机器人编程与实践教学大纲

PAGEPAGE12《机器人编程与实践》课程教学大纲一、课程基本信息课程名称机器人编程与实践课程编号65课程性质选修课课程类别专业课开课单位机械电子教研室授课学期第7学期学分/学时2/32课内学时32理论授课16上机学时12课内实践实验学时4课外学时32适用专业机械电子工程是否双语否先修课程Python编程与工程实践后续课程无二、课程简介《机器人编程与实践》是机械电子工程专业的专业选修课，为实践性较强的一门课程。本课程以人形机器人NAO为对象、以Python为编程语言，讲授机器人程序设计，具体包括NAO机器人系统概述、Python编程基础、NAO编程基础、运动控制、音频处理、视觉处理、传感器等。通过以上理论讲授、上机练习及实验，培养学生掌握机器人编程的基本理论，基本方法、具备设计NAO机器人应用程序的编程实践能力，全面考核学生对机器人知识的掌握、运用、分析问题、解决问题能力,使学生具备解决NAO机器人典型控制、编程实践能力、创新能力和机器人应用程序设计开发能力。三、课程目标及对毕业要求指标点的支撑（一）课程目标通过本课程的学习，使学生达到以下目标：课程目标1.（知识目标）描述NAO机器人系统，领会Python语言及NAO编程基础知识，应用运动控制、音频处理、视觉处理、传感器模块，编写NAO机器人程序；课程目标2.（能力目标）掌握基于Python的NAO机器人API，实现NAO机器人运动控制、音频处理、视觉处理、传感器信号采集任务；课程目标3.（价值塑造）分析NAO机器人典型任务、编程实现的步骤、方法，在分析解决问题的过程中，培养严谨的科学精神、系统化思想，驱动开放、创新性思维。（二）课程目标对毕业要求指标点的支撑课程目标支撑毕业要求指标点毕业要求课程目标1课程目标2指标点1-4：1-工程知识课程目标3指标点2-2：2-问题分析四、课程基本教学内容及对课程目标的支撑（一）课程基本教学内容第一单元NAO机器人概述（学时数：2学时）1.课程主要内容NAO机器人系统组成、NAO关节运动模型、NAOqi框架。2.重点和难点重点：NAO机器人系统组成、NAO关节运动模型。难点：NAOqi框架。3.教学方法课堂讲授、课上讨论。1.通过多媒体课件和传统教学相结合，阐明NAO机器人系统组成、NAO关节运动模型。2.通过课上讨论，强调理论与实践相结合，促进学生理解NAOqi框架，培养学生的系统思维能力；4.学生学习预期成果描述NAO机器人系统组成、理解NAO关节运动模型，分析NAOqi框架的意义及其与Python的关系。5.支撑课程目标课程目标1。第二单元Python编程基础（学时数：2学时）1.课程主要内容Python程序的基本结构、语法，面向对象的代码风格。2.重点和难点重点：Python程序的基本结构、语法。难点：Python面向对象编程风格。3.教学方法课堂讲授、课上讨论。1.通过多媒体课件和传统教学相结合，总结Python程序的基本结构、语法。2.通过课上讨论，强调理论与实践相结合，分析归纳面向对象的代码风格，培养学生的综合分析能力；4.学生学习预期成果描述Python程序的基本结构、语法。理解面向对象的代码风格，能在教师的引导下阅读书中的代码。5.支撑课程目标课程目标1、课程目标2。第三单元NAO编程基础（学时数：2学时）1.课程主要内容使用NAOqi框架、具体包括进程、模块、方法调用、内存等内容。2.重点和难点重点：NAOqi框架、进程、模块的概念。难点：方法调用、内存管理。3.教学方法课堂讲授、课上讨论。1.通过多媒体课件和传统教学相结合，阐明如何使用NAOqi框架。2.通过课上讨论，强调理论与实践相结合，促进学生把握进程、模块、方法调用、内存等关键问题，培养学生的反思能力；4.学生学习预期成果描述NAOqi框架如何使用，理解并重视进程、模块、方法调用、内存等关键问题。5.支撑课程目标课程目标1、课程目标2。第四单元运动控制（学时数：4学时）1.课程主要内容关节：包括头部关节、臂部关节、髋关节、腿部关节、电机，ALRobotPosture预定义姿势，Motion模块：包括刚度控制、关节控制、运动控制方法。2.重点和难点重点：关节、刚度控制、关节控制。难点：运动控制方法3.教学方法课堂讲授、课上讨论。1.通过多媒体课件和传统教学相结合，阐明NAO关节、ALRobotPosture。2.通过课上讨论，强调理论与实践相结合，促进学生理解Motion模块的方法调用关键问题，培养学生的分析、解决问题能力；4.学生学习预期成果描述关节及预定义姿势，理解运动控制的关键问题，能编写NAO机器人运动控制Python程序。5.支撑课程目标课程目标1、课程目标2。第五单元音频处理（学时数：2学时）1.课程主要内容音频数据的概念、数据存储、播放，ALAudioDevice模块输入、输出。声音检测与定位，语音识别与合成。2.重点和难点重点：音频数据存储、播放，ALAudioDevice模块输入、输出。难点：声音检测与定位，语音识别与合成3.教学方法课堂讲授、课上讨论。1.通过多媒体课件和传统教学相结合，阐明NAO音频数据、ALAudioDevice模块。2.通过课上讨论，强调理论与实践相结合，促进学生理解NAO声音检测与定位，语音识别与合成模块，培养学生的分析、解决问题能力；4.学生学习预期成果描述NAO的音频系统，理解输入、输出的程序关键问题，能编写NAO机器人音频控制Python程序。5.支撑课程目标课程目标1、课程目标2。第六单元视觉处理（学时数：2学时）1.课程主要内容视频设备、图像与视频采集，ALVideoDevice模块、视频检测模块实例。2.重点和难点重点：视频设备，图像与视频采集，ALVideoDevice模块。难点：视频检测模块实例3.教学方法课堂讲授、课上讨论。1.通过多媒体课件和传统教学相结合，阐明NAO视频设备、ALVideoDevice模块的使用。2.通过课上讨论，强调理论与实践相结合，促进学生理解视频检测模块实例，分析二维码的检测，培养学生的反思能力；4.学生学习预期成果描述NAO的视觉系统，理解图像采集、目标检测程序关键问题，能编写NAO机器人视觉处理Python程序。5.支撑课程目标课程目标1、课程目标2。第七单元传感器（学时数：2学时）1.课程主要内容NAO机器人的其它传感器，包括ALSensor、LBattery、DCM、ALSonar、ALLeds、ALTouch模块。2.重点和难点重点：NAO机器人的其它传感器及编程模块:ALSensor、LBattery、ALLeds、ALTouch模块。难点：DCM、ALSonar模块3.教学方法课堂讲授、课上讨论。1.通过多媒体课件和传统教学相结合，阐明NAO机器人的其它传感器、及相应模块的使用。2.通过课上讨论，强调理论与实践相结合，促进学生理解超声模块实例，分析其如何检测障碍物，培养学生的反思能力；4.学生学习预期成果描述NAO机器人的其它传感器，能编写NAO机器人其它传感器的Python程序。5.支撑课程目标课程目标1、课程目标2。第八单元Python基础上机练习（学时数：4学时）1.课程主要内容Python语法、函数、对象与类。2.重点和难点重点：程序的逻辑、结构难点：程序的调试3.实施方式理论+实验4.学习要求学生运用所学Python语法、函数、对象与类，编写程序并调试，掌握函数、类的程序设计方法。5.实验要求（1）实验属性：验证性实验（2）开出要求：必做（3）分组要求：1人1组（4）实验准备：上机前要复习理论知识并用初步设计程序代码（5）其他要求无6.学生学习预期成果学生在学完本单元课程后应具有的一定的编程能力，为NAO机器人程序编写打下初步基础。7.支撑课程目标课程目标1、课程目标2第九单元运动控制上机练习（学时数：4学时）1.课程主要内容运动控制程序编程的流程和方法、姿态的控制、刚度控制、行走的控制。2.重点和难点重点：运动控制程序编程的流程和方法难点：程序的调试3.实施方式理论+实验4.学习要求学生运用所学Python语语言，编写姿态的控制、刚度控制、行走的控制程序并调试，掌握运动控制程序的设计方法。5.实验要求（1）实验属性：验证性实验（2）开出要求：必做（3）分组要求：1人1组（4）实验准备：上机前要复习理论知识并用初步设计程序代码（5）其他要求无6.学生学习预期成果学生在学完本单元课程后应具有的一定的编程能力，能完成NAO机器人运动控制程序的编写和调试。7.支撑课程目标课程目标3第十单元数据采集上机练习（学时数：4学时）1.课程主要内容NAO图像采集程序编程的流程和方法、传感器数据采集程序编程的流程和方法。2.重点和难点重点：NAO图像采集程序的流程和方法、传感器数据采集程序的流程和方法。难点：程序的调试3.实施方式理论+实验4.学习要求学生运用所学Python语语言，编写NAO图像采集、传感器数据采集程序并调试，掌握视觉与传感程序的设计方法。5.实验要求（1）实验属性：验证性实验（2）开出要求：必做（3）分组要求：1人1组（4）实验准备：上机前要复习理论知识并用初步设计程序代码（5）其他要求无6.学生学习预期成果学生在学完本单元课程后应具有的一定的编程能力，能完成NAO机器人数据采程序的编写和调试。7.支撑课程目标课程目标3第十一单元综合实验（学时数：４学时）1.课程主要内容（１）NAO脚步控制、（２）NAO视觉检测。2.重点和难点重点：控制方法、程序的逻辑、结构难点：程序的调试3.实施方式理论+实验4.学习要求学生运用所学机器人运动控制、视觉处理相关理论，编写程序并调试，实现NAO脚步控制、NAO视觉检测，编程实现机器人行走、人脸检测等任务。5.实验要求（1）实验属性：综合性实验（2）开出要求：必做（3）分组要求：1人1组（4）实验准备：实验前要复习理论知识并用初步设计程序代码（5）其他要求无6.学生学习预期成果学生在学完本单元课程后应具有的较强的编程能力，理解并合理使用NAO机器人编程模块，完成运动控制、视觉处理实验任务。7.支撑课程目标课程目标3（二）课程基本教学内容对课程目标的支撑理论课程课程教学内容教学方法支撑的课程目标学时安排课内课外学时比例第一单元NAO机器人概述课堂讲授、课上讨论课程目标121：1第二单元Python编程基础课堂讲授、课上讨论课程目标1、221：1第三单元NAO编程基础课堂讲授、课上讨论课程目标1、221：1第四单元运动控制课堂讲授、课上讨论课程目标1、241：1第五单元音频处理课堂讲授、课上讨论课程目标1、221：1第六单元视觉处理课堂讲授、课上讨论课程目标1、221：1第七单元传感器课堂讲授、课上讨论课程目标1、221：1合计161：1实验课程课程教学内容教学方法支撑的课程目标学时安排第八单元Python基础上机练习讲授+现场指导课程目标1、24第九单元运动控制上机练习讲授+现场指导课程目标34第十单元数据采集上机练习讲授+现场指导课程目标34第十一单元综合实验讲授+现场指导课程目标34合计16五、课程考核及对课程目标的支撑（一）课程考核课程成绩构成（百分制）课程成绩构成比例考核环节目标分值考核/评价细则平时成绩30%作业（百分制）50本门课程5次作业，主要考核Python编程基础、运动控制、音频处理、视觉处理及传感器相关内容。作业评分具体标准：作业正确率、书写规范性目标分值=0.5*作业平均成绩测验（百分制）40随堂测验2次：考核内容：NAO机器人程序设计理论中关键术语的理解。评价细则：表述正确率、书写规范性目标分值=0.4*测验平均成绩课堂表现（百分制）10按课堂反馈、讨论、回答问题参与度综合评价。目标分值=0.1*综合评价成绩实践成绩30%上机（百分制）50按上机练习完成的正确率及先后顺序综合评价目标分值=0.5*综合评价成绩综合实验（百分制）50考核内容及评价细则2次实验报告成绩目标分值=0.5*实验报告成绩期末考试40%知识40考核内容：所有教学内容考试题型：分析题、设计题评价细则：采用开卷线下考试，共计100分，按试卷参考答案及评分标准评分。能力40综合应用15创新5（二）课程考核对课程目标的支撑教学内容考核内容考核方式支撑的课程目标第一单元NAO机器人概述1-1NAO机器人系统测验、期末考试课程目标1第二单元Python编程基础2-1Python语法2-2Python函数2-3python类与对象作业、期末考试课程目标1、2第三单元NAO编程基础3-1使用NAOqi作业、测验、期末考试课程目标1、2第四单元运动控制4-1关节4-2ALRobotPosture4-3Motion测验、期末考试课程目标1、2第五单元音频处理5-1音频数据5-2ALAudioDevice5-3声音检测与定位作业、期末考试课程目标1、2第六单元视觉处理6-1视频设备6-2ALVideoDevice6-3视频检测作业、期末考试课程目标1、2第七单元传感器7-1ALSensor7-2ALBattery作业、期末考试课程目标1、2第八单元Python基础上机练习8Python基础上机练习上机编程课程目标1、2第九单元运动控制上机练习8运动控制上机练习上机编程课程目标3第十单元数据采集上机练习10数据采集上机练习上机编程课程目标3第十一单元综合实验11-1NAO脚步控制11-2NAO视觉检测实验报告课程目标3六、使用教材、相关推荐书目及课程资源（一）使用教材王大东.NAO机器人程序设计.清华大学出版