VEX 機器人在機械工程創(chuàng)新實習(xí)中的實踐與探討*

楊 輝 付成果 楊麗君 李海波 田 峰

（河南科技學(xué)院機電學(xué)院 河南新鄉(xiāng) 453000）

目前，以智能機器人技術(shù)為載體開展的高等工程教育和工程實踐教學(xué)在學(xué)科交叉、學(xué)科前沿和工程實踐三個典型方面存在不足。本文結(jié)合河南科技學(xué)院在機械工程創(chuàng)新實習(xí)中開展機器人教育的現(xiàn)狀，對開展機器人教育中的教育理念、教學(xué)內(nèi)容和實踐效果進行了展示，在建立層次化的課程教學(xué)體系、多樣化的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)等方面對以機器人技術(shù)為載體的實踐教學(xué)活動，進行了積極的探索和嘗試。

一、機械工程創(chuàng)新實習(xí)引入機器人課程迫在眉睫

目前國內(nèi)高校機械工程類專業(yè)的實踐課程大多為“金工實習(xí)”等傳統(tǒng)實習(xí)項目，這些實習(xí)活動以課程設(shè)計、課程實驗為基礎(chǔ)，實習(xí)內(nèi)容常年不變，學(xué)生多為被動接受，教學(xué)課程呆板、效果一般。[1]

近年來，隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和智能物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高速發(fā)展，人工智能領(lǐng)域越來越被大學(xué)生們所關(guān)注，傳統(tǒng)的照本宣科的教學(xué)方法已經(jīng)不能適應(yīng)高新技術(shù)的發(fā)展。機器人是機電一體化的綜合應(yīng)用，涵蓋了機械工程、計算機科學(xué)、控制理論與控制工程學(xué)、電子工程學(xué)等工程大類領(lǐng)域，同時機器人也涵蓋了科學(xué)技術(shù)，包括數(shù)學(xué)等實際應(yīng)用的層面。所以說，機器人教育是集科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)于一體的綜合教育，不同于標準化教學(xué)的傳統(tǒng)理念，旨在打破學(xué)科疆域，通過對學(xué)科素養(yǎng)的綜合應(yīng)用解決實際問題，同時培養(yǎng)綜合性的人才。[2]

方興未艾的變化，給本科應(yīng)用階段的教學(xué)實習(xí)提出了更高的要求。不僅要求學(xué)生掌握基本的工程知識，還需要掌握創(chuàng)新的方法，擁有創(chuàng)新的意識。隨著新技術(shù)的引入，傳統(tǒng)實踐實習(xí)的劣勢越來越明顯，要克服以知識傳授為特征的傳統(tǒng)教育模式對創(chuàng)新人才培養(yǎng)的嚴重阻礙，引入新的教育理念迫在眉睫。[3]

二、VEX 機器人課程與傳統(tǒng)機械工程類實踐課程的比較

VEX 機器人不僅擁有豐富的可拓展的金屬零部件，還有超聲波、陀螺儀、視覺等先進的傳感器，以及方便快捷易編程的智能控制器等。每年一屆的世界錦標賽吸引著全球上萬名愛好者的參與，大學(xué)生可以發(fā)揮自己的創(chuàng)意，根據(jù)當(dāng)年發(fā)布的規(guī)則，用手中的工具和材料創(chuàng)作出自己的機器人。

VEX 機器人課程的出現(xiàn)為創(chuàng)新教育提供了有效平臺。在原有專業(yè)實踐課程的基礎(chǔ)上引入更多創(chuàng)新類課程：例如3D 打印、實體掃描技術(shù)、VR 場景等新技術(shù)。通過探索性實驗打破傳統(tǒng)驗證性實驗的封閉性，用自主性學(xué)習(xí)補充傳統(tǒng)的課堂教學(xué)，以促進創(chuàng)新型人才培養(yǎng)。

確定引入新的教學(xué)理念需要準備面對更高的專業(yè)要求：

（一）對傳統(tǒng)教學(xué)提出了更新的要求

傳統(tǒng)的實習(xí)課程是以專業(yè)課程為基礎(chǔ)，內(nèi)容單一，而VEX機器人課程則是圍繞當(dāng)年的競賽規(guī)則，分組討論、提出設(shè)計理念、搭建簡易機器、實際練習(xí)、發(fā)現(xiàn)不足、調(diào)試改進。

傳統(tǒng)教學(xué)必須提高實際授課效果，這樣才能在傳統(tǒng)實習(xí)教學(xué)的基礎(chǔ)上增加新的教學(xué)內(nèi)容。以學(xué)生為主體，通過多樣的教學(xué)形式增強學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，學(xué)生動手、動腦，調(diào)動各種專業(yè)知識參與學(xué)習(xí)活動，注意創(chuàng)設(shè)情境，打開了學(xué)生的思路。教師的“導(dǎo)”與“講”融于與學(xué)生的討論之中，為學(xué)生創(chuàng)新思維的開發(fā)創(chuàng)造了一個良好的學(xué)習(xí)環(huán)境。就這樣在嘗試中讓學(xué)生體驗到自己所帶來的遺憾或喜悅。[4]

（二）對在崗教師提出了更豐富具體的要求

在傳統(tǒng)的教學(xué)實習(xí)中，教師可以照本宣科，但是VEX 機器人課堂教學(xué)中，教師設(shè)計的任務(wù)應(yīng)具有代表性、有效性，并能將其他學(xué)科概念、理論知識通過機器人實踐活動得以運用和升華，從而讓學(xué)生收獲快樂與成功。在VEX 機器人教學(xué)實踐中，可創(chuàng)設(shè)趣味情境，激發(fā)學(xué)生求知欲望，合理設(shè)計課堂任務(wù)，注重過程成長，培養(yǎng)發(fā)散思維與創(chuàng)新能力，并保證機器人教學(xué)任務(wù)設(shè)計的有效性。

（三）對本科實踐課程體系提出了更高的要求

VEX 機器人世界錦標賽于2007 年在美國創(chuàng)辦，目前國內(nèi)的西交、上交、同濟等名校都深入?yún)⑴c此活動，要想在VEX機器人大賽中取得名次，除了具備相關(guān)的機器人硬知識以外，團隊協(xié)作力、領(lǐng)導(dǎo)力、判斷力等這些軟實力也不可缺少。[5]

同時課程體系的延伸能力較強，從機械結(jié)構(gòu)改進與3D 打印、3D 掃描結(jié)合；控制器與arduino、STM32 控制器結(jié)合；超聲波編碼器、視覺傳感、激光雷達的延展聯(lián)合使用。原有的“老師講、學(xué)生聽、最后評價”的課程體系已經(jīng)滿足不了機器人課堂的教學(xué)，新的課程體系對教師和環(huán)境等提出了較高的要求。

（四）對原有理論課評價體系提出了更高的要求

VEX 機器人能夠更多地融入機械創(chuàng)新設(shè)計、程序編制、傳感器設(shè)置等一系列專業(yè)技術(shù)。這些均是新時代工業(yè)設(shè)計制造人才必備的專業(yè)知識，同學(xué)們擁有更高的學(xué)習(xí)熱情和積極主動性。通過實踐經(jīng)驗，新的VEX 教育機器人知識的有效介入能夠使實踐教學(xué)效果得到較大的提高，最終的學(xué)生答辯評價“優(yōu)”獲得比例從10%-15%上升到25%以上。同學(xué)們對多環(huán)節(jié)的實踐教學(xué)不僅沒有表現(xiàn)出更多的抵觸反而更加主動積極地參與推進。[6][7]

三、加入VEX 機器人的創(chuàng)新實習(xí)課程內(nèi)容豐富多彩

如圖表1，在VEX 機器人課程活動的過程中，沒有標準答案可以參考，誰都不知道什么樣的機械結(jié)構(gòu)、什么樣的程序編寫是最好的，引導(dǎo)學(xué)生理解規(guī)則自主進行設(shè)計，從實踐中得出最優(yōu)的結(jié)果，從而來培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。[8]

表1 VEX 機器人教學(xué)活動的內(nèi)容與重

如表2，該流程同時囊括教師講解、學(xué)生實踐以及問題答疑三個貫穿實習(xí)的環(huán)節(jié)。首先教師講解角度傳感器原理及其裝配、再次鞏固電機的齒輪比、如何去換齒輪、電流鎖的概念以及編程等。其次學(xué)生搭建機器人抬升臂，這樣以學(xué)生為中心，以小組為單位，展開機器人抬升的搭建；教師巡視，對于學(xué)生搭建時遇到的問題給予解答。

表2 VEX 機器人實習(xí)流程甘特圖

總之，豐富的課程內(nèi)容具體如下：

（一）機械結(jié)構(gòu)多樣化

VEX 機器人含有上千件基礎(chǔ)零部件：長短不一的軸、螺絲、銷子等；各種模數(shù)的直齒輪、斜齒輪、渦輪、齒條等；寬度不同的C 形鋼、U 形鋼、L 形鋼等；車輪、萬向輪、履帶輪、麥克納姆輪等。豐富多樣的零部件可以自由組合成多種類型結(jié)構(gòu)，極大提高了學(xué)生的動手能力。

（二）軟件編程多樣化

可以使用C、Python、Java 等多種語言，除了軟件本身外，該軟件能夠與機器人進行連接，進一步將自己編的程序能夠?qū)崟r地調(diào)試，這給學(xué)編程帶來了幫助，不再是比較枯燥的學(xué)習(xí)編程，而是能夠做到理論與實踐相結(jié)合，這為教師教學(xué)提供了很大的便利。

（三）傳感器類型多樣化

除了傳統(tǒng)的碰觸傳感器、尋仙傳感器以外，還可以使用超聲波、陀螺儀、視覺等多種新興傳感器，讓機器人更加靈敏智能。可以大大激發(fā)學(xué)生的探究欲與創(chuàng)新動力。

（四）專業(yè)知識多樣化

綜合利用機、電、軟專業(yè)知識，學(xué)生的綜合能力明顯提高。

四、VEX 機器人課程在機械工程創(chuàng)新實習(xí)中取得的成效

（一）創(chuàng)建了一套各類競賽與實習(xí)結(jié)合的新模式

機器人課程在創(chuàng)新實習(xí)中得到應(yīng)用，與3D 打印、實體掃描等組成新的實習(xí)項目。提出培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力與意識的新型培訓(xùn)模式。

組織參加專業(yè)的機器人競賽，通過與高水平院校進行同場競技，為同學(xué)們提供了外出交流學(xué)習(xí)的平臺，進一步提高專業(yè)知識的學(xué)習(xí)動力。

通過部分優(yōu)秀學(xué)生制作機器人，參加創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)、“互聯(lián)網(wǎng)+”類比賽，培養(yǎng)提高同學(xué)們對專業(yè)知識與應(yīng)用領(lǐng)域的聯(lián)系提供有效的途徑。

（二）融合創(chuàng)新、創(chuàng)意、創(chuàng)造的培育體系

隨著時代的發(fā)展，創(chuàng)新意識、獨立動手能力、構(gòu)建理論等理念也不斷地進入本科、研究生教育體系。理念經(jīng)過針對性的設(shè)計教育方案，把創(chuàng)新能力、創(chuàng)造精神、系統(tǒng)化解決問題能力等作為培養(yǎng)的重點。

VEX 機器人的學(xué)習(xí)，是以解決一個特定的工程項目即比賽主題而展開的。要達到學(xué)習(xí)目標，需要教師將目標細化到每一階段，可以通過問題由簡到難，由淺入深以遞進的方式分配給學(xué)生去解決，每一階段的任務(wù)最好相互聯(lián)系，避免出現(xiàn)較大的跳躍性，有助于學(xué)生對知識的意義建構(gòu)。

（三）思政內(nèi)容在課程中的融合

通過VEX 課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生不僅僅能夠在專業(yè)基礎(chǔ)知識中能夠得到提高與鍛煉，更在后期的訓(xùn)練與競賽的過程中體會到希望、失敗、挫折、失望、進步、成功。增強了學(xué)生們的抗挫折能力，提高了自信心。能夠更加清醒的認識個人與團隊的區(qū)別和關(guān)系、個人能力的特點、組織協(xié)調(diào)能力的重要性。

VEX 機器人每年有不同的主題要求，每屆同學(xué)都會經(jīng)歷起步時的一點點探索到一次次完成優(yōu)化機器結(jié)構(gòu)與程序。其中，在一次次推翻前期設(shè)計重新設(shè)計、組織、調(diào)試的過程中，同學(xué)們更強烈地認識到工匠精神的重要性和現(xiàn)實意義。

結(jié)語

有效的、良好的VEX 機器人教育進入機械工程本科實踐教學(xué)后，能夠有效地提高教師、學(xué)生的積極性。通過組織參加各類比賽，能夠更有效地組織學(xué)生群體活動，并形成梯隊化、層次化的學(xué)生專業(yè)技術(shù)團隊。實踐表明，多方位的工程感知、多學(xué)科的交叉融合以及多樣化的實踐教學(xué)過程，能有效提升學(xué)生的工程能力和創(chuàng)新意識。