慧魚機(jī)器人在機(jī)電創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用研究與實(shí)踐

黎澤倫　黃友均

摘 要： 慧魚模型是由德國慧魚公司出品的一種教學(xué)創(chuàng)意機(jī)器人。本文針對機(jī)器人課程的教學(xué)與實(shí)驗(yàn)中存在的不足，以慧魚模型為教具，探討了慧魚模型在機(jī)器人課程實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用方案與實(shí)踐過程，闡述了進(jìn)行機(jī)器人實(shí)驗(yàn)改革的一些收獲?；埕~模型在機(jī)器人實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用，為培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維和動手能力提供了一個良好載體，為大學(xué)生的創(chuàng)新教育提供了一條新途徑。

關(guān)鍵詞： 慧魚模型 機(jī)器人 創(chuàng)新實(shí)驗(yàn) 教學(xué)改革

近年來，我國高等教育進(jìn)入快速發(fā)展時期。高等教育越來越重視大學(xué)生的素質(zhì)教育，提高大學(xué)生的科學(xué)素質(zhì)，培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新能力。在傳統(tǒng)教學(xué)方法中，我國教育普遍存在重視知識傳授、重視理論教學(xué)，輕視能力培養(yǎng)、輕視實(shí)踐環(huán)節(jié)的問題。學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新潛能無法得到充分培養(yǎng)[1-3]。因此，對機(jī)械電子工程專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與探索非常必要。為提高學(xué)生的創(chuàng)新意識和綜合素質(zhì)，重慶科技學(xué)院機(jī)械與動力工程學(xué)院引進(jìn)了德國慧魚模型教學(xué)機(jī)器人，并建立了創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室。近年來，國內(nèi)許多高校都配備不同型號的教學(xué)機(jī)器人，并已投入使用。如哈爾濱工業(yè)大學(xué)、西安交通大學(xué)、北京科技大學(xué)等都相繼開發(fā)出不同功能、結(jié)構(gòu)形式的教學(xué)機(jī)器人。除此以外，許多科研單位、企業(yè)與高校合作，聯(lián)合開發(fā)教學(xué)機(jī)器人[4-6]。

1.研究思路

1.1慧魚機(jī)器人介紹

慧魚模型是由德國發(fā)明家Arthur Fischer博士在1964年從其專利“六面拼接體”的基礎(chǔ)上發(fā)明的教學(xué)創(chuàng)意機(jī)器人[7-8]，它是一個結(jié)構(gòu)件的家族，是由機(jī)械構(gòu)件、電氣構(gòu)件、傳感器、氣動構(gòu)件、電腦控制器及軟件所組成的創(chuàng)新系統(tǒng)。模型設(shè)計(jì)采用模塊式設(shè)計(jì)，可無限擴(kuò)充；可反復(fù)拆裝；產(chǎn)品系統(tǒng)化，種類多；可逼真地表現(xiàn)機(jī)械構(gòu)件及科學(xué)原理；可編程控制，便于對機(jī)電一體化流程產(chǎn)生全面認(rèn)識。模型以機(jī)械傳動為核心，融傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動控制技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)于一體的教學(xué)及仿真模型。該智能模型能夠展示科學(xué)原理和技術(shù)過程，緊密聯(lián)系研究設(shè)計(jì)和生產(chǎn)實(shí)踐過程，不斷創(chuàng)新，不斷發(fā)展，學(xué)生可通過自己動手搭建機(jī)械、氣動、傳感器部件，熟悉并掌握機(jī)器人產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、工作原理，并可在此基礎(chǔ)上利用PLC、計(jì)算機(jī)接口或單片機(jī)接口板進(jìn)行自動控制，培養(yǎng)學(xué)生將所學(xué)知識交叉融合、用于解決具體問題的能力，同時培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新能力。該模型也代表了高科技的許多領(lǐng)域，受到國內(nèi)外各地教育工作者的關(guān)注和思考。

1.2實(shí)施過程

筆者自2009年開始在重慶科技學(xué)院成立創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室后即進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室工作，指導(dǎo)學(xué)生的機(jī)器人創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)。前期指導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)慧魚機(jī)構(gòu)的機(jī)械原理、組裝簡單的機(jī)械結(jié)構(gòu)、拆裝機(jī)器人成套模型；中期學(xué)習(xí)慧魚控制軟件ROBOPro和LLWIN軟件，學(xué)習(xí)編寫簡單的控制程序，學(xué)習(xí)調(diào)試控制電機(jī)與檢測機(jī)構(gòu)；后期指導(dǎo)學(xué)生編寫機(jī)器人控制程序，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的控制，已經(jīng)調(diào)試好多套機(jī)器人系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上，筆者提出基于慧魚模型的機(jī)器人創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)的應(yīng)用研究與實(shí)踐，其目的是通過開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)形式，為學(xué)生營造創(chuàng)新環(huán)境、提供創(chuàng)新知識、組織創(chuàng)新活動，讓學(xué)生創(chuàng)新學(xué)習(xí)，最終培養(yǎng)出具有創(chuàng)新人格、創(chuàng)新思維，進(jìn)行創(chuàng)造性活動的人才。筆者的研究符合重慶科技學(xué)院應(yīng)用型本科人才培養(yǎng)的目標(biāo)。

在研究過程中，首先由教師開發(fā)多項(xiàng)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目并編寫創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)大綱和實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書。然后以學(xué)生團(tuán)隊(duì)形式安排實(shí)驗(yàn)，教師講授慧魚的基本操作方法，可以提出幾個方案，如智能運(yùn)動小車、智能控制系統(tǒng)、工業(yè)機(jī)械手等。在此基礎(chǔ)上，由學(xué)生討論設(shè)計(jì)方案，如加入各種控制元件，加入語言程序設(shè)計(jì)。在熟悉器件的基礎(chǔ)上，可以分組針對題目進(jìn)行原理圖繪制、結(jié)構(gòu)搭建及電氣調(diào)試等。學(xué)生通過構(gòu)建這樣的系統(tǒng)，完成機(jī)電一體化設(shè)計(jì)的全過程，這樣的實(shí)驗(yàn)結(jié)合機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、電路搭建、傳感器安裝、軟件編程等多方面知識，覆蓋機(jī)電專業(yè)多門課程。

慧魚機(jī)器人的使用為學(xué)生構(gòu)建一個以開放式的創(chuàng)新活動為載體的教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺，讓學(xué)生在主動參與的過程中提高積極性，增強(qiáng)能動性，豐富知識性和趣味性，培養(yǎng)創(chuàng)造性和合作精神。這種教學(xué)改革將使現(xiàn)有的較傳統(tǒng)的封閉式教學(xué)，轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N開放式的、創(chuàng)新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。

2.結(jié)果與討論

在應(yīng)用慧魚模型進(jìn)行機(jī)器人實(shí)驗(yàn)教學(xué)的過程中，學(xué)生將綜合應(yīng)用機(jī)械原理、氣動技術(shù)、電子電路、測試及控制和軟件編程等知識，而且慧魚模型的組建沒有特定的標(biāo)準(zhǔn)答案和固定的模式，不受教材的制約，因而學(xué)生完全在一個開放性的環(huán)境中進(jìn)行自主式的探索和研究，鼓勵學(xué)生積極思考形成自主學(xué)習(xí)的研究氣氛和學(xué)習(xí)方法。因此，通過采用慧魚模型對目前機(jī)器人技術(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系進(jìn)行改革，是一條探索培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的有效途徑。

慧魚機(jī)器人的使用把培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計(jì)、創(chuàng)新思維和動手能力擺在重要位置。開放式創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以滿足學(xué)校對學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的需求，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造力，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的工作能力。

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