摘 要：“项目导入+任务驱动”教学方法以学生的自主探索为基础，进而主动学习掌握新知识，极大调动了学生的积极性，培养了学生的创新能力。基于穴盘苗移栽机器人项目的实践教学，主要通过教师的先行引导，让学生对教学目标有一个初步的理解，激发学生学习的原动力，进而激发其共同研究探索项目的积极性。通过项目化学习，不仅培养了学生分析问题和解决问题的能力，而且提高了学生的创新能力和职业素养。
关键词：项目导入；任务驱动；自主探究；移栽机器人
中图分类号：TP242；TP391.41 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2018）09-0185-03
Abstract：The teaching method of“project introduction + task driven”is based on students independent exploration，thus actively learning and mastering new knowledge，greatly arousing students enthusiasm and cultivating students innovative ability. The practical teaching based on the plug seedling transplanting robot project is mainly guided by the teachers so that the students can have a preliminary understanding of the teaching objectives and stimulate the motive force of the students learning，and then stimulate the enthusiasm of their joint research and exploration projects. Through project-based learning，students ability to analyze and solve problems is not only cultivated，but also their innovative ability and professional quality are improved.
Keywords：project introduction；task driven；self exploration；transplanting robot
0 引 言
以穴盘苗移栽机器人项目作为学习新知识的导引，并将其分解成一个个具体包含新知识点的任务，让学生通过自己的努力思考解决各项任务，充分调动学生探究知识的积极性和主动性。从方案讨论、零部件的选择、资料查找、数据处理、原理分析和问题判断到项目制作完成等一系列过程，都需要学生自主学习创新。通过项目学习，学生除掌握综合专业知识、提高操作能力外，更重要的是锻炼了自己在实践中进行知识探索的能力和创新能力。
1 项目导入
教育家陶行知所倡导的“在学中做，在做中学”的教育理论，即：项目导入。将新项目贯穿于机器人实践教学过程中，通过项目进行新知识的引入，激发学生学习的原动力；让学生在实际操作中完成项目中相关参数的选择和计算，巩固所学理论知识，做到融会贯通；最终通过项目的成功制作，使学生获得成功的体验，真正达到全面提高学生综合职业素质的目的。
目前，我国穴盘育苗栽培的面积越来越广，在育苗过后，移栽又是一个极其困难的问题，不但消耗大量的空间和财力，还因为劳动强度大而使得移栽者无法长时间工作，同时移栽的技术也需要一定保障，对移栽者也提出了更高的要求。设计一款自动移苗机器人可代替人工实现这些重复单调的工作。国外移栽机械研究起步较早，已设计出多种适合穴盘育苗的全自动移栽机，用于茄子、辣椒、油菜、甜菜等蔬菜穴盘育苗的移栽。国内也出现了一些关于自动取苗、送苗、栽苗机构的研究。教师在进行教学时要先进行引导，让学生对教学目标有一个初步的理解，进而来一起研究项目设置的合理性和科学性，激发学生的创新能动性[1]。
2 任务驱动
学生在教师的指导下，通过小组合作对项目进行系统的讨论分析，分解任务，制定出相应的解决方案，这些方案可用作考察学生的重要依据之一。不同学生接受知识的能力往往会有很大的差异，教师要从学生实际出发，充分考虑学生现有的知识、认知能力、兴趣等特点，做到让每个学生的能力得到充分发挥。教师可以适当干预，有意识地让学生轮岗，针对项目中拆解的任务进行分工、制定实施步骤和要求，确保每个学生在项目中都能完成任务。将穴盘苗移栽机器人项目拆解为：（1）通过滑轨与同步带的运动带动移苗装置，电机输送组件将要移栽的穴盘平稳地送到指定位置；（2）两红外避障对花盆进行检测，确定电机的移动；（3）通过继电器控制打孔器和抓取装置的工作，从而达到自动插苗的目的；（4）通过电机带动同步带来实现由抓取装置和打孔器组成的夹持组件的精确移动；（5）利用气压产生动力，利用电磁阀和继电器控制对花盆进行打孔与插苗[2]。项目小组针对不同的学生完成不同的任务，这样不同程度的学生都有了符合自己特征的学习任务，符合分层次教学的需要，制作过程中学生自主探究，小组协作交流、取长补短，既完成任务又巩固了知识，极大地调动了他们学习的积极性，同时也培养了学生的创新能力。
3 小组分工协作完成任务
根据具体任务，由小组成员协商制定一套切实可行且有理论依据的制作方案，明确目标以及每个人的分工。穴盘苗移栽机器人的设计由机械设计和软件控制两部分构成，在制作过程中小组成员之间必须相互配合，共同协作。学生为完成任务不断努力，提高了学生的能动性，学生自主学习意识增强，不断整合自己的知识体系并综合运用，进而完成各项任务，完成整个项目。机械设计部分的难点在于选择机器人在该环境下的运行方式以及机械手的抓取设计，各组根据讨论分析情况，将穴盘苗移栽机器人项目分解成如下任务。
3.1 运行结构的选择
方案一：轮式结构
优点：效率高、易于控制、走行准确；
缺点：在棚顶不易精确定位，通过能力差。
方案二：滑轨式
优点：可以精确定位，清除效果好；
缺点：成本高，不易拆卸。
对比上述方案，确定选择采用滑轨式+轮式的组合机构：纵向滑轨，使得机器人可以沿着两个方向移动并且稳定而精确。横向的轮式运行机构，承重能力强，易于控制。同时采用滑轨+同步带的设计，由滑轨确定运行路径，同步带和电机共同协作实现移苗机构的精确定位，并且确保整套系统运转平稳。
3.2 移苗结构设计方案
机械部分由底盘组件、输送组件和夹持组件构成。底盘组件是由步进电机、电机座、H型槽轮组成，由前面的槽轮固定在轨道上，配合后面的驱动轮为整个机器人提供动力，使机器人移动灵活的同时更具有稳定性[3]。输送组件是由光杆、联轴器、步进电机、同步带、轴承座、滚轴、铝杆组成，输送组件传送带上方设有可进行水平和竖直移动的移栽定位机构和穴盘定位机构，作用是同步带加电机控制与底盘机构连接，将要移栽的穴盘平稳地送到指定位置，其设计使用同步带加电机，控制精确，运动平稳。驱动抓取装置的上下左右运行，实现位置精准调节的功能。夹持组件是由步进电机、导轨、气缸、打孔器、抓取器、同步带、轴承座、同步带轮组成，利用气压产生动力，利用电磁阀和继电器进行控制，红外避障放置于输送组件机构一侧，检测花盆后，同步带带动两个组件运动，流畅准确。光电传感器模块主要用于检测花盆，以便控制电机运动进行打孔插苗等工作。
3.3 控制系统设计方案
穴盘苗移栽机器人的控制部分采用基于STM32芯片的嵌入式控制系统，它通过安装在机器人周围的各种传感器对收集来的信号进行综合处理，然后给相应地电机、执行器发送指令，从而完成各种各样的操作，如图1所示。最小系统板采用STM32F103ZET6作为核心控制单元用于车的控制系统。使用编码器作为速度传感器编码器返回的信号可以形成闭环，使用PID控制电机转速。
4 成果展示与评价
在各小组完成任务后，将这些项目进行汇总，展示给大家。要求学生对所学的知识进行相应的回忆和总结，运用现代教学工具来和所有同学分享相关的经验和成果。运用教师的评价系统，根据各种不同的评价方式来进行综合评价，在教师帮助学生解决疑难问题的时候，教师也可以采取互动的方式来对学生的经验做出相应的评价，在此基础上分享各个分组在解决问题中所遇到的问题和具体操作过程等。
通过现实项目的提供，充分调动了学生的主观能动性，学生能够积极主动地通过各种方式获取知识来完成任务。在项目完成过程中，学生针对项目当中所遇到的难点进行集体分析、相互讨论、共同解决，能够较好地提升学生的综合能力和团队意识。教师在整个过程中为学生学习把握方向，成为项目的掌舵人。学生通过自主学习，增强了自信心和求知欲，知识广度和深度得到进一步的扩展，同时也能培养和锻炼自己的逻辑思维及创造性思维。摈弃传统的老师课堂“满堂灌”的方式，通过分工协作方式，让学生充分发挥各自的能力，从中获得的知识经验会使他们受益匪浅。通过思考解决问题、完成项目，学生的自学能力得到较大的提高，了解到面对问题首先要进行分析、讨论、搜集，从而培养了学生自学的意识，使他们能够在遇到问题时自觉地对问题进行分析并通过合作的方式来解决。
参考文献：
[1] 齐飞，魏晓明，张跃峰.中国设施园艺装备技术发展现状与未来研究方向 [J].农业工程学报，2017，33（24）：1-9.
[2] 王永维，何焯亮，王俊，等.旱地蔬菜钵苗自动移栽机栽植性能试验 [J].农业工程学报，2018，34（3）：19-25.
[3] 吴俊，汤庆，袁文胜，等.油菜毯状苗移栽机开沟镇压部件设计与参数优化 [J].农业工程学报，2016，32（21）：46-53.
作者简介：马丽丽（1981.10-），女，汉族，山东寿光人，毕业于曲阜师范大学，高校讲师，本科。研究方向：计算机应用、数据处理。
