《嵌入式与机器人操作系统应用》课程标准

《嵌入式与机器人操作系统应用》课程标准一、课程设置概述1．课程性质本课程属于装备制造大类自动化类战略性新兴产业机器人与智能设备制造领域，培养战略性新兴产业智能消费相关专业，培养工程技术人员、信息和通信工程技术人员、机械工程技术人员、智能机器人开发设计、智能机器人安装维护、智能机器人系统集成、智能机器人制造及装配等高技能技术的课程。平台课程描述：通过构建“平台+模块”专业群课程体系，实行“大专业进、小专业出”个性化人才培养，课程模块与X证书融通。（1）公共基础平台课程根据党和国家有关文件规定，开设思想道德修养与法律基础、毛泽东思想和中国特色社会主义理论体系概论、形式与政策、军事理论、军事技能、公共体育、体育专项技能、信息技术与人工智能基础、就业指导与职业发展、创新创业教育、心理健康教育、中华优秀传统文化、高等数学、公共英语等公共课程。（2）专业群基础平台课程专业基础课程：包含C程序设计、电工电子技术、机械制图等课程。专业核心课程：包含微控制器技术及应用、电子产品制图与制板、ROS原理与应用、医用传感器与检测技术、机器人编程与仿真、机器人安装与调试等课程。专业拓展课程：包含人工智能概论、人体运动学、智慧医疗产品营销、医疗器械法规、大数据技术与应用等课程。（3）专业群模块设置本模块课程如包括：医学电子技术应用、微控制器技术及应用、电子产品制图与制版、医用传感器与检测技术、ROS原理与应用、机器人编程与仿真、ROS应用编程实训、机器人技术应用、机器人安装与调试。2．设计思路（1）坚持以高职教育培养目标为依据，遵循“以应用为目的，以必需、够用为度”的原则，以“掌握知识、强化应用、培养技能”为重点，力图做到“精选内容、降低理论、加强基础、突出应用”。（2）注重学生的职业能力培养，重点培养创新思维方式，走校企合作、工学交替的道路，使学生在学习过程中明确目的，培养专业思维能力和专业实践能力。（3）课程定位于高等职业教育，教学内容不强调理论依据的研究，不强调体系的完整性、系统性，而是尽量压缩理论内容，强调理论对生产实际的指导作用。（4）把思想政治教育、创新素质、创新意识和创新能力的培养贯穿于教学中。注重行业和企业对人才职业能力的要求，以真实工作任务及过程为依据整合、序化教学内容；采用行之有效的教学方法，重视教、学、做一体化，采用任务驱动、项目导向的教学模式，发展学生专业思维和专业应用能力。（5）掌握ROS系统基本原理、通信架构与模拟仿的基本理论及一般方法，培养学生开发机器人系统的分析问题、解决问题的能力。3课程的主要内容本课程主要讲述了Linux系统文件与目录操作，软件安装，压缩打包，上传下载；ROS简介、运行环境安装与配置，VScode开发环境搭建；ROSCatkin工作空间与编译系统、ROSpackage包；ROS命令工具，Master与Node、Topic与Msg、Service与Srv、ParameterServer；使用Python编写ROS程序，编写ClientLibrary，topic、service、param程序；编写Launch文件，ROS工具Gazebo、Rviz、Rqt、Bag的使用。4课程的特色（1）校企合作，共建课程体系在课程设计中，坚持与行业、企业的技术和管理专家共同进行职业技术领域典型工作任务的选取，通过对这些工作任务的分析、整合，确定工作任务对知识的共性要求，并对所需的职业资格及能力进行分析，从而提出本课程的地位、作用及内容框架、整体规划能力目标，并按照基于工作过程的系统化方法进行课程的设计、开发和项目（或任务）、课程的总体方案设计及课程的单元设计。遵循“以应用为目的，以必需、够用为度”的原则，以“掌握知识、强化应用、培养技能”为重点，以培养学生的技术应用能力。（2）采用基于工作对象的项目教学和任务驱动教学方式根据本课程教学目标，提出多项适当的任务融入教学过程。针对学生缺少工程背景的问题，在知识点的学习和理解上，以案例分析为主，在案例的选择上中科院软件所机器人操作系统入门教学案例。同时，在各知识点的学习过程中，采用以工程案例分析的教学方法，使学生从实际分析，掌握理论，再回到实际，达到举一反三，理论联系实际、融会贯通、增强知识、提高综合能力和水平的目的。基于工作对象的教学方式是先抛出一个具体的机器人案例，然后围绕每个组成部分来介绍各个零件的设计和选用过程，内容总体安排为综合——分散——综合，使其与专业课程能够更加紧密的结合。（3）注重实践教学，促进感性到理性的提升1）以了解、认识生产现场设备为主题，培养和锻炼学生读工程图的能力。2）通过机电工程中心的参观学习和观看全国机器人赛项的视频录像，能够了解升降结构、伸缩机构、旋转结构、机器人抓手等原理，锻炼动手能力。3）通过ubuntu平台和VScode软件综合调试机器人，以满足设定的要求。4）鼓励和组织学生进行每年的创新设计大赛和机器人赛项，强化课外实践教学环节，培养学生发现问题、分析问题和解决问题的能力，以提高学生学习兴趣、激发创新思维能力为导向，培养学生初步解决工程实际问题的能力。（4）注重工匠精神、爱国情怀和劳动素养的提升通过机器人硬件的组装与调试，软件代码编写，在此过程中培养学生精益求精的工匠精神、为国奉献的高尚情操和吃苦耐劳的职场态度。实现立德树人，注重传道授业解惑与育人育才的有机统一，加强对学生的世界观、人生观和价值观的教育，传承和创新中华优秀传统文化，积极引导当代学生树立正确的国家观、民族观、历史观、文化观，从而为社会培养更多德智体美劳全面发展的人才，为这个特色社会主义事业培养合格的建设者和可靠的接班人。二、课程培养目标《ROS原理与应用》是为智能机器人技术专业的ROS原理与应用理论和基础实验教学的增强性技能课程，是加强本专业学生应用技能培养的重要环节。1.知识目标本课程培养理想信念坚定，德、智、体、美、劳全面发展，具有良好的人文素养、职业道德和创新意识，精益求精的工匠精神，较强的就业能力和可持续发展的能力；掌握本专业知识和技术技能，面向战略性新兴产业中机器人与增材设备制造、智能消费相关设备制造行业的电子工程技术人员、信息和通信工程技术人员、机械工程技术人员等职业群，能够从事智能机器人开发设计、安装维护、系统集成、制造及装配工作的高素质技术技能人才。通过本门课程的学习，使学生了解机器人结构和电气的一些基本概念、基本理论和方法，能够运用机械结构设计的基本理论、思维方式结合具体情况进行机器人拆装实践，并能够在软件平台上调试机器人，使其满足设定的工作要求。2.能力目标（1）掌握ROS操作系统基本原理与运行配置环境。（2）掌握ROS工程结构与包管理、通信架构，（3）掌握通用电器部件的工作原理、特点，能够安装和维护通用电器器件，并初步具有绘制电气原理图的能力。（4）具有运用标准、规范、手册、图册等有关技术资料的能力。（5）能够针对软件平台，调试相关产品。3.思政—素质目标（1）具有精益求精的大国工匠精神；（2）具有科技报国的家国情怀和使命担当；（3）践行社会主义核心价值观；（4）崇尚宪法，遵法守纪、履行道德准则和行为规范；（5）树立正确的劳动观，崇尚劳动、尊重劳动；（6）具有自主学习的能力；（7）具有强烈的事业心和严谨的工作作风；（8）具有创新意识、创新精神、创新方法；（9）善于与人交流与合作。三、与前后课程的联系本课程为学生深入学习后续《ROS应用编程实训》等课程中所需的机器人本体、电控系统打下实践认知和基本操作技能基础，同时也能辅助本专业开设的《机械设计基础》、《机械结构设计》课程的学习，起着承上启下的作用。本课程前导课程：机械结构设计、机器人技术、单片机技术应用、PLC技术应用本课程后续课程：ROS应用编程实训四、教学内容与学时分配课程单元结构与学时分配见表4—1。表4—1课程单元结构与课时分配表序号教学项目名称主要教学内容学习目标教学设计课时1Arduino基础Arduino起源、Arduino电路模块、ArduinoIDE了解Arduino模块与开发板，会使用ArduinoIDEArduino模块与开发板、使用ArduinoIDE连接的电路板42Arduino程序结构Arduino程序结构、语法、常用函数会编写运行Arduino程序Arduino程序结构、Arduino语法、Arduino常用函数43Arduino实验Arduino常用电路、Arduino与ROS连接使用Arduino控制灯光、传感器、电机Arduino灯光控制、传感器控制、电机控制84Ubuntu操作系统ubuntu系统，文件与目录操作，软件安装，压缩打包，上传下载，包管理能够创建文件、目录、权限管理、文件打包与上传下载了解Linux系统了解常用Linux命令105ROS概述与环境设置ROS简介、运行环境安装与配置，VScode开发环境能够安装配置ROS开发运行环境了解ROS系统、配置VScode开发环境46ROS文件系统与通信了解ROS文件系统与架构、理解ROS话题、消息、服务，Catkin工作空间与编译系统、包能够创建工作空间正确使用Package包管理命令、会编写订阅者/发布者程序，会编写自定义消息程序，会编写服务通信程序，会编写参数调用程序，会连接Arduino开发板理解ROS话题、理解ROS消息、编写简单ROS程序、编写自定义消息程序、编写服务通信程序、理解参数服务器、ROS连接arduino开发板247ROS运行管理与调试计算图源命名与多工作空间，启动文件，节点、话题、参数重命名、ROS分布式通信设置，消息录制与回放，日历消息，使用rqt工具理解工作空间、全局名称、相对名称、私有名称和匿名名称，会设置节点、话题、参数重命名，会设置分布式通信，会录制回放消息，理解日志，会使用rqt工具计算图源命名与多工作空间，启动文件，重命名，消息录制与回放，日志，使用rqt工具10五、教学项目设计本课程所有教学项目都设计了教学项目表，如表5—1至表5—4所示。教学项目表的内容包括：项目目标、项目任务、教师教学项目知识与能力要求、学生知识与能力准备、教学材料、使用工具。表5—1教学项目1教学项目1：学时数：16教学项目（项目）目标项目任务理解Arduino模块与开发板、会编写Arduino程序教师知识与能力要求熟练掌握Arduino系统学生知识、能力与素质要求已学习过计算机编程基础教学材料多媒体计算机，相关软件工具准备计算机环境步骤教学过程建议教学方法学时1．资讯Arduino模块与电路Arduino程序结构、语法、常用函数Arduino控制电路讲授法自学法演示法62．计划与决策了解Arduino电路与模块了解Arduino程序结构与语法、函数讲授法讨论法课外3．实施已设置好的Arduino环境实践教学法64．检查与评估Arduino控制电路1，Arduino控制电路2交互检查法讨论法4表5—2教学项目2教学项目1：学时数：10教学项目（项目）目标项目任务能够创建文件、目录、权限管理、文件打包与上传下载教师知识与能力要求熟练掌握ubuntu系统学生知识、能力与素质要求已学习过计算机编程基础教学材料多媒体计算机，相关软件工具准备虚拟机步骤教学过程建议教学方法学时1．资讯Linux系统Linux基本命令Linux文件与目录操作讲授法自学法演示法42．计划与决策了解Linux系统了解常用Linux命令讲授法讨论法课外3．实施已安装好的Linux软件环境实践教学法44．检查与评估Ubuntu系统管理实训项目1，Ubuntu系统管理实训项目2交互检查法讨论法2表5—3教学项目3教学项目1：学时数：24教学项目（项目）目标ROS文件系统与ROS命令与通信架构项目任务ROS简介、运行环境安装与配置，VScode开发环境Catkin工作空间与编译系统、pacakgeROS命令工具，Master与Node、Topic与Msg、Service与Srv、ParameterServer编写、调试、运行ROS程序（发布者/订阅者程序、服务调用程序、参数调用程序）教师知识与能力要求熟练掌握ROS系统学生知识、能力与素质要求已学习过计算机编程基础教学材料多媒体计算机，相关软件工具准备虚拟机步骤教学过程建议教学方法学时1．资讯ROS简介、运行环境安装与配置，VScode开发环境Catkin工作空间与编译系统、pacakgeROS命令工具，Master与Node、Topic与Msg、Service与Srv、ParameterServer，编写、调试、运行ROS程序（发布者/订阅者程序、服务调用程序、参数调用程序）讲授法自学法演示法142．计划与决策了解ROS系统、配置VScode开发环境了解工作空间与编译系统了解包管理命令用法，Master与Node通信模式编写ROS程序讲授法讨论法课外3．实施已安装好的ROS运行环境实践教学法64．检查与评估实训项目3，4、5交互检查法讨论法4表5—4教学项目4教学项目1：学时数：10教学项目（项目）目标ROS运行管理与调试项目任务CientLibrary，topic、service、param程序Launch文件、Gazebo、Rviz、Rqt、Bag教师知识与能力要求熟练掌握ROS系统学生知识、能力与素质要求已学习过计算机编程基础教学材料多媒体计算机，相关软件工具准备虚拟机步骤教学过程建议教学方法学时1．资讯计算图源命名与多工作空间，编写启动文件、设置重命名，ROS分布式通信设置、录制与回放消息、日志消息分析、使用rqt工具讲授法自学法演示法62．计划与决策了解工作空间设置、编写启动文件，设置重命名，ROS分布式通信设置、录制与回放消息、日志消息分析、使用rqt工具讲授法讨论法课外3．实施已安装好的ROS运行环境实践教学法24．检查与评估实训项目6、7、8交互检查法讨论法2六、考核标准与方式1教学方式本课程的教学要不断摸索适合高职教育特点的教学方式：（1）采取灵活的教学方法，启发、诱导、因材施教，注意给学生更多的思维活动空间，发挥教与学两方面的积极性，提高教学质量和教学水平。在规定的学时内，保证该标准的贯彻实施。（2）教学过程中，要从高职教育的目标出发，了解学生的基础和情况，结合其实际水平和能力，认真指导。（3）教学中要结合教学内容的特点，培养学生独立学习的习惯，开动脑筋，努力提高学生的自学能力和创新精神，分析原因，找到解决问题的方法和