機(jī)械專業(yè)學(xué)業(yè)導(dǎo)師教學(xué)的探索與實(shí)踐

夏方方 何澤銀 蔣詠志

摘 要：本文結(jié)合機(jī)械專業(yè)的學(xué)科特點(diǎn)，以機(jī)械專業(yè)的二級(jí)學(xué)科機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)為出發(fā)點(diǎn)，結(jié)合目標(biāo)問題“如何制作一條四足機(jī)器狗”，探討以興趣為導(dǎo)向的學(xué)業(yè)導(dǎo)師教學(xué)方案。通過機(jī)械、制造、設(shè)計(jì)、自動(dòng)化4個(gè)主要部分描述了四足機(jī)器狗的制造方案和制造過程，通過以上的演繹教學(xué)使學(xué)生建立起對(duì)本專業(yè)的專業(yè)認(rèn)同，并激發(fā)了他們的學(xué)業(yè)熱情和創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞：機(jī)械專業(yè) 學(xué)業(yè)導(dǎo)師 四足機(jī)器狗 專業(yè)認(rèn)同

Abstract： In this paper， based on the characteristics of the discipline of the Mechanical specialty， starting from the Mechanical Design， Manufacture and Automation major， the secondary discipline of the Mechanical major， and combining with the target question "how to make a quadruped robot dog"， the interest-based teaching scheme of academic tutor is discussed. Through the four main parts of machinery， manufacturing， design and automation， the manufacturing scheme and process of the four-legged robot dog are described. Through the deductive teaching above， students can establish their professional identity and stimulate their academic enthusiasm and innovation ability.

Key Words： Mechanical specialty; Academic tutor; Quadruped robot dog; Professional identity

學(xué)業(yè)導(dǎo)師制起源很早，其核心內(nèi)容主要著眼于為學(xué)生提供個(gè)性化的指導(dǎo)，通過因材施教切實(shí)地提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和綜合能力素質(zhì)[1]。學(xué)業(yè)導(dǎo)師制不同于傳統(tǒng)的班主任制度和輔導(dǎo)員制度，其強(qiáng)調(diào)以個(gè)性化學(xué)業(yè)指導(dǎo)為核心，以師生面對(duì)面溝通為主要方式，通過對(duì)學(xué)生進(jìn)行學(xué)業(yè)規(guī)劃與指導(dǎo)，在思想上、專業(yè)上、學(xué)術(shù)上、就業(yè)上因材施教，提高學(xué)生的綜合素質(zhì)，這同時(shí)也契合了高等教育對(duì)培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的新時(shí)代要求[2]。為推進(jìn)人才培養(yǎng)質(zhì)量的持續(xù)提升，適應(yīng)新時(shí)代對(duì)高水平人才的迫切需要，學(xué)業(yè)導(dǎo)師制在各高校愈來愈得到相關(guān)單位的高度重視，并根據(jù)學(xué)校的實(shí)際情況，出臺(tái)了一系列相關(guān)文件對(duì)學(xué)業(yè)導(dǎo)師的職責(zé)進(jìn)行規(guī)范化和制度化。

除了為學(xué)生提供個(gè)性化的指導(dǎo)，學(xué)業(yè)導(dǎo)師更重要的任務(wù)是培養(yǎng)學(xué)生對(duì)本專業(yè)的專業(yè)認(rèn)同感。所謂專業(yè)認(rèn)同是指學(xué)生對(duì)本專業(yè)的情感認(rèn)同、對(duì)本專業(yè)的熱愛程度，是一種自我動(dòng)態(tài)的心理感受。其表現(xiàn)為學(xué)生是否立志從事本專業(yè)相關(guān)的工作、是否對(duì)專業(yè)學(xué)習(xí)抱有積極主動(dòng)的心理、是否在本專業(yè)學(xué)習(xí)過程中體驗(yàn)到意義感、是否愿意把本專業(yè)作為長(zhǎng)期的職業(yè)規(guī)劃目標(biāo)等。對(duì)于剛?cè)雽W(xué)的大學(xué)生，此時(shí)他們剛從應(yīng)試學(xué)習(xí)進(jìn)入專業(yè)學(xué)習(xí)，需要有學(xué)業(yè)導(dǎo)師引導(dǎo)他們培養(yǎng)自主學(xué)習(xí)的習(xí)慣。但由于缺乏對(duì)專業(yè)課的整體把握，不知道專業(yè)課的具體應(yīng)用，學(xué)生往往會(huì)感到各種專業(yè)課枯燥乏味、孤立毫無(wú)聯(lián)系，進(jìn)一步喪失了對(duì)專業(yè)學(xué)習(xí)的興趣，更甚者喪失了對(duì)專業(yè)的認(rèn)同。學(xué)業(yè)導(dǎo)師作為學(xué)生專業(yè)的引路人更應(yīng)該言傳身教以調(diào)動(dòng)學(xué)生興趣為目標(biāo)為學(xué)生繪制整個(gè)專業(yè)學(xué)習(xí)的藍(lán)圖，在整體上為學(xué)生展示專業(yè)的前景和發(fā)展方向。

高水平創(chuàng)新型人才是實(shí)現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興的重要支撐和持久動(dòng)力，本科生學(xué)業(yè)導(dǎo)師作為初入學(xué)大學(xué)生理論知識(shí)與技能教育的資深引導(dǎo)者，肩負(fù)著為國(guó)家培養(yǎng)自我價(jià)值充分實(shí)現(xiàn)的社會(huì)主義接班人的任務(wù)[3]。本文從機(jī)械專業(yè)的學(xué)科特點(diǎn)出發(fā)，以培養(yǎng)高水平創(chuàng)新型人才為目標(biāo)，探討學(xué)業(yè)導(dǎo)師如何以興趣愛好為指引，培養(yǎng)大學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力與專業(yè)認(rèn)同。

2 學(xué)業(yè)導(dǎo)師的定位

學(xué)業(yè)導(dǎo)師制也稱本科生導(dǎo)師制，其定位是為本科生提供學(xué)業(yè)咨詢與學(xué)業(yè)規(guī)劃，是一種師生雙方形成深入互動(dòng)、積極發(fā)展的導(dǎo)學(xué)關(guān)系。學(xué)業(yè)導(dǎo)師需要在思想上引導(dǎo)學(xué)生樹立正確的學(xué)習(xí)態(tài)度，倡導(dǎo)終身學(xué)習(xí)的理念，引導(dǎo)學(xué)生熱愛學(xué)習(xí)、熱愛學(xué)術(shù);在專業(yè)上輔導(dǎo)學(xué)生盡快適應(yīng)專業(yè)知識(shí)的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)業(yè)興趣和學(xué)術(shù)熱情;在學(xué)術(shù)方面對(duì)學(xué)生進(jìn)行學(xué)術(shù)熏陶，指引學(xué)生了解新理論、新方法，激發(fā)學(xué)生的學(xué)術(shù)潛力;在就業(yè)上幫扶學(xué)生制定個(gè)人職業(yè)規(guī)劃，為學(xué)生傳達(dá)最新就業(yè)動(dòng)態(tài)與市場(chǎng)需求[4]。通過學(xué)業(yè)導(dǎo)師的言傳身教，因材施教，有利于增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)與信心，提高學(xué)業(yè)成績(jī)。另一方面，作為初入學(xué)的大學(xué)新生，由于剛轉(zhuǎn)入專業(yè)學(xué)習(xí)缺乏專業(yè)學(xué)習(xí)的適應(yīng)性與自我學(xué)習(xí)的技巧，往往會(huì)感到迷茫和不知所措，喪失對(duì)專業(yè)學(xué)習(xí)的熱情與興趣。而學(xué)業(yè)導(dǎo)師作為資深的引導(dǎo)者不僅可以在學(xué)業(yè)上給予支撐，而且還可以滿足學(xué)生的社會(huì)心理歸屬需求，可以大大緩解學(xué)生的焦慮和學(xué)業(yè)壓力[5]。此外，學(xué)業(yè)導(dǎo)師作為專業(yè)學(xué)習(xí)的成功示范可以充分發(fā)揮榜樣的力量，激發(fā)學(xué)生對(duì)自我的認(rèn)同和專業(yè)的認(rèn)同。

為此，學(xué)業(yè)導(dǎo)師在教學(xué)實(shí)踐中應(yīng)以興趣為導(dǎo)向，增加學(xué)生對(duì)專業(yè)的認(rèn)同，而不應(yīng)只是專業(yè)知識(shí)的填灌。學(xué)業(yè)導(dǎo)師應(yīng)結(jié)合自身的學(xué)術(shù)背景為學(xué)生描繪更加系統(tǒng)的學(xué)術(shù)藍(lán)圖，建立整體的專業(yè)認(rèn)同，激發(fā)學(xué)生的學(xué)業(yè)興趣，逐漸培養(yǎng)學(xué)生立志終身學(xué)習(xí)的學(xué)業(yè)追求[6]。

3 針對(duì)機(jī)械專業(yè)學(xué)業(yè)導(dǎo)師的教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)

本文以機(jī)械專業(yè)的二級(jí)學(xué)科——機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)為例，闡述學(xué)業(yè)導(dǎo)師的教學(xué)職責(zé)。為了激發(fā)學(xué)生的學(xué)業(yè)熱情可以向?qū)W生展示四足機(jī)器狗的運(yùn)動(dòng)控制，學(xué)生由于可以現(xiàn)場(chǎng)零距離接觸四足機(jī)器狗，更能激發(fā)他們的創(chuàng)作熱情和興趣。通過向?qū)W生講解如何通過學(xué)習(xí)本專業(yè)知識(shí)獨(dú)自創(chuàng)造自己的機(jī)器狗，以此激發(fā)他們對(duì)本專業(yè)的專業(yè)認(rèn)同。同時(shí)也向?qū)W生描繪了一個(gè)專業(yè)藍(lán)圖，使他們學(xué)習(xí)本專業(yè)相關(guān)課程時(shí)不再感到零散，而是具有系統(tǒng)性的。

如圖1所示，機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化可以大體上分為機(jī)械部分，即如何把材料轉(zhuǎn)變成機(jī)械構(gòu)件或組件;設(shè)計(jì)部分，即如何把構(gòu)件或組件組合成可以運(yùn)動(dòng)的部件;制造部分，即如何制造出所需要的構(gòu)件或組件;自動(dòng)化部分，即如何使機(jī)械結(jié)構(gòu)自動(dòng)運(yùn)行起來。

3.1 機(jī)械部分

通過展示四足機(jī)器狗向?qū)W生講解打造機(jī)器狗的第一步，即生產(chǎn)出機(jī)器狗所需要的零件。而為了解答如何從合金材料制作機(jī)器狗所需要的零件，此時(shí)需要引入金屬工藝學(xué)，引起學(xué)生對(duì)不同金屬材料的冶煉、鑄造、鍛壓、熱處理等金屬加工工藝的興趣。接下來假設(shè)學(xué)生已經(jīng)具備金屬工藝學(xué)知識(shí)，明白了金屬材料如何制作成為機(jī)器狗所需要的零件，此時(shí)需要回答怎么描述機(jī)器狗的零件，只有對(duì)零件進(jìn)行準(zhǔn)確表達(dá)才能生產(chǎn)出合格的零件。而要準(zhǔn)確表達(dá)零件則需要機(jī)械制圖的知識(shí)，此時(shí)向?qū)W生介紹機(jī)械制圖的知識(shí)，包括怎么使用紙、筆在白紙上表達(dá)三維的機(jī)器狗零件，如何使用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)工具繪制二維的機(jī)器狗零件。最后通過計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)工具向?qū)W生展示三維的零件繪制，以及如何由三維零件裝配成為一個(gè)機(jī)器狗。通過以上機(jī)械部分的演繹教學(xué)，給學(xué)生描繪了為何要學(xué)習(xí)機(jī)械部分的專業(yè)課以及學(xué)習(xí)機(jī)械類的專業(yè)課有什么應(yīng)用。

3.2 設(shè)計(jì)部分

學(xué)生已經(jīng)知道了如何制作機(jī)器狗所需要的零件以及如何描述機(jī)器狗所需要的零件，接下來就要考慮應(yīng)該怎么組合零件才能保證機(jī)械部件可以運(yùn)動(dòng)起來不會(huì)出現(xiàn)自鎖。這時(shí)向?qū)W生介紹機(jī)械原理的相關(guān)知識(shí)，包括自由度、轉(zhuǎn)動(dòng)副的相關(guān)知識(shí)，通過講解機(jī)械原理讓學(xué)生明白要使得機(jī)械部件能夠運(yùn)動(dòng)所滿足的基本條件，以及如何設(shè)計(jì)機(jī)械機(jī)構(gòu)以滿足所需要的運(yùn)動(dòng)需求。此時(shí)假設(shè)學(xué)生已經(jīng)明白機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本原理，這時(shí)需要向?qū)W生解釋機(jī)械的運(yùn)動(dòng)方式、力和能量的傳遞方式分析和計(jì)算，介紹機(jī)械設(shè)計(jì)的相關(guān)流程，如機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)設(shè)計(jì)，怎么通過運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算確定各運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)參數(shù);機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)計(jì)算，如何結(jié)合運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算得到的參數(shù)，進(jìn)一步計(jì)算各主要零部件的載荷大小和特征;主要零部件的校核，如何結(jié)合計(jì)算得到的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)參數(shù)校核主要零部件的強(qiáng)度和疲勞壽命，這里鼓勵(lì)學(xué)生深入學(xué)習(xí)理論力學(xué)和材料力學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科。通過機(jī)械設(shè)計(jì)部分相關(guān)知識(shí)的介紹，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)部分的興趣。

3.3 制造部分

現(xiàn)在學(xué)生已經(jīng)了解怎么制造機(jī)器狗的零件，以及在理論上了解了機(jī)器狗運(yùn)動(dòng)起來所需要的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)以及機(jī)械設(shè)計(jì)部分相關(guān)的專業(yè)知識(shí)，下一步需要了解的是如何真正制作出一條機(jī)器狗。這時(shí)可以向?qū)W生展示機(jī)械加工的相關(guān)專業(yè)知識(shí)，介紹機(jī)械制造工藝學(xué)，例如鑄造、鍛造、沖壓、銑削、焊接等常用的加工工藝，并以四足機(jī)器狗為例解釋不同工藝的區(qū)別與選擇。最后向?qū)W生介紹數(shù)控車床的相關(guān)知識(shí)，例如，如何用數(shù)控車床加工出四足機(jī)器狗所需要的金屬零件、數(shù)控車床的加工過程、怎么編寫數(shù)控車床的代碼等，通過數(shù)控車床的相關(guān)知識(shí)介紹讓學(xué)生可以更直觀地感受機(jī)械制造的過程，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)機(jī)械制造工藝學(xué)的興趣。接著介紹加工出的零件如何裝配成所需要的機(jī)器狗，介紹互換性的相關(guān)概念，向?qū)W生解釋引入公差與配合的原因與重要意義，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)互換性概念的理解，接著闡述基本的測(cè)量原理和測(cè)量方法，引導(dǎo)學(xué)生了解粗糙度和尺寸鏈在保證裝配精度中的重要意義，加深學(xué)生對(duì)互換性相關(guān)專業(yè)課的重視。

3.4 自動(dòng)化部分

經(jīng)過以上的介紹，學(xué)生已經(jīng)了解如何制作出機(jī)器狗的本體結(jié)構(gòu)，現(xiàn)在所缺的就是機(jī)器狗的大腦，即如何實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化部分。這里首先要向?qū)W生介紹自動(dòng)化算法的載體——芯片的相關(guān)知識(shí)，而如何理解芯片的運(yùn)行原理，則需要鼓勵(lì)學(xué)生深入學(xué)習(xí)模擬電路和數(shù)字電路的知識(shí)。學(xué)業(yè)導(dǎo)師可以通過從簡(jiǎn)單的開關(guān)電路原理向?qū)W生描繪出復(fù)雜的芯片電路是如何一步步從簡(jiǎn)單電路演變出來的。通過由學(xué)生熟悉的開關(guān)電路出發(fā)一步步演繹出芯片電路，使得學(xué)生對(duì)芯片不再畏懼和陌生，可以大大激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造激情和創(chuàng)新精神。

學(xué)生了解了芯片電路，則可以繼續(xù)向?qū)W生介紹微機(jī)原理的相關(guān)知識(shí)，可以從嵌入式單品機(jī)開始介紹，這樣學(xué)生在學(xué)習(xí)單片機(jī)相關(guān)知識(shí)的同時(shí)也可以低成本做出自己感興趣的電子產(chǎn)品，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造熱情，以此會(huì)進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生深入學(xué)習(xí)電子電路相關(guān)知識(shí)的濃厚學(xué)術(shù)追求。介紹微機(jī)原理的同時(shí)，可以展示機(jī)器狗所采用的控制芯片，包括基于Arm架構(gòu)的電機(jī)控制芯片、上層基于x86架構(gòu)的Upboard板，并介紹之間的區(qū)別，系統(tǒng)介紹如何從機(jī)器狗的大腦發(fā)送指令給關(guān)節(jié)電機(jī)最終完成機(jī)器狗的運(yùn)動(dòng)。

接下來是軟件部分，自動(dòng)化控制算法需要通過編程語(yǔ)言轉(zhuǎn)變成代碼的方式才能完成自動(dòng)控制，為此，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)的語(yǔ)言，可以從C語(yǔ)言、C++語(yǔ)言出發(fā)，講述學(xué)習(xí)該語(yǔ)言的重要性和必要性。接下來是自動(dòng)控制算法部分，給學(xué)生講述自動(dòng)控制算法的基本原理，特別是反饋的思想，介紹以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)的經(jīng)典控制理論。以典型的控制算法——PID算法為例，介紹其算法的基本思想，介紹算法的數(shù)學(xué)建模過程?？梢酝ㄟ^計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)工具Simulink建立PID算法仿真模型向?qū)W生直觀展示控制算法的建模、仿真過程，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)自動(dòng)控制理論的學(xué)習(xí)興趣。經(jīng)典的控制理論是單輸入單輸出系統(tǒng)，而多輸入多輸出系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模需要現(xiàn)代控制理論的學(xué)習(xí)，通過對(duì)現(xiàn)代控制理論的介紹，鼓勵(lì)學(xué)生自主學(xué)研更深的控制理論。

3.5 其他

四足機(jī)器狗的運(yùn)動(dòng)部件是通過電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的，通過向?qū)W生介紹電機(jī)運(yùn)動(dòng)的基本原理以及電機(jī)驅(qū)動(dòng)的基本原理，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)電機(jī)相關(guān)的專業(yè)知識(shí)。四足機(jī)器狗運(yùn)動(dòng)模塊采用的是直流無(wú)刷電機(jī)，而學(xué)生接觸比較多的是小型的直流有刷電機(jī)，以此為例向?qū)W生介紹常見的直流有刷電機(jī)、直流無(wú)刷電機(jī)、交流電機(jī)、永磁同步電機(jī)等原理和結(jié)構(gòu)的區(qū)別。接下來介紹不同電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方法，由于四足機(jī)器狗采用的是直流無(wú)刷電機(jī)，因此向?qū)W生重點(diǎn)介紹驅(qū)動(dòng)直流無(wú)刷電機(jī)的典型算法——FOC（磁場(chǎng)定向控制）算法的原理。通過電機(jī)相關(guān)知識(shí)的介紹，鼓勵(lì)學(xué)生自己制作電機(jī)的相關(guān)驅(qū)動(dòng)電路并編寫相關(guān)的控制代碼完成對(duì)多電機(jī)組成的系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)控制。此外，需要向?qū)W生介紹計(jì)算機(jī)組成原理的知識(shí)、操作系統(tǒng)的知識(shí)，特別是linux操作系統(tǒng)的相關(guān)知識(shí)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)知識(shí)以及編譯原理的相關(guān)知識(shí)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文基于機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化的專業(yè)背景作為出發(fā)點(diǎn)，結(jié)合如何制作一條四足機(jī)器狗作為目標(biāo)，演繹了學(xué)業(yè)導(dǎo)師如何以學(xué)生的興趣為導(dǎo)向激發(fā)學(xué)生的專業(yè)學(xué)習(xí)熱情。通過對(duì)機(jī)器狗系統(tǒng)進(jìn)行分解，向?qū)W生展示了機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)的相關(guān)專業(yè)課在制作一個(gè)實(shí)際的自動(dòng)化機(jī)械中的作用。通過以上分解，使得學(xué)生對(duì)孤零零的專業(yè)課不再陌生，而把孤立、枯燥的專業(yè)課學(xué)習(xí)納入整個(gè)系統(tǒng)學(xué)業(yè)，即制作一條四足機(jī)械狗的目標(biāo)中。傳統(tǒng)以考試為目標(biāo)的專業(yè)學(xué)習(xí)，學(xué)生往往認(rèn)為專業(yè)課過時(shí)或者不知道如何應(yīng)用，這種以清晰目標(biāo)為導(dǎo)向的專業(yè)學(xué)習(xí)更能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，并且會(huì)針對(duì)自己的知識(shí)盲區(qū)進(jìn)行主動(dòng)的學(xué)習(xí)，毫無(wú)疑問這種學(xué)習(xí)效率更高，對(duì)學(xué)業(yè)水平的提高效果更明顯。

學(xué)業(yè)導(dǎo)師作為專業(yè)學(xué)習(xí)的成功示范，不僅積累了豐富的專業(yè)知識(shí)，而且知識(shí)體系更系統(tǒng)，在學(xué)生進(jìn)行相關(guān)專業(yè)學(xué)習(xí)前，應(yīng)向?qū)W生展示一幅系統(tǒng)的專業(yè)藍(lán)圖，向他們清晰地描繪出想要完成一件相關(guān)專業(yè)的作品需要學(xué)習(xí)什么和學(xué)習(xí)這些專業(yè)課有什么用，要用全局的眼光給學(xué)生展示各專業(yè)課的聯(lián)系與前景。相比于傳統(tǒng)的填灌式教學(xué)方法，這種以清晰目標(biāo)為導(dǎo)向的學(xué)習(xí)路線，實(shí)踐證明更能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和創(chuàng)新精神，有利于學(xué)生學(xué)業(yè)的整體提高。

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