◆金涵遜 倪受東 楊飛彪 付昌義 袁祖強(qiáng) 周雨朋

基于項(xiàng)目的大學(xué)生學(xué)習(xí)方法研究*
——以六自由度機(jī)器人開發(fā)項(xiàng)目為例

◆金涵遜 倪受東 楊飛彪 付昌義 袁祖強(qiáng) 周雨朋

全面介紹基于項(xiàng)目學(xué)習(xí)（PBL）的定義、內(nèi)涵、構(gòu)成要素、分析方法以及項(xiàng)目設(shè)計(jì)與實(shí)施步驟，并以“六自由度機(jī)器人開發(fā)”項(xiàng)目的每一個(gè)步驟詳細(xì)討論項(xiàng)目學(xué)習(xí)模式的理論、方法以及可以鍛煉大學(xué)生的能力，從而為高校開展以實(shí)際項(xiàng)目為載體培養(yǎng)創(chuàng)新型卓越工程師進(jìn)行有效的探索與實(shí)踐。

基于項(xiàng)目學(xué)習(xí)；大學(xué)生；六自由度機(jī)器人

1 前言

在我國頒布的《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010—2020年）》中，教育部等部門要求全面提高我國高等教育的質(zhì)量，并提高人才培養(yǎng)質(zhì)量，強(qiáng)化教學(xué)中實(shí)踐環(huán)節(jié)，優(yōu)化教育結(jié)構(gòu)，擴(kuò)大應(yīng)用型、復(fù)合型、技能型人才培養(yǎng)規(guī)模，要特別重視學(xué)生學(xué)習(xí)能力、實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)和提高[1]。

已經(jīng)有很多國內(nèi)外學(xué)者對基于項(xiàng)目學(xué)習(xí)（PBL）進(jìn)行了詳細(xì)研究。Thomas J W、沈建新等人[2-4]詳細(xì)研究了PBL模式的發(fā)展歷程，劉景福等人[5]研究了PBL在信息技術(shù)人才培養(yǎng)方面的作用。然而我國大學(xué)生已經(jīng)習(xí)慣于老套授課形式的培養(yǎng)，被動(dòng)接受教師上課的內(nèi)容。這對于培養(yǎng)大學(xué)生尤其是培養(yǎng)復(fù)合型工科大學(xué)生是有害無益的。因此，尋求具有吸引力的高度綜合的實(shí)踐教學(xué)載體是解決該問題的一種有效方式。實(shí)踐表明，以智能機(jī)器人為載體的工程實(shí)踐教學(xué)對提升學(xué)生的工程能力和創(chuàng)新意識具有明顯的效果[6]。

本文首先回顧PBL的基本概念、特征，后以南京工業(yè)大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院2014年度江蘇省創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃“六自由度機(jī)器人開發(fā)”項(xiàng)目為例，具體闡述PBL在工科教學(xué)項(xiàng)目中的具體應(yīng)用。

2 基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)的概念

定義 目前，PBL在國內(nèi)外有很多定義形式，并沒有固定的定義方法。通俗一點(diǎn)兒講，“基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)”中的“項(xiàng)目”兩個(gè)字是普通的“項(xiàng)目”在教學(xué)領(lǐng)域的延伸和相對具體的應(yīng)用。因此，基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)方向指的是以學(xué)科的基

本概念和原理為中心，在真實(shí)世界中借助多種資源開展探究活動(dòng)，并在一定時(shí)間內(nèi)解決一系列相互關(guān)聯(lián)著的問題的一種新型的探究性學(xué)習(xí)模式。

*項(xiàng)目來源：江蘇省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目（201313905010Y）。

作者：金涵遜，南京工業(yè)大學(xué)，主要研究方向?yàn)橄冗M(jìn)材料力學(xué)性能；倪受東，南京工業(yè)大學(xué)副教授，主要研究方向?yàn)闄C(jī)器人技術(shù)及其應(yīng)用、智能機(jī)電系統(tǒng)；楊飛彪、付昌義、袁祖強(qiáng)、周雨朋，南京工業(yè)大學(xué)（211816）。

目前，“基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)”是在美國中小學(xué)廣泛采用的一種探究性學(xué)習(xí)模式。它的理論基礎(chǔ)是建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論、杜威的實(shí)用主義教育理論和布魯納的發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)理論，在此將全面介紹這種學(xué)習(xí)模式的定義、構(gòu)成要素、特征和操作程序等。這種模式對于我國大學(xué)工科專業(yè)實(shí)踐研究性學(xué)習(xí)的開展有較大的借鑒作用，因此研究PBL對工科大學(xué)生的培養(yǎng)有巨大的價(jià)值。

構(gòu)成要素 基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)主要由四大要素構(gòu)成，分別是：1）內(nèi)容；2）活動(dòng)；3）情境；4）結(jié)果。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

特征 基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)作為探究性學(xué)習(xí)的一種，注重發(fā)揮學(xué)習(xí)者的主動(dòng)性，通過參與完整的項(xiàng)目進(jìn)程，獲取知識與技能。這一新的教學(xué)模式顯然有別于傳統(tǒng)的教學(xué)模式，有其自身顯著的特征。

1）項(xiàng)目真實(shí)而具體?；陧?xiàng)目的學(xué)習(xí)的項(xiàng)目，一般與生活、工作密切相關(guān)，學(xué)習(xí)者面對的是真實(shí)、具體的問題，而不僅僅是某個(gè)抽象的學(xué)習(xí)問題。這樣有助于調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)興趣、積極性與創(chuàng)造性；真實(shí)、豐富的項(xiàng)目學(xué)習(xí)體驗(yàn)，有助于知識的記憶與理解、技能的鍛煉。

2）學(xué)習(xí)內(nèi)容具有綜合性和開放性。因?yàn)檫@些學(xué)習(xí)內(nèi)容涉及源于生活的激發(fā)性的問題，要解決這些問題需要多學(xué)科的知識，有時(shí)單靠一門學(xué)科的知識可能無法解決所有問題。項(xiàng)目的設(shè)計(jì)是具有開放性的，一個(gè)個(gè)項(xiàng)目中融合了知識與操作，不局限于課本，可以從多個(gè)角度進(jìn)行分析，以多種方式完成。

3）學(xué)習(xí)途徑多樣而協(xié)同。學(xué)習(xí)者可以選擇和使用各種認(rèn)知工具獲取、整理和歸納信息，來輔助自己的學(xué)習(xí)。在數(shù)字化、信息化的當(dāng)下，學(xué)習(xí)者可以充分利用數(shù)字化學(xué)習(xí)資源，如利用QQ實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)交流，利用微博實(shí)現(xiàn)快速分享，以及利用網(wǎng)絡(luò)云課堂、專題學(xué)習(xí)網(wǎng)站等實(shí)現(xiàn)在線學(xué)習(xí)、交流與協(xié)作，提高學(xué)習(xí)效率。

基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)旨在把學(xué)生融入有意義的任務(wù)完成的過程中，讓學(xué)生積極地學(xué)習(xí)、自主地進(jìn)行知識的建構(gòu)，以現(xiàn)實(shí)的學(xué)生生成的知識和培養(yǎng)起來的能力為最高成就目標(biāo)，對學(xué)習(xí)結(jié)果的評價(jià)則著重學(xué)習(xí)的過程而非只看重學(xué)習(xí)的結(jié)果。

3 基于項(xiàng)目的工科大學(xué)生學(xué)習(xí)思路及方法

項(xiàng)目活動(dòng)是一個(gè)兼動(dòng)手和動(dòng)腦學(xué)習(xí)的復(fù)雜的認(rèn)知過程?；陧?xiàng)目的學(xué)習(xí)方式是以學(xué)生的行動(dòng)為導(dǎo)向的，其重點(diǎn)在于做什么而不是學(xué)什么。基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)方式在以下四個(gè)領(lǐng)域得以實(shí)現(xiàn)的：獲得知識并應(yīng)用、交流、協(xié)作以及獨(dú)立學(xué)習(xí)。教師所期望的學(xué)習(xí)結(jié)果就是要促進(jìn)學(xué)生發(fā)展認(rèn)知技能。

在工科科研中實(shí)施基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)通常分為設(shè)計(jì)項(xiàng)目、分組分工、探究協(xié)作、制作作品、匯報(bào)演示和總結(jié)評價(jià)等六個(gè)基本步驟。通過這六個(gè)基本步驟，學(xué)生可以鍛煉口頭表達(dá)、交流匯報(bào)、小組合作、專業(yè)知識實(shí)際運(yùn)用等多種能力，更好地符合我國復(fù)合型工科人才的培養(yǎng)目標(biāo)。

4 實(shí)踐案例：PBL在“六自由度工業(yè)機(jī)器人開發(fā)”項(xiàng)目中的應(yīng)用

南京工業(yè)大學(xué)對本科學(xué)生參與科研方面給予比較大的支持。2014年10月份，南工大機(jī)械學(xué)院一名大四學(xué)生在大三期間發(fā)表的7篇論文（其中還有一篇EI論文[7]）被《南京日報(bào)》《中國青年報(bào)》等媒體報(bào)道轉(zhuǎn)載。同時(shí)，該學(xué)生還參加了“六自由度機(jī)器人開發(fā)”項(xiàng)目，該項(xiàng)目是南京工業(yè)大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院2014年度江蘇省創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃的重點(diǎn)項(xiàng)目，目的是擬通過學(xué)生自行設(shè)計(jì)、制造一個(gè)六自由度小型工業(yè)機(jī)器人機(jī)械本體，購買驅(qū)動(dòng)用的步進(jìn)電機(jī)或舵機(jī)，并用單片機(jī)自行設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)該機(jī)器人的控制。學(xué)生通過這樣一個(gè)實(shí)訓(xùn)的過程，將所學(xué)的機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)及機(jī)電控制課程的知識在真正的設(shè)計(jì)實(shí)踐中得到運(yùn)用和提升。

下面通過本項(xiàng)目中設(shè)計(jì)項(xiàng)目、分組分工、探究協(xié)作、制作作品、匯報(bào)演示和總結(jié)評價(jià)六個(gè)基本步驟，詳細(xì)闡述基于項(xiàng)目學(xué)習(xí)的過程以及對大學(xué)生能力的培養(yǎng)。

項(xiàng)目設(shè)計(jì) 機(jī)器人作為一個(gè)多學(xué)科交叉融合的機(jī)電一體化載體，涵蓋了機(jī)械、電氣、計(jì)算機(jī)科學(xué)、材料科學(xué)等諸多大類學(xué)科，應(yīng)用范圍涉及日常生活乃至軍事應(yīng)用各個(gè)領(lǐng)域。國外高校如美國麻省理工大學(xué)、斯坦福大學(xué)等在PBL教學(xué)模式中都使用機(jī)器人來鍛煉在校學(xué)生的能力，這種教育教學(xué)取得明顯的成效[8]。

于是，本項(xiàng)目在項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段考慮到學(xué)生實(shí)際所學(xué)的機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)電一體化等課程，決定使用SolidWords三維軟件設(shè)計(jì)一款基于單片機(jī)控制的六自由度工業(yè)機(jī)器人，機(jī)器人三維效果圖如圖2所示。

分組分工 當(dāng)完成項(xiàng)目任務(wù)布置后，需要完成小組成員的分組任務(wù)。本項(xiàng)目中，小組總共有六名學(xué)生。通過開第一次全體會議，安排每名學(xué)生負(fù)責(zé)一個(gè)模塊的設(shè)計(jì)任務(wù)。比如：兩名學(xué)生負(fù)責(zé)機(jī)器人的機(jī)械手三維設(shè)計(jì)，兩名學(xué)生負(fù)責(zé)機(jī)器人大臂運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)等。通過分組分工，優(yōu)化小組資源，讓每名小組成員都在擅長的領(lǐng)域發(fā)揮自身優(yōu)勢。

探究協(xié)作 在當(dāng)今大科學(xué)時(shí)代，任何科學(xué)研究都離不開合作[9]。本項(xiàng)目中，處處都需要合作交流。而這種在實(shí)際項(xiàng)目中合作交流的能力，是我國工科大學(xué)生培養(yǎng)計(jì)劃中所缺失的。本項(xiàng)目中，在機(jī)械三維設(shè)計(jì)階段，小組成員需要共同合作，核對各人設(shè)計(jì)任務(wù)的基本尺寸，才能把每人的設(shè)計(jì)部分完美地拼接起來。小組成員在協(xié)作中互相學(xué)習(xí)，發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，使得項(xiàng)目能夠順利進(jìn)行。這種完成實(shí)際課題中的合作交流能力在大學(xué)生未來走向工作崗位時(shí)也是十分重要的。

作品制作 當(dāng)完成機(jī)器人三維設(shè)計(jì)時(shí)，則需要完成機(jī)器人實(shí)體的加工。小組成員利用各種資源，親手使用數(shù)控機(jī)床、磨床、線切割等現(xiàn)代加工設(shè)備對每一個(gè)零部件進(jìn)行加工。在這個(gè)過程中鍛煉了工科大學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力。成品如圖3所示。

圖3 機(jī)器人成品

演示匯報(bào) 演示匯報(bào)作為整個(gè)項(xiàng)目對外展示的一個(gè)環(huán)節(jié)，其重要性不容小覷。這個(gè)環(huán)節(jié)往往需要小組成員制作使用演示文稿演講并回答專家提問，而這個(gè)環(huán)節(jié)恰恰被很多大學(xué)生忽略。本項(xiàng)目也參加了很多基金項(xiàng)目的申報(bào)，如江蘇省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃，并且參加了第五屆全國大學(xué)生過程裝備與控制大賽等競賽。這些環(huán)節(jié)都需要匯報(bào)演示。小組在討論后，一起制作了PPT，并且突出演講重點(diǎn)，演講者也做了充分的準(zhǔn)備，并對專家的問題作出一些預(yù)判。在現(xiàn)場答辯中，獲得了專家的一致好評，并獲得了不錯(cuò)的比賽結(jié)果。大學(xué)生的演示文稿制作能力、口語表達(dá)能力在本次活動(dòng)中得到很好的鍛煉。

總結(jié)評價(jià) 即便一個(gè)完成很好的項(xiàng)目，也要及時(shí)做出總結(jié)。本項(xiàng)目總結(jié)會上，指導(dǎo)教師首先對小組的努力表達(dá)肯定，隨后對項(xiàng)目進(jìn)行中做得不太好的部分進(jìn)行總結(jié)。比如在機(jī)械設(shè)計(jì)部分沒有考慮機(jī)器人手臂自重而造成下垂現(xiàn)象，造成現(xiàn)場演示效果沒有達(dá)到預(yù)期。在總結(jié)中，小組成員吸取教訓(xùn)，并表示在以后的設(shè)計(jì)任務(wù)中會更加細(xì)心。

5 結(jié)論

本文首先提出基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)（PBL）的概念以及學(xué)習(xí)方法，隨后用項(xiàng)目“六自由度機(jī)器人開發(fā)”具體闡述PBL模式中大學(xué)生學(xué)習(xí)能力的鍛煉過程。PBL模式不僅提高了大學(xué)生的實(shí)踐能力，還有效培養(yǎng)了學(xué)生的合作能力和創(chuàng)新思維。高校應(yīng)該結(jié)合學(xué)科和學(xué)生的不同特點(diǎn)來運(yùn)用PBL模式，在實(shí)踐中去探索和總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，更好地為大學(xué)工科教育實(shí)踐所用。

[1]顧明遠(yuǎn).學(xué)習(xí)和解讀《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010—2020）》[J].高等教育研究,2010(7):1-6.

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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