基于積木式機(jī)器人的機(jī)電專業(yè)信息化課程教育實(shí)踐

摘要：以積木式機(jī)器人為載體，將《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》《傳感器應(yīng)用技術(shù)》和《單片機(jī)控制技術(shù)》等機(jī)電類專業(yè)課程內(nèi)容進(jìn)行合理整合，有針對(duì)性地將創(chuàng)新精神、創(chuàng)新知識(shí)、創(chuàng)新技能與活動(dòng)融入專業(yè)教育中，探討了機(jī)電專業(yè)課程與創(chuàng)新教育融合的教學(xué)內(nèi)容、方法和模式。

關(guān)鍵詞：積木式機(jī)器人;機(jī)電信息化;創(chuàng)新教育;課程融合

0 引言

創(chuàng)新教育是以培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)、創(chuàng)新精神、創(chuàng)新思維、創(chuàng)新能力為目標(biāo)的創(chuàng)新人才的培養(yǎng)活動(dòng)。相對(duì)于傳統(tǒng)教育，它是一種新型的教育模式，是一種全新的以創(chuàng)新為先導(dǎo)的教學(xué)模式，是教學(xué)內(nèi)容、方法、思想、評(píng)價(jià)及教育體制的創(chuàng)新[1]。

機(jī)器人可看作是一個(gè)典型的綜合性學(xué)習(xí)平臺(tái)，其集合了現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)、電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)軟件編程、人機(jī)交互和人工智能等諸多領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)，在職業(yè)教育課堂中，尤其是機(jī)電類專業(yè)課程的教學(xué)中，引入積木式機(jī)器人對(duì)于打破學(xué)科界限，實(shí)現(xiàn)學(xué)科間的深度融合意義重大，對(duì)于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，開拓學(xué)生專業(yè)視野，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神有著深刻的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)作用。

1 課程融合的設(shè)計(jì)理念

筆者在對(duì)專業(yè)課程內(nèi)容進(jìn)行整合設(shè)計(jì)和實(shí)施時(shí)，始終貫徹工程實(shí)踐和創(chuàng)新的原則和方法。通過建構(gòu)課程主題，呈現(xiàn)積木式機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)搭建、程序編寫、整機(jī)調(diào)試等一系列的探究式活動(dòng)，使得學(xué)生在教學(xué)項(xiàng)目的反復(fù)改進(jìn)過程中掌握專業(yè)知識(shí)，同時(shí)形成先進(jìn)的創(chuàng)新理念，掌握創(chuàng)新技巧，提升創(chuàng)新能力。課程設(shè)計(jì)注重學(xué)科課程之間的融合，將學(xué)生綜合知識(shí)與技能的學(xué)習(xí)置于首位，構(gòu)建了涉及機(jī)械設(shè)計(jì)、電子技術(shù)和單片機(jī)編程技術(shù)等幾大領(lǐng)域的項(xiàng)目課程體系。

1.1 ? ?基于建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論的積木式機(jī)器人項(xiàng)目課程

以機(jī)電一體化專業(yè)為例，在教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)中，我們以積木式機(jī)器人為載體，提取該專業(yè)“機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”課程中的機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)、零件模塊中的相應(yīng)內(nèi)容，結(jié)合“傳感器應(yīng)用技術(shù)”課程中的光敏、磁敏、超聲等傳感器內(nèi)容以及“單片機(jī)控制技術(shù)”課程中相應(yīng)的計(jì)算機(jī)編程思想與原理，構(gòu)建了一個(gè)多學(xué)科融合、多技術(shù)集成，且符合學(xué)生認(rèn)知規(guī)律的項(xiàng)目實(shí)踐平臺(tái)。在課程教學(xué)中，教師充分利用積木式機(jī)器人平臺(tái)的實(shí)施特點(diǎn)，結(jié)合機(jī)器人系統(tǒng)的具體部件與編程環(huán)境進(jìn)行具體教學(xué)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)，包括了重構(gòu)課程知識(shí)點(diǎn)和建構(gòu)與實(shí)際問題密切相關(guān)的學(xué)習(xí)主題，通過動(dòng)手實(shí)踐培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力，如團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力、問題解決能力、交流溝通能力和創(chuàng)新思維能力等。

1.2 ? ?主題項(xiàng)目設(shè)計(jì)原則

在進(jìn)行積木式機(jī)器人主題項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí)，首先要考慮其可實(shí)施性，需要把握機(jī)電一體化集成與融合的關(guān)鍵和核心，既需要考慮系統(tǒng)硬件方面的實(shí)施基礎(chǔ)，又要考慮學(xué)生自身的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)、知識(shí)和技能儲(chǔ)備等軟件方面的實(shí)施基礎(chǔ)。其次，要充分權(quán)衡每個(gè)教學(xué)項(xiàng)目的容量是否均勻和適當(dāng)。最后，要注重項(xiàng)目與項(xiàng)目之間進(jìn)階展開，保證學(xué)生能很容易地投入并沉浸至項(xiàng)目中，同時(shí)在項(xiàng)目實(shí)施過程中不斷有新的挑戰(zhàn)來吸引和激勵(lì)他們，從而提高學(xué)生解決問題的能力與信心。

本文以消防機(jī)器人項(xiàng)目為例，學(xué)生在設(shè)計(jì)主傳動(dòng)結(jié)構(gòu)時(shí)，將應(yīng)用到課程中的蝸輪蝸桿傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng)等相關(guān)知識(shí);在設(shè)計(jì)爬行足結(jié)構(gòu)時(shí)，將應(yīng)用到四桿機(jī)構(gòu)的相應(yīng)知識(shí);而在設(shè)計(jì)消防彈拋擲結(jié)構(gòu)時(shí)，將應(yīng)用到棘輪機(jī)構(gòu)的相應(yīng)知識(shí)。學(xué)生搭建的機(jī)器人結(jié)構(gòu)如圖1所示，利用UG_NX進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真如圖2所示。

此外，學(xué)生還將應(yīng)用“傳感器應(yīng)用技術(shù)”的紅外傳感器進(jìn)行火源的判斷，應(yīng)用超聲傳感器進(jìn)行測(cè)距避障等;應(yīng)用“單片機(jī)控制技術(shù)”中對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)速控制知識(shí)及條件判斷和循環(huán)等單片機(jī)編程思想。在各門課程中，學(xué)生分別完成相應(yīng)的主題任務(wù)，最終整合成一個(gè)完整的綜合性項(xiàng)目，使積木式機(jī)器人能感應(yīng)到模擬的火源，并能運(yùn)動(dòng)到相應(yīng)的位置拋擲消防彈至火源，完成滅火動(dòng)作。

2 主題任務(wù)教學(xué)實(shí)踐案例

筆者所在教學(xué)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了兩輪的教學(xué)實(shí)踐—反思—改進(jìn)的循環(huán)研究，并逐步完善課程的設(shè)計(jì)和實(shí)施過程。下面以某項(xiàng)目中消防機(jī)器人的任務(wù)二：爬行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中的機(jī)械部分為例，就課程的實(shí)施過程進(jìn)行具體闡述。

2.1 ? ?課前準(zhǔn)備

課前，學(xué)生預(yù)習(xí)教師推送的學(xué)習(xí)資源，完成了相應(yīng)的練習(xí)：（1）根據(jù)運(yùn)行動(dòng)畫判斷機(jī)構(gòu)類型;（2）根據(jù)桿長條件判斷機(jī)構(gòu)類型。

2.2 ? ?課堂實(shí)施

2.2.1 ? ?環(huán)節(jié)1：創(chuàng)設(shè)情境

課中，教師播放消防機(jī)器人攀爬動(dòng)畫，發(fā)布任務(wù)主題：搭建機(jī)器人爬行足。學(xué)生觀看動(dòng)畫，并分組嘗試搭建爬行足結(jié)構(gòu)，部分組的爬行足無法正常工作，教師引導(dǎo)學(xué)生分析原因。

2.2.2 ? ?環(huán)節(jié)2：探尋規(guī)律

學(xué)生調(diào)用教師創(chuàng)建的零件模型，進(jìn)行虛擬裝配和運(yùn)動(dòng)仿真，測(cè)試不同桿長條件下機(jī)構(gòu)的運(yùn)行情況，發(fā)現(xiàn)在最短桿與最長桿之和≤其余兩桿之和的情況下才有可能存在曲柄，而最短桿所在位置又決定了機(jī)構(gòu)的類型。學(xué)生分別測(cè)試最短桿在各位置時(shí)的機(jī)構(gòu)運(yùn)行情況，小組對(duì)測(cè)試情況進(jìn)行總結(jié)和歸納，得出機(jī)構(gòu)類型判斷的依據(jù)，并分組進(jìn)行匯報(bào)。

2.2.3 ? ?環(huán)節(jié)3：實(shí)踐檢驗(yàn)

小組根據(jù)上述曲柄存在的條件驗(yàn)證各自的設(shè)計(jì)，并挑選一個(gè)方案進(jìn)行實(shí)際改造，利用可視化編程工具，使機(jī)器人完成前行和后退動(dòng)作。學(xué)生根據(jù)競(jìng)賽要求，結(jié)合所學(xué)知識(shí)，合理設(shè)計(jì)并改裝爬行機(jī)器人的足部結(jié)構(gòu)。

2.2.4 ? ?環(huán)節(jié)4：拓展提高

學(xué)生發(fā)現(xiàn)相同的時(shí)間內(nèi)機(jī)器人前進(jìn)與后退的行程并不一致，這是曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的急回特性所決定的。由于機(jī)構(gòu)在高速運(yùn)行中的速度難以測(cè)量，在傳統(tǒng)教學(xué)過程中，急回特性的推導(dǎo)過程較為抽象，學(xué)生難于理解，注意力易分散。

針對(duì)上述教學(xué)難點(diǎn)，我們重新設(shè)計(jì)了教學(xué)過程。教師選擇一組學(xué)生的足部結(jié)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。學(xué)生觀察搖桿實(shí)時(shí)位移與對(duì)應(yīng)生成的運(yùn)動(dòng)曲線，發(fā)現(xiàn)v-t曲線波峰兩側(cè)的陡峭程度并不一致。學(xué)生借助已有的數(shù)學(xué)知識(shí)，判斷出兩個(gè)行程的平均速度不同，從而定性理解急回特性。編程控制機(jī)器人運(yùn)行如圖3所示，生成的運(yùn)動(dòng)曲線如圖4所示。

2.2.5 ? ?環(huán)節(jié)5：總結(jié)評(píng)價(jià)

最后，學(xué)生在學(xué)習(xí)認(rèn)證系統(tǒng)中進(jìn)行總結(jié)、自評(píng)和互評(píng)，認(rèn)證系統(tǒng)實(shí)時(shí)記錄學(xué)生各節(jié)點(diǎn)完成情況和評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了跨學(xué)科、跨專業(yè)學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)的互通和互認(rèn)。

2.3 ? ?課后拓展

課后，學(xué)生進(jìn)一步完善任務(wù)報(bào)告，發(fā)揮創(chuàng)新精神，為機(jī)器人設(shè)計(jì)不同工作條件下的行進(jìn)機(jī)構(gòu)方案，并預(yù)習(xí)機(jī)器人的拋擲機(jī)構(gòu)。

3 結(jié)語

本課程以積木式機(jī)器人為載體，使書本上的機(jī)械機(jī)構(gòu)變得可見、可觸、可實(shí)現(xiàn)。利用工業(yè)設(shè)計(jì)軟件，將抽象的幾何計(jì)算轉(zhuǎn)變?yōu)橹庇^的三維模型，實(shí)現(xiàn)了從傳統(tǒng)課堂向創(chuàng)客空間的轉(zhuǎn)變。積木式機(jī)器人構(gòu)建了一個(gè)課程融合的平臺(tái)，為學(xué)生打下了學(xué)習(xí)工業(yè)機(jī)器人的基礎(chǔ)。UG軟件使學(xué)生可以快速改變?cè)O(shè)計(jì)，提高了教學(xué)效率。AutoCAD運(yùn)動(dòng)仿真將難以測(cè)量的抽象數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為形象直觀的圖表，便于學(xué)生發(fā)現(xiàn)和總結(jié)規(guī)律?；趨^(qū)塊鏈技術(shù)的分布式學(xué)習(xí)認(rèn)證系統(tǒng)，使得學(xué)生在任何課程中完成的任務(wù)節(jié)點(diǎn)、完成情況、師生評(píng)價(jià)都能互通和互認(rèn)，既方便學(xué)生調(diào)用和訪問知識(shí)節(jié)點(diǎn)，又為教師了解學(xué)情、組織教學(xué)活動(dòng)提供了依據(jù)，更為學(xué)科融合搭建了橋梁。

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收稿日期：2020-05-06

作者簡(jiǎn)介：蔡舒旻（1982—），男，江蘇常州人，高級(jí)講師，工程碩士，研究方向：機(jī)械工程及自動(dòng)化。