基于慧魚模型的機(jī)電綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索與實(shí)踐

黃志誠(chéng) 劉莉婭 黎澤倫

摘要：高等院校機(jī)電綜合實(shí)驗(yàn)需要學(xué)生將所學(xué)的機(jī)械，計(jì)算機(jī)及自動(dòng)控制等知識(shí)有機(jī)結(jié)合，實(shí)踐性極強(qiáng)。對(duì)機(jī)電綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行了探索與實(shí)踐，基于慧魚機(jī)器人模型，摸索出了基本實(shí)驗(yàn)—綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)—?jiǎng)?chuàng)新型實(shí)驗(yàn)—研究型實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。實(shí)踐表示，該體系教學(xué)效果良好，具有一定的推廣價(jià)值。

關(guān)鍵詞：慧魚模型；機(jī)電綜合；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

一、 引言

機(jī)電綜合實(shí)驗(yàn)涉及機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制學(xué)科，知識(shí)點(diǎn)覆蓋全面，對(duì)學(xué)生的實(shí)踐能力有很強(qiáng)的提升作用，因而深受歡迎和重視。慧魚教學(xué)創(chuàng)意機(jī)器人因其獨(dú)特的模塊化設(shè)計(jì)特點(diǎn)在國(guó)內(nèi)外廣泛用于機(jī)械類課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。如德國(guó)和美國(guó)眾多高校將慧魚機(jī)器人作為教學(xué)機(jī)器人用于機(jī)械類課程的教學(xué)和實(shí)驗(yàn)，國(guó)內(nèi)南京理工大學(xué)、東北林業(yè)大學(xué)、西南科技大學(xué)、遼寧工業(yè)大學(xué)和淮陰工學(xué)院等高校以實(shí)訓(xùn)專周的形式利用慧魚機(jī)器人進(jìn)行大學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)。

傳統(tǒng)的機(jī)電綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)沒(méi)有成系統(tǒng)，只強(qiáng)調(diào)學(xué)生對(duì)基本分析能力和基本設(shè)計(jì)能力的訓(xùn)練，導(dǎo)致學(xué)生獲取的知識(shí)都是片面的、有局限的，過(guò)于模式化，不成體系，而將慧魚機(jī)器人引入機(jī)電綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)，為改革傳統(tǒng)的機(jī)電綜合實(shí)驗(yàn)提供了良好的工具。對(duì)基于慧魚模型的機(jī)電綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行探索與實(shí)踐也是很有必要的。

二、 慧魚模型在機(jī)電綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用方案

景德鎮(zhèn)陶瓷大學(xué)早在2003年就開始購(gòu)進(jìn)部分慧魚模型，供機(jī)械設(shè)計(jì)專業(yè)學(xué)生選修機(jī)器人創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，2016年慧魚模型納入機(jī)電工程坊供機(jī)電綜合實(shí)驗(yàn)用，筆者即進(jìn)入該實(shí)驗(yàn)室工作，指導(dǎo)機(jī)電綜合創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，同時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索和實(shí)踐。制訂了基于慧魚模型的分層次、模塊化和遞進(jìn)式的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，形成四級(jí)階梯式實(shí)驗(yàn)教學(xué)構(gòu)架，即基本實(shí)驗(yàn)—綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)—?jiǎng)?chuàng)新型實(shí)驗(yàn)—研究型實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。

第一個(gè)階段是基本實(shí)驗(yàn)階段，學(xué)生的任務(wù)是模仿和學(xué)習(xí)。教師提前開發(fā)比較基礎(chǔ)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，編寫相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)大綱和實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書并提供必要的資料、圖片和視頻，教師對(duì)慧魚模型的基本操作進(jìn)行講授，指導(dǎo)學(xué)生掌握慧魚機(jī)器人模型的機(jī)械原理。學(xué)生分組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過(guò)老師提供的圖片、視頻資料獲得初步的感性認(rèn)知，然后根據(jù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書的指引，對(duì)機(jī)械原理教材中的典型機(jī)械結(jié)構(gòu)（如齒輪機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)、帶傳動(dòng)和鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等）進(jìn)行組裝和拆卸練習(xí)，掌握慧魚機(jī)器人模塊裝拆方法。

第二個(gè)階段是綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)階段，由于引入電氣控制模塊，教師首先要指導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)模塊控制軟件ROBOPro和LLWIN并編寫一些簡(jiǎn)單的控制程序。然后教師要引導(dǎo)學(xué)生完成機(jī)電綜合系統(tǒng)的搭建和控制。教師提供一些機(jī)電綜合系統(tǒng)（如智能避障小車，工業(yè)機(jī)械手等）的主體構(gòu)架，在此基礎(chǔ)上，由學(xué)生分組討論傳動(dòng)和控制方案，然后根據(jù)方案搭建結(jié)構(gòu)并進(jìn)行電氣控制調(diào)試。通過(guò)構(gòu)建這樣的機(jī)電綜合系統(tǒng)，學(xué)生參與完成了機(jī)電一體化設(shè)計(jì)的整個(gè)過(guò)程，本實(shí)驗(yàn)階段包括機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)、電路的搭建、傳感器的安裝、軟件的編程等多方面知識(shí)，基本覆蓋了機(jī)電專業(yè)主干課程。

第三個(gè)階段是創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)階段。本階段要求學(xué)生完成吸收與創(chuàng)新的過(guò)程。跳出實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書的框框，對(duì)第二階段搭建好的機(jī)電綜合系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，如對(duì)工業(yè)機(jī)械手加入更多的電子元件和控制元件，使之完成更多的動(dòng)作，或者完全拋開前段搭建好的機(jī)電綜合系統(tǒng)，重新構(gòu)建新的機(jī)構(gòu)，創(chuàng)造出具有全新功能的機(jī)器人系統(tǒng)。

第四個(gè)階段是研究型實(shí)驗(yàn)。由教師根據(jù)工程實(shí)際或者自己的項(xiàng)目提出具體的工程問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建新的機(jī)器人來(lái)解決這些問(wèn)題。學(xué)生可以分組針對(duì)題目進(jìn)行方案論證，機(jī)械簡(jiǎn)圖繪制、機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)搭建、控制元件的安裝及電氣調(diào)試等。經(jīng)過(guò)這一階段的實(shí)驗(yàn)，可以培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立解決大型工程實(shí)際問(wèn)題的能力。

三、 方案實(shí)施的效果與經(jīng)驗(yàn)

四級(jí)階梯式實(shí)驗(yàn)教學(xué)構(gòu)架，即基本實(shí)驗(yàn)—綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)—?jiǎng)?chuàng)新型實(shí)驗(yàn)—研究型實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系自實(shí)施以來(lái)，成功實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的兩個(gè)轉(zhuǎn)變。第一個(gè)轉(zhuǎn)變是封閉式的機(jī)電類實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式向開放式教學(xué)模式轉(zhuǎn)變。傳統(tǒng)的機(jī)電類實(shí)驗(yàn)教學(xué)一般采用課程附帶實(shí)驗(yàn)以及實(shí)訓(xùn)專周等封閉式教學(xué)模式，方案的實(shí)施為機(jī)電類實(shí)驗(yàn)提供一種開放式的、創(chuàng)新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。第二個(gè)轉(zhuǎn)變是機(jī)電類實(shí)驗(yàn)考核方式的轉(zhuǎn)變。傳統(tǒng)機(jī)電類實(shí)驗(yàn)考核方式是根據(jù)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)報(bào)告和實(shí)驗(yàn)操作給出相應(yīng)的成績(jī)，形式單一并不能完全反映學(xué)生真實(shí)成績(jī)。在本方案實(shí)施過(guò)程中，學(xué)生可以自行設(shè)計(jì)相關(guān)的機(jī)器人和各類機(jī)電系統(tǒng)，對(duì)于學(xué)生的設(shè)計(jì)結(jié)果，沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)答案和固定的模式，可以充分發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)新能力。另外，創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)可以和科技競(jìng)賽相結(jié)合，學(xué)生在提交作品后，其成績(jī)和學(xué)分由作品本身和學(xué)生的現(xiàn)場(chǎng)答辯表現(xiàn)決定，跨出了實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書的限制，能夠更真實(shí)地反映學(xué)生的能力。

四、 結(jié)語(yǔ)

筆者在長(zhǎng)期的機(jī)電綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)中進(jìn)行探索，實(shí)施了一種四級(jí)階梯式實(shí)驗(yàn)教學(xué)構(gòu)架，即基本實(shí)驗(yàn)—綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)—?jiǎng)?chuàng)新型實(shí)驗(yàn)—研究型實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。該體系由淺入深，循序漸進(jìn)，注重吸引學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)的主動(dòng)性，逐步提高他們的積極性，在潛移默化中，學(xué)生的動(dòng)手能力，創(chuàng)新能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神都得到了培養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：黃志誠(chéng)，劉莉婭，江西省景德鎮(zhèn)市，景德鎮(zhèn)陶瓷大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院；

黎澤倫，重慶市，重慶科技學(xué)院機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院。