课堂展示环节，每个小组选1 名同学对本次实验做总结陈述，不足之处由小组内另外两名同学进行补充，与所有学生分享实验的经验与教训.

3.2 结果与评估

实验结果表明所有学生均实现了VBIMR 在赛道的平稳运行，掌握了基于视觉的图像采集与处理，以及对VBIMR 的控制和调节的基本流程，掌握了微处理器、电机、舵机、摄像头这些基本的控制元器件的使用方法，形成了自己的认知体系. 其中有3 个小组分别在跑道的二值化处理（图4）、图像滤波（图5）、获取跟踪轨迹（图6）方面提出了自己的算法理念；有1 个小组对舵机、电机的PID 控制算法进行了有限度的改进. 由于受到专业背景的限制，因此并非每1 名学生均提出了属于自己的设计理念，每组有1 名同学在实现VBIMR平稳运行的基础上提出了自己的创新理念，其他2 名同学均协助其完成程序的编写以及后续PPT 制作、课堂展示等相关工作，并在此过程中进一步加强学习.

图4 跑道的二值化处理

图5 滤波后的跑道二值化图

图6 跑道的轨迹提取

实验报告以及课堂展示的结果表明，两种考核方式有效地锻炼了学生的书面和语言的逻辑表达能力，对本学期的课程做了全方位的总结，并在课堂展示的过程中通过学生演讲、教师提问的互动方式查漏补缺.

4 教学方法评估

为了调查学生本学期的学习收获情况以及学生对本课程的反馈意见，课程结束后，对2018 年（PBL 教学模式）和2019 年（CBL 教学模式）选择本课程的学生进行了问卷调查，具体问题如下：

Ⅰ.你是否掌握了基于视觉的图像采集与处理的基本流程？

Ⅱ.你认为是否实现了基于视觉的图像采集与处理与传统机电一体化知识的深度融合？

Ⅲ.是否激发了你的学习兴趣与热情？

Ⅳ.你的团队协作能力和创新能力是否得到提高？

Ⅴ.你认为实验报告和汇报演讲是否有必要？

Ⅵ.你认为通过本课程的学习对未来研究方向是否有一定的启发作用？

Ⅶ.你认为教学过程是否体现了“让每个学生有收获，使更多学生有创新”的教育理念？

对于PBL、CBL 两种教学模式，学生们只需选择A（完全赞同）、B（基本赞同）、C（可有可无）、D（不赞成）即可.

最终收到了24 份反馈答卷，其中2018 年和2019 年选择本课程的人数分别为12 人. 83.33%的同学认为采用CBL 的教学模式能够实现图像采集与处理技术与传统机电一体化内容的深度融合，超过对于PBL 教学模式的认可程度（33.33%）. 在“对未来个人研究方向是否有一定的启发作用”方面，91.67%的学生认为CBL 的教学模式在一定程度上拓宽了其研究生选题方向，具有较好的启发作用，远远高出对PBL 教学模式的认可程度（41.67%）. 此外，相同比例的同学认为CBL 的教学模式较好地体现了“让每个学生有收获，使更多学生有创新”的教育理念.

5 结论

从培养具有扎实专业基础、实践应用能力强的复合型专业人才要求出发，将图像采集与处理技术引入具有机械专业背景的学生课堂，以VBIMR 为平台，以巡线竞速为任务，提出了CBL 的教学模式. 经过一学期的探索实践，考核结果和调查结果均表明CBL 的教学模式以及VBIMR 教学平台能够有效地满足教学需求.

本学期的教学实践具有以下两方面的特点：

第一，采用CBL 的教学模式将图像采集与处理这一跨专业的学科知识融入传统的机械课程，为机器人的智能化走进机械专业的课堂作了有益探索.

第二，在保证每个学生掌握基本理论知识的同时，通过常规赛与表演赛相结合、实验报告与课堂展示相结合的考核方式，进一步巩固了学生对理论知识的掌握，提升了学生的动手能力、写作能力和语言表达能力，大大激发了学生的学习兴趣和热情.

尽管如此，笔者认为未来还有以下两方面的工作有待改进：

第一，常规赛与表演赛的评价规则不应仅以时间最短作为考核标准，应综合考虑学生对基础知识的掌握程度制定更为多样性和客观化的考核标准.

第二，可以考虑将教学平台设计为具有鲜明工业背景的移动机械手，以工业生产中常见的搬运或分拣为任务目标，开展基于视觉的图像采集与处理教学活动.