基于“慧魚模型”的機器人課程實驗教學改革探索

辛　穎　薛　偉　王　劍　狄海庭

【摘要】該文針對機器人課程的教學與實驗中存在的不足,以慧魚模型為教具,探討了慧魚模型在機器人課程實驗中的應用方案與實踐過程,闡述了進行機器人實驗改革的一些收獲。慧魚模型在機器人實驗教學中的應用,對培養學生創新思維和動手能力提供了一個良好的載體,為大學生的創新教育提供了一條新的途徑。

【關鍵詞】慧魚模型;機器人;實驗;改革

【中圖分類號】G40-057 【文獻標識碼】B 【論文編號】1009—8097(2009)07—0138—02

一 前言

近年來,我國的機器人教育有了很大的發展,機器人技術課程逐步成為高校綜合性實踐課程[1]。在傳統的教學方法中,我國機器人教育普遍存在著重視知識傳授、輕視能力培養,重視理論教學、輕視實踐環節的問題,使得學生只滿足于死記硬背知識點,沒有注重學生獨立動手能力、綜合分析問題和解決問題能力的培養[2]。

在實驗和實踐教學方面,機器人課程的實驗教學基本上是圍繞基礎理論的驗證性實驗,缺少設計性和綜合性實驗,不能給學生提供一個創新意識自由發揮的空間。學生很少有機會進行思考和創意,創新意識和創新潛能無法得到充分的培養[3]。

因此,對機器人技術課程的實驗教學改革與探索是非常必要的,而德國慧魚模型的出現,為機器人實驗教學改革提供了良好的載體。

二 慧魚模型簡介

慧魚模型是由德國發明家Arthur Fischer博士在1964年從其專利“六面拼接體”的基礎上發明的[3-4]。慧魚模型是由機械構件、電氣構件、傳感器、氣動構件、電腦控制器及軟件所組成的系統[5];模型采用模塊式設計,可無限擴充,可反復拆裝;產品系統化,種類多樣化,可逼真地表現機械系統的構成和控制過程及科學原理,便于對機器人原理、組成、控制的全面認識;以機械傳動為核心,融傳感器技術、計算機技術、自動控制技術、機器人技術為一體的教學及仿真模型。該智能模型能夠展示科學原理和技術過程,緊密聯系研究設計和生產實踐過程,不斷創新,不斷發展,學生可以通過自己動手搭建機械、氣動、傳感器部件,熟悉并掌握機器人產品的結構、工作原理,并可在此基礎上利用PLC、計算機接口或單片機接口板進行自動控制,培養學生將所學知識交叉融合、用于解決具體問題的能力,同時培養學生的動手能力、創新能力。該模型也代表了高科技的許多領域,受到國內外各地教育工作者的關注和思考。

三 慧魚模型在機器人實驗教學中的應用方案

東北林業大學工程技術學院2006年購進慧魚模型,建立機器人創意實驗室。結合機器人技術課程的教學安排與慧魚模型的特點,將機器人實驗在內容上分為以下五部分:機器人技術入門實驗、移動機器人實驗、氣動機器人實驗、仿生機器人實驗和工業機器人實驗。實驗分為必選和選修兩部分內容,將機器人入門實驗列為必選實驗,機器人基本的實驗原理、編程及控制方法在必選實驗中得到訓練,使學生了解慧魚機器人的制作與控制過程,激發學生的創新意識;將難度較大的移動機器人實驗、氣動機器人實驗、仿生機器人實驗、工業機器人實驗列為選修實驗,學生可根據興趣進行選擇,通過對各種專用機器人的制作與控制,進一步發揮學生的創新意識,提高學生的動手能力。

每個實驗的完成過程大致按三個階段進行:首先是模仿學習階段,學生通過對提供的資料、圖片、教具進行觀察、研究和琢磨,進行自主的學習模仿性實驗,獲取大量感性認識,根據實驗指導書上的提示制作慧魚機器人,學習各種經典的機構組合方式,結合電腦語言編程,對設計的機器人進行編程和控制;第二階段是改進階段,在已制作好的機器人基礎上進行改進,使之實現更多地動作,培養想象力和創造力;第三階段是創新階段。擺脫實驗指導書的束縛,創造出具有新的機構和功能的機器人。

四 移動機器人實驗創意組合實踐

如何利用慧魚模型進行機器人的創新實驗,如何能使學生的創意得到很好的發揮,是在進行實驗課程之前值得認真思考的問題。東北林業大學工程技術機器人創意實驗室通過實施模仿、改進和創新三個階段,完成慧魚模型組合的三個過程,取得了良好的實踐效果。下面以移動機器人創意實驗為例,介紹慧魚模型在進行機器人實驗教學改革的實踐過程:

1 基本知識的準備。首先引導學生熟悉慧魚模型的各個模塊功能,復習機器人技術、傳感器、微機原理和Robo Pro編程等一些基本知識,為進行機器人創意實驗設計打下基礎。

2 主要實驗器材的準備。各實驗小組準備慧魚移動機器人組合包一套、慧魚專用電源一套、PC機一臺、Robo Pro軟件一套、智能接口電路板一塊。

3 題目擬定。起初學生對慧魚模型不了解,首先由老師確定題目:運行小車。采用兩個傳感器檢測所行距離,含有一個接觸開關和一個脈沖齒輪,脈沖齒輪連接到電機的減速軸上,使得電機開關啟動四次。要求學生通過計算所有脈沖邊沿,使運行小車能夠實現以邊長為一米的正方形軌跡行走功能。該題目集機、電、控制、傳感技術和機器人技術為一體,構思與組裝具有一定的創意。

4 方案的改進階段。在運行小車制作完成之后,啟發學生在此基礎上進行改進,制作一個類似于工廠AGV車的追蹤軌跡機器人。學生通過了解AGV小車的運行原理,采用黑色膠帶作為軌跡,車身下安裝光電傳感器,當傳感器反射出黑線,馬達就會做出相應的反應。在實驗過程中,應注意軌跡的轉彎不能太急,否則機器人會出現因看不到軌跡而頻繁偏離軌跡的現象。同時,為了保證傳感器功能的準確性,應保證軌跡有足夠的亮度。

5 方案的創新階段。要求學生開動腦筋,依據自己的想法組合出新的移動小車。有的同學根據追蹤軌跡機器人的運行原理,又增加了新的功能,設計出尋光避障機器人,該機器人將尋光和避障的功能結合起來。首先,機器人尋找光源,發現光源,進行跟蹤,如果探測到妨礙其前進的障礙物,識別障礙的功能將開始起作用,當障礙全部掃光,機器人繼續尋找光源前進。該方案將進行尋光功能的光電傳感器連接到兩個輸入端,當模型向左右旋轉時,采用接觸傳感器計算脈沖。該任務主要分成三部分:檢測機器人是否看到光源(子程序Light),檢測機器人是否碰到障礙(子程序Obstacle),機器人鑒于上述判斷功能的相應反應動作(子程序Driving)。該方案的完成不僅鍛煉了學生的創新能力和動手技能,同時訓練了學生“自頂而下”的編程思想,收到良好的效果。

五 應用慧魚模型進行機器人實驗教學的收獲

通過利用慧魚模型進行機器人實驗教學改革,得出一些收獲與經驗:

1 由于慧魚模型的自身特點,通過模型的搭建和組裝,提供了一種特殊的學習模式,即一邊動手制作,一邊學習相關知識,在機器人制作過程中,每時每刻都會出現新的問題,明確的目標激發學生主動去尋找答案,培養學生的動手能力、解決實際問題能力和創新設計能力。而且,由于慧魚模型要求學生完成創意設計,許多內容超出教材甚至超出教師的知識范圍,因此必然敦促教師自身的再學習和提高。有了教學實踐中師生共同探討問題的經歷,學生有問題愿意找老師答疑和探討,可形成一種互相學習、互相促進的新型師生關系。

2 在進行慧魚模型的組裝和創意過程中,應以學生動手實踐為主,教師為輔。教師不要過多地干預學生的思維,給學生充分思考和創新的空間,盡量創造一個使學生的潛能得以充分發揮的環境,使學生的特長得以展示,能力得以提高,而且逐漸養成“不墨守成規,不拘泥于傳統”的思維習慣。

3 教師應用最簡潔的方法教會學生使用慧魚控制軟件,避免學生在軟件上遇到過多的障礙。由于實驗課的課時有限,教師應將準備工作做好做細,將軟件的使用方法和要點提前向學生講授,使學生在軟件學習上不要花費太多的時間,重點將程序編制中對學生創新思維和創新能力的培養放在程序的邏輯關系、時間分配和控制方法上。

4 加強慧魚零件的管理。慧魚模型在使用的過程中,普遍存在著一個問題:慧魚構件種類繁多,形狀細小,容易出現丟失的現象。在實驗課中,如果構件使用不當或管理不嚴,經常會出現損失和丟失構件的現象,而且有的構件一套組合包中就只有一個,在這種情況下,無法從廠家購買一個或兩個單獨的構件,可能會出現為購買一個構件而需要購買整套模型的現象。因此,在進行慧魚創意組合實驗課之前,應思考如何有效地管理慧魚構件的問題。

六 結語

在應用慧魚模型進行機器人實驗教學過程中,學生將綜合應用到機械原理、氣動技術、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準答案和固定的模式,不受教材制約,不需要反復記憶和練習,因而學生完全在一個開放性的環境中進行自主式的探索和研究,鼓勵學生積極思考,開創學生之間、師生之間進行平等討論的良好環境,可建立自主學習的研究氣氛和學習方法。因此,通過采用慧魚模型對目前機器人技術的實驗教學體系進行改革,可以體現“以學生發展為本,以能力發展為主”的現代教育理念,是一條探索培養學生創新能力的有效途徑。

參考文獻

[1]陸承景.對機器人學科教學目標和內容的實踐與思考[J].中國電化教育,2006,12:71-72.

[2]萬佑紅,蔣國平.機器人教育與大學生創新能力培養的探索[J].電氣電子教學學報,2005,27(4):6-8.

[3]肖曉萍,廖青.“慧魚”教具在大學生創新教育中的探索性研究[J].高教研究,2006,79(2):36-37.

[4]蔣端六.探索型實驗帶動研究性課程的發展[J].無錫教育學院學報,2001,21(3):63-65.

[5]文沛先,韓滿林.慧魚創新組合實驗與培養學生研究性學習的能力[J].常州信息職業技術學院學報,2002,1(2):70-71.