機(jī)器人編程與實踐教學(xué)大綱

PAGEPAGE12《機(jī)器人編程與實踐》課程教學(xué)大綱一、課程基本信息課程名稱機(jī)器人編程與實踐課程編號65課程性質(zhì)選修課課程類別專業(yè)課開課單位機(jī)械電子教研室授課學(xué)期第7學(xué)期學(xué)分/學(xué)時2/32課內(nèi)學(xué)時32理論授課16上機(jī)學(xué)時12課內(nèi)實踐實驗學(xué)時4課外學(xué)時32適用專業(yè)機(jī)械電子工程是否雙語否先修課程Python編程與工程實踐后續(xù)課程無二、課程簡介《機(jī)器人編程與實踐》是機(jī)械電子工程專業(yè)的專業(yè)選修課，為實踐性較強(qiáng)的一門課程。本課程以人形機(jī)器人NAO為對象、以Python為編程語言，講授機(jī)器人程序設(shè)計，具體包括NAO機(jī)器人系統(tǒng)概述、Python編程基礎(chǔ)、NAO編程基礎(chǔ)、運(yùn)動控制、音頻處理、視覺處理、傳感器等。通過以上理論講授、上機(jī)練習(xí)及實驗，培養(yǎng)學(xué)生掌握機(jī)器人編程的基本理論，基本方法、具備設(shè)計NAO機(jī)器人應(yīng)用程序的編程實踐能力，全面考核學(xué)生對機(jī)器人知識的掌握、運(yùn)用、分析問題、解決問題能力,使學(xué)生具備解決NAO機(jī)器人典型控制、編程實踐能力、創(chuàng)新能力和機(jī)器人應(yīng)用程序設(shè)計開發(fā)能力。三、課程目標(biāo)及對畢業(yè)要求指標(biāo)點的支撐（一）課程目標(biāo)通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生達(dá)到以下目標(biāo)：課程目標(biāo)1.（知識目標(biāo)）描述NAO機(jī)器人系統(tǒng)，領(lǐng)會Python語言及NAO編程基礎(chǔ)知識，應(yīng)用運(yùn)動控制、音頻處理、視覺處理、傳感器模塊，編寫NAO機(jī)器人程序；課程目標(biāo)2.（能力目標(biāo)）掌握基于Python的NAO機(jī)器人API，實現(xiàn)NAO機(jī)器人運(yùn)動控制、音頻處理、視覺處理、傳感器信號采集任務(wù)；課程目標(biāo)3.（價值塑造）分析NAO機(jī)器人典型任務(wù)、編程實現(xiàn)的步驟、方法，在分析解決問題的過程中，培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)精神、系統(tǒng)化思想，驅(qū)動開放、創(chuàng)新性思維。（二）課程目標(biāo)對畢業(yè)要求指標(biāo)點的支撐課程目標(biāo)支撐畢業(yè)要求指標(biāo)點畢業(yè)要求課程目標(biāo)1課程目標(biāo)2指標(biāo)點1-4：1-工程知識課程目標(biāo)3指標(biāo)點2-2：2-問題分析四、課程基本教學(xué)內(nèi)容及對課程目標(biāo)的支撐（一）課程基本教學(xué)內(nèi)容第一單元NAO機(jī)器人概述（學(xué)時數(shù)：2學(xué)時）1.課程主要內(nèi)容NAO機(jī)器人系統(tǒng)組成、NAO關(guān)節(jié)運(yùn)動模型、NAOqi框架。2.重點和難點重點：NAO機(jī)器人系統(tǒng)組成、NAO關(guān)節(jié)運(yùn)動模型。難點：NAOqi框架。3.教學(xué)方法課堂講授、課上討論。1.通過多媒體課件和傳統(tǒng)教學(xué)相結(jié)合，闡明NAO機(jī)器人系統(tǒng)組成、NAO關(guān)節(jié)運(yùn)動模型。2.通過課上討論，強(qiáng)調(diào)理論與實踐相結(jié)合，促進(jìn)學(xué)生理解NAOqi框架，培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)思維能力；4.學(xué)生學(xué)習(xí)預(yù)期成果描述NAO機(jī)器人系統(tǒng)組成、理解NAO關(guān)節(jié)運(yùn)動模型，分析NAOqi框架的意義及其與Python的關(guān)系。5.支撐課程目標(biāo)課程目標(biāo)1。第二單元Python編程基礎(chǔ)（學(xué)時數(shù)：2學(xué)時）1.課程主要內(nèi)容Python程序的基本結(jié)構(gòu)、語法，面向?qū)ο蟮拇a風(fēng)格。2.重點和難點重點：Python程序的基本結(jié)構(gòu)、語法。難點：Python面向?qū)ο缶幊田L(fēng)格。3.教學(xué)方法課堂講授、課上討論。1.通過多媒體課件和傳統(tǒng)教學(xué)相結(jié)合，總結(jié)Python程序的基本結(jié)構(gòu)、語法。2.通過課上討論，強(qiáng)調(diào)理論與實踐相結(jié)合，分析歸納面向?qū)ο蟮拇a風(fēng)格，培養(yǎng)學(xué)生的綜合分析能力；4.學(xué)生學(xué)習(xí)預(yù)期成果描述Python程序的基本結(jié)構(gòu)、語法。理解面向?qū)ο蟮拇a風(fēng)格，能在教師的引導(dǎo)下閱讀書中的代碼。5.支撐課程目標(biāo)課程目標(biāo)1、課程目標(biāo)2。第三單元NAO編程基礎(chǔ)（學(xué)時數(shù)：2學(xué)時）1.課程主要內(nèi)容使用NAOqi框架、具體包括進(jìn)程、模塊、方法調(diào)用、內(nèi)存等內(nèi)容。2.重點和難點重點：NAOqi框架、進(jìn)程、模塊的概念。難點：方法調(diào)用、內(nèi)存管理。3.教學(xué)方法課堂講授、課上討論。1.通過多媒體課件和傳統(tǒng)教學(xué)相結(jié)合，闡明如何使用NAOqi框架。2.通過課上討論，強(qiáng)調(diào)理論與實踐相結(jié)合，促進(jìn)學(xué)生把握進(jìn)程、模塊、方法調(diào)用、內(nèi)存等關(guān)鍵問題，培養(yǎng)學(xué)生的反思能力；4.學(xué)生學(xué)習(xí)預(yù)期成果描述NAOqi框架如何使用，理解并重視進(jìn)程、模塊、方法調(diào)用、內(nèi)存等關(guān)鍵問題。5.支撐課程目標(biāo)課程目標(biāo)1、課程目標(biāo)2。第四單元運(yùn)動控制（學(xué)時數(shù)：4學(xué)時）1.課程主要內(nèi)容關(guān)節(jié)：包括頭部關(guān)節(jié)、臂部關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié)、腿部關(guān)節(jié)、電機(jī)，ALRobotPosture預(yù)定義姿勢，Motion模塊：包括剛度控制、關(guān)節(jié)控制、運(yùn)動控制方法。2.重點和難點重點：關(guān)節(jié)、剛度控制、關(guān)節(jié)控制。難點：運(yùn)動控制方法3.教學(xué)方法課堂講授、課上討論。1.通過多媒體課件和傳統(tǒng)教學(xué)相結(jié)合，闡明NAO關(guān)節(jié)、ALRobotPosture。2.通過課上討論，強(qiáng)調(diào)理論與實踐相結(jié)合，促進(jìn)學(xué)生理解Motion模塊的方法調(diào)用關(guān)鍵問題，培養(yǎng)學(xué)生的分析、解決問題能力；4.學(xué)生學(xué)習(xí)預(yù)期成果描述關(guān)節(jié)及預(yù)定義姿勢，理解運(yùn)動控制的關(guān)鍵問題，能編寫NAO機(jī)器人運(yùn)動控制Python程序。5.支撐課程目標(biāo)課程目標(biāo)1、課程目標(biāo)2。第五單元音頻處理（學(xué)時數(shù)：2學(xué)時）1.課程主要內(nèi)容音頻數(shù)據(jù)的概念、數(shù)據(jù)存儲、播放，ALAudioDevice模塊輸入、輸出。聲音檢測與定位，語音識別與合成。2.重點和難點重點：音頻數(shù)據(jù)存儲、播放，ALAudioDevice模塊輸入、輸出。難點：聲音檢測與定位，語音識別與合成3.教學(xué)方法課堂講授、課上討論。1.通過多媒體課件和傳統(tǒng)教學(xué)相結(jié)合，闡明NAO音頻數(shù)據(jù)、ALAudioDevice模塊。2.通過課上討論，強(qiáng)調(diào)理論與實踐相結(jié)合，促進(jìn)學(xué)生理解NAO聲音檢測與定位，語音識別與合成模塊，培養(yǎng)學(xué)生的分析、解決問題能力；4.學(xué)生學(xué)習(xí)預(yù)期成果描述NAO的音頻系統(tǒng)，理解輸入、輸出的程序關(guān)鍵問題，能編寫NAO機(jī)器人音頻控制Python程序。5.支撐課程目標(biāo)課程目標(biāo)1、課程目標(biāo)2。第六單元視覺處理（學(xué)時數(shù)：2學(xué)時）1.課程主要內(nèi)容視頻設(shè)備、圖像與視頻采集，ALVideoDevice模塊、視頻檢測模塊實例。2.重點和難點重點：視頻設(shè)備，圖像與視頻采集，ALVideoDevice模塊。難點：視頻檢測模塊實例3.教學(xué)方法課堂講授、課上討論。1.通過多媒體課件和傳統(tǒng)教學(xué)相結(jié)合，闡明NAO視頻設(shè)備、ALVideoDevice模塊的使用。2.通過課上討論，強(qiáng)調(diào)理論與實踐相結(jié)合，促進(jìn)學(xué)生理解視頻檢測模塊實例，分析二維碼的檢測，培養(yǎng)學(xué)生的反思能力；4.學(xué)生學(xué)習(xí)預(yù)期成果描述NAO的視覺系統(tǒng)，理解圖像采集、目標(biāo)檢測程序關(guān)鍵問題，能編寫NAO機(jī)器人視覺處理Python程序。5.支撐課程目標(biāo)課程目標(biāo)1、課程目標(biāo)2。第七單元傳感器（學(xué)時數(shù)：2學(xué)時）1.課程主要內(nèi)容NAO機(jī)器人的其它傳感器，包括ALSensor、LBattery、DCM、ALSonar、ALLeds、ALTouch模塊。2.重點和難點重點：NAO機(jī)器人的其它傳感器及編程模塊:ALSensor、LBattery、ALLeds、ALTouch模塊。難點：DCM、ALSonar模塊3.教學(xué)方法課堂講授、課上討論。1.通過多媒體課件和傳統(tǒng)教學(xué)相結(jié)合，闡明NAO機(jī)器人的其它傳感器、及相應(yīng)模塊的使用。2.通過課上討論，強(qiáng)調(diào)理論與實踐相結(jié)合，促進(jìn)學(xué)生理解超聲模塊實例，分析其如何檢測障礙物，培養(yǎng)學(xué)生的反思能力；4.學(xué)生學(xué)習(xí)預(yù)期成果描述NAO機(jī)器人的其它傳感器，能編寫NAO機(jī)器人其它傳感器的Python程序。5.支撐課程目標(biāo)課程目標(biāo)1、課程目標(biāo)2。第八單元Python基礎(chǔ)上機(jī)練習(xí)（學(xué)時數(shù)：4學(xué)時）1.課程主要內(nèi)容Python語法、函數(shù)、對象與類。2.重點和難點重點：程序的邏輯、結(jié)構(gòu)難點：程序的調(diào)試3.實施方式理論+實驗4.學(xué)習(xí)要求學(xué)生運(yùn)用所學(xué)Python語法、函數(shù)、對象與類，編寫程序并調(diào)試，掌握函數(shù)、類的程序設(shè)計方法。5.實驗要求（1）實驗屬性：驗證性實驗（2）開出要求：必做（3）分組要求：1人1組（4）實驗準(zhǔn)備：上機(jī)前要復(fù)習(xí)理論知識并用初步設(shè)計程序代碼（5）其他要求無6.學(xué)生學(xué)習(xí)預(yù)期成果學(xué)生在學(xué)完本單元課程后應(yīng)具有的一定的編程能力，為NAO機(jī)器人程序編寫打下初步基礎(chǔ)。7.支撐課程目標(biāo)課程目標(biāo)1、課程目標(biāo)2第九單元運(yùn)動控制上機(jī)練習(xí)（學(xué)時數(shù)：4學(xué)時）1.課程主要內(nèi)容運(yùn)動控制程序編程的流程和方法、姿態(tài)的控制、剛度控制、行走的控制。2.重點和難點重點：運(yùn)動控制程序編程的流程和方法難點：程序的調(diào)試3.實施方式理論+實驗4.學(xué)習(xí)要求學(xué)生運(yùn)用所學(xué)Python語語言，編寫姿態(tài)的控制、剛度控制、行走的控制程序并調(diào)試，掌握運(yùn)動控制程序的設(shè)計方法。5.實驗要求（1）實驗屬性：驗證性實驗（2）開出要求：必做（3）分組要求：1人1組（4）實驗準(zhǔn)備：上機(jī)前要復(fù)習(xí)理論知識并用初步設(shè)計程序代碼（5）其他要求無6.學(xué)生學(xué)習(xí)預(yù)期成果學(xué)生在學(xué)完本單元課程后應(yīng)具有的一定的編程能力，能完成NAO機(jī)器人運(yùn)動控制程序的編寫和調(diào)試。7.支撐課程目標(biāo)課程目標(biāo)3第十單元數(shù)據(jù)采集上機(jī)練習(xí)（學(xué)時數(shù)：4學(xué)時）1.課程主要內(nèi)容NAO圖像采集程序編程的流程和方法、傳感器數(shù)據(jù)采集程序編程的流程和方法。2.重點和難點重點：NAO圖像采集程序的流程和方法、傳感器數(shù)據(jù)采集程序的流程和方法。難點：程序的調(diào)試3.實施方式理論+實驗4.學(xué)習(xí)要求學(xué)生運(yùn)用所學(xué)Python語語言，編寫NAO圖像采集、傳感器數(shù)據(jù)采集程序并調(diào)試，掌握視覺與傳感程序的設(shè)計方法。5.實驗要求（1）實驗屬性：驗證性實驗（2）開出要求：必做（3）分組要求：1人1組（4）實驗準(zhǔn)備：上機(jī)前要復(fù)習(xí)理論知識并用初步設(shè)計程序代碼（5）其他要求無6.學(xué)生學(xué)習(xí)預(yù)期成果學(xué)生在學(xué)完本單元課程后應(yīng)具有的一定的編程能力，能完成NAO機(jī)器人數(shù)據(jù)采程序的編寫和調(diào)試。7.支撐課程目標(biāo)課程目標(biāo)3第十一單元綜合實驗（學(xué)時數(shù)：４學(xué)時）1.課程主要內(nèi)容（１）NAO腳步控制、（２）NAO視覺檢測。2.重點和難點重點：控制方法、程序的邏輯、結(jié)構(gòu)難點：程序的調(diào)試3.實施方式理論+實驗4.學(xué)習(xí)要求學(xué)生運(yùn)用所學(xué)機(jī)器人運(yùn)動控制、視覺處理相關(guān)理論，編寫程序并調(diào)試，實現(xiàn)NAO腳步控制、NAO視覺檢測，編程實現(xiàn)機(jī)器人行走、人臉檢測等任務(wù)。5.實驗要求（1）實驗屬性：綜合性實驗（2）開出要求：必做（3）分組要求：1人1組（4）實驗準(zhǔn)備：實驗前要復(fù)習(xí)理論知識并用初步設(shè)計程序代碼（5）其他要求無6.學(xué)生學(xué)習(xí)預(yù)期成果學(xué)生在學(xué)完本單元課程后應(yīng)具有的較強(qiáng)的編程能力，理解并合理使用NAO機(jī)器人編程模塊，完成運(yùn)動控制、視覺處理實驗任務(wù)。7.支撐課程目標(biāo)課程目標(biāo)3（二）課程基本教學(xué)內(nèi)容對課程目標(biāo)的支撐理論課程課程教學(xué)內(nèi)容教學(xué)方法支撐的課程目標(biāo)學(xué)時安排課內(nèi)課外學(xué)時比例第一單元NAO機(jī)器人概述課堂講授、課上討論課程目標(biāo)121：1第二單元Python編程基礎(chǔ)課堂講授、課上討論課程目標(biāo)1、221：1第三單元NAO編程基礎(chǔ)課堂講授、課上討論課程目標(biāo)1、221：1第四單元運(yùn)動控制課堂講授、課上討論課程目標(biāo)1、241：1第五單元音頻處理課堂講授、課上討論課程目標(biāo)1、221：1第六單元視覺處理課堂講授、課上討論課程目標(biāo)1、221：1第七單元傳感器課堂講授、課上討論課程目標(biāo)1、221：1合計161：1實驗課程課程教學(xué)內(nèi)容教學(xué)方法支撐的課程目標(biāo)學(xué)時安排第八單元Python基礎(chǔ)上機(jī)練習(xí)講授+現(xiàn)場指導(dǎo)課程目標(biāo)1、24第九單元運(yùn)動控制上機(jī)練習(xí)講授+現(xiàn)場指導(dǎo)課程目標(biāo)34第十單元數(shù)據(jù)采集上機(jī)練習(xí)講授+現(xiàn)場指導(dǎo)課程目標(biāo)34第十一單元綜合實驗講授+現(xiàn)場指導(dǎo)課程目標(biāo)34合計16五、課程考核及對課程目標(biāo)的支撐（一）課程考核課程成績構(gòu)成（百分制）課程成績構(gòu)成比例考核環(huán)節(jié)目標(biāo)分值考核/評價細(xì)則平時成績30%作業(yè)（百分制）50本門課程5次作業(yè)，主要考核Python編程基礎(chǔ)、運(yùn)動控制、音頻處理、視覺處理及傳感器相關(guān)內(nèi)容。作業(yè)評分具體標(biāo)準(zhǔn)：作業(yè)正確率、書寫規(guī)范性目標(biāo)分值=0.5*作業(yè)平均成績測驗（百分制）40隨堂測驗2次：考核內(nèi)容：NAO機(jī)器人程序設(shè)計理論中關(guān)鍵術(shù)語的理解。評價細(xì)則：表述正確率、書寫規(guī)范性目標(biāo)分值=0.4*測驗平均成績課堂表現(xiàn)（百分制）10按課堂反饋、討論、回答問題參與度綜合評價。目標(biāo)分值=0.1*綜合評價成績實踐成績30%上機(jī)（百分制）50按上機(jī)練習(xí)完成的正確率及先后順序綜合評價目標(biāo)分值=0.5*綜合評價成績綜合實驗（百分制）50考核內(nèi)容及評價細(xì)則2次實驗報告成績目標(biāo)分值=0.5*實驗報告成績期末考試40%知識40考核內(nèi)容：所有教學(xué)內(nèi)容考試題型：分析題、設(shè)計題評價細(xì)則：采用開卷線下考試，共計100分，按試卷參考答案及評分標(biāo)準(zhǔn)評分。能力40綜合應(yīng)用15創(chuàng)新5（二）課程考核對課程目標(biāo)的支撐教學(xué)內(nèi)容考核內(nèi)容考核方式支撐的課程目標(biāo)第一單元NAO機(jī)器人概述1-1NAO機(jī)器人系統(tǒng)測驗、期末考試課程目標(biāo)1第二單元Python編程基礎(chǔ)2-1Python語法2-2Python函數(shù)2-3python類與對象作業(yè)、期末考試課程目標(biāo)1、2第三單元NAO編程基礎(chǔ)3-1使用NAOqi作業(yè)、測驗、期末考試課程目標(biāo)1、2第四單元運(yùn)動控制4-1關(guān)節(jié)4-2ALRobotPosture4-3Motion測驗、期末考試課程目標(biāo)1、2第五單元音頻處理5-1音頻數(shù)據(jù)5-2ALAudioDevice5-3聲音檢測與定位作業(yè)、期末考試課程目標(biāo)1、2第六單元視覺處理6-1視頻設(shè)備6-2ALVideoDevice6-3視頻檢測作業(yè)、期末考試課程目標(biāo)1、2第七單元傳感器7-1ALSensor7-2ALBattery作業(yè)、期末考試課程目標(biāo)1、2第八單元Python基礎(chǔ)上機(jī)練習(xí)8Python基礎(chǔ)上機(jī)練習(xí)上機(jī)編程課程目標(biāo)1、2第九單元運(yùn)動控制上機(jī)練習(xí)8運(yùn)動控制上機(jī)練習(xí)上機(jī)編程課程目標(biāo)3第十單元數(shù)據(jù)采集上機(jī)練習(xí)10數(shù)據(jù)采集上機(jī)練習(xí)上機(jī)編程課程目標(biāo)3第十一單元綜合實驗11-1NAO腳步控制11-2NAO視覺檢測實驗報告課程目標(biāo)3六、使用教材、相關(guān)推薦書目及課程資源（一）使用教材王大東.NAO機(jī)器人程序設(shè)計.清華大學(xué)出版