基于“慧魚模型”的機(jī)器人課程實驗教學(xué)改革探索

辛　穎　薛　偉　王　劍　狄海庭

【摘要】該文針對機(jī)器人課程的教學(xué)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(jī)器人課程實驗中的應(yīng)用方案與實踐過程,闡述了進(jìn)行機(jī)器人實驗改革的一些收獲。慧魚模型在機(jī)器人實驗教學(xué)中的應(yīng)用,對培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維和動手能力提供了一個良好的載體,為大學(xué)生的創(chuàng)新教育提供了一條新的途徑。

【關(guān)鍵詞】慧魚模型;機(jī)器人;實驗;改革

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

一 前言

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

在實驗和實踐教學(xué)方面,機(jī)器人課程的實驗教學(xué)基本上是圍繞基礎(chǔ)理論的驗證性實驗,缺少設(shè)計性和綜合性實驗,不能給學(xué)生提供一個創(chuàng)新意識自由發(fā)揮的空間。學(xué)生很少有機(jī)會進(jìn)行思考和創(chuàng)意,創(chuàng)新意識和創(chuàng)新潛能無法得到充分的培養(yǎng)[3]。

因此,對機(jī)器人技術(shù)課程的實驗教學(xué)改革與探索是非常必要的,而德國慧魚模型的出現(xiàn),為機(jī)器人實驗教學(xué)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(fā)明家Arthur Fischer博士在1964年從其專利“六面拼接體”的基礎(chǔ)上發(fā)明的[3-4]。慧魚模型是由機(jī)械構(gòu)件、電氣構(gòu)件、傳感器、氣動構(gòu)件、電腦控制器及軟件所組成的系統(tǒng)[5];模型采用模塊式設(shè)計,可無限擴(kuò)充,可反復(fù)拆裝;產(chǎn)品系統(tǒng)化,種類多樣化,可逼真地表現(xiàn)機(jī)械系統(tǒng)的構(gòu)成和控制過程及科學(xué)原理,便于對機(jī)器人原理、組成、控制的全面認(rèn)識;以機(jī)械傳動為核心,融傳感器技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、自動控制技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)為一體的教學(xué)及仿真模型。該智能模型能夠展示科學(xué)原理和技術(shù)過程,緊密聯(lián)系研究設(shè)計和生產(chǎn)實踐過程,不斷創(chuàng)新,不斷發(fā)展,學(xué)生可以通過自己動手搭建機(jī)械、氣動、傳感器部件,熟悉并掌握機(jī)器人產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、工作原理,并可在此基礎(chǔ)上利用PLC、計算機(jī)接口或單片機(jī)接口板進(jìn)行自動控制,培養(yǎng)學(xué)生將所學(xué)知識交叉融合、用于解決具體問題的能力,同時培養(yǎng)學(xué)生的動手能力、創(chuàng)新能力。該模型也代表了高科技的許多領(lǐng)域,受到國內(nèi)外各地教育工作者的關(guān)注和思考。

三 慧魚模型在機(jī)器人實驗教學(xué)中的應(yīng)用方案

東北林業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院2006年購進(jìn)慧魚模型,建立機(jī)器人創(chuàng)意實驗室。結(jié)合機(jī)器人技術(shù)課程的教學(xué)安排與慧魚模型的特點,將機(jī)器人實驗在內(nèi)容上分為以下五部分:機(jī)器人技術(shù)入門實驗、移動機(jī)器人實驗、氣動機(jī)器人實驗、仿生機(jī)器人實驗和工業(yè)機(jī)器人實驗。實驗分為必選和選修兩部分內(nèi)容,將機(jī)器人入門實驗列為必選實驗,機(jī)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(xùn)練,使學(xué)生了解慧魚機(jī)器人的制作與控制過程,激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識;將難度較大的移動機(jī)器人實驗、氣動機(jī)器人實驗、仿生機(jī)器人實驗、工業(yè)機(jī)器人實驗列為選修實驗,學(xué)生可根據(jù)興趣進(jìn)行選擇,通過對各種專用機(jī)器人的制作與控制,進(jìn)一步發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)新意識,提高學(xué)生的動手能力。

每個實驗的完成過程大致按三個階段進(jìn)行:首先是模仿學(xué)習(xí)階段,學(xué)生通過對提供的資料、圖片、教具進(jìn)行觀察、研究和琢磨,進(jìn)行自主的學(xué)習(xí)模仿性實驗,獲取大量感性認(rèn)識,根據(jù)實驗指導(dǎo)書上的提示制作慧魚機(jī)器人,學(xué)習(xí)各種經(jīng)典的機(jī)構(gòu)組合方式,結(jié)合電腦語言編程,對設(shè)計的機(jī)器人進(jìn)行編程和控制;第二階段是改進(jìn)階段,在已制作好的機(jī)器人基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn),使之實現(xiàn)更多地動作,培養(yǎng)想象力和創(chuàng)造力;第三階段是創(chuàng)新階段。擺脫實驗指導(dǎo)書的束縛,創(chuàng)造出具有新的機(jī)構(gòu)和功能的機(jī)器人。

四 移動機(jī)器人實驗創(chuàng)意組合實踐

如何利用慧魚模型進(jìn)行機(jī)器人的創(chuàng)新實驗,如何能使學(xué)生的創(chuàng)意得到很好的發(fā)揮,是在進(jìn)行實驗課程之前值得認(rèn)真思考的問題。東北林業(yè)大學(xué)工程技術(shù)機(jī)器人創(chuàng)意實驗室通過實施模仿、改進(jìn)和創(chuàng)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(jī)器人創(chuàng)意實驗為例,介紹慧魚模型在進(jìn)行機(jī)器人實驗教學(xué)改革的實踐過程:

1 基本知識的準(zhǔn)備。首先引導(dǎo)學(xué)生熟悉慧魚模型的各個模塊功能,復(fù)習(xí)機(jī)器人技術(shù)、傳感器、微機(jī)原理和Robo Pro編程等一些基本知識,為進(jìn)行機(jī)器人創(chuàng)意實驗設(shè)計打下基礎(chǔ)。

2 主要實驗器材的準(zhǔn)備。各實驗小組準(zhǔn)備慧魚移動機(jī)器人組合包一套、慧魚專用電源一套、PC機(jī)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(xué)生對慧魚模型不了解,首先由老師確定題目:運(yùn)行小車。采用兩個傳感器檢測所行距離,含有一個接觸開關(guān)和一個脈沖齒輪,脈沖齒輪連接到電機(jī)的減速軸上,使得電機(jī)開關(guān)啟動四次。要求學(xué)生通過計算所有脈沖邊沿,使運(yùn)行小車能夠?qū)崿F(xiàn)以邊長為一米的正方形軌跡行走功能。該題目集機(jī)、電、控制、傳感技術(shù)和機(jī)器人技術(shù)為一體,構(gòu)思與組裝具有一定的創(chuàng)意。

4 方案的改進(jìn)階段。在運(yùn)行小車制作完成之后,啟發(fā)學(xué)生在此基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn),制作一個類似于工廠AGV車的追蹤軌跡機(jī)器人。學(xué)生通過了解AGV小車的運(yùn)行原理,采用黑色膠帶作為軌跡,車身下安裝光電傳感器,當(dāng)傳感器反射出黑線,馬達(dá)就會做出相應(yīng)的反應(yīng)。在實驗過程中,應(yīng)注意軌跡的轉(zhuǎn)彎不能太急,否則機(jī)器人會出現(xiàn)因看不到軌跡而頻繁偏離軌跡的現(xiàn)象。同時,為了保證傳感器功能的準(zhǔn)確性,應(yīng)保證軌跡有足夠的亮度。

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

五 應(yīng)用慧魚模型進(jìn)行機(jī)器人實驗教學(xué)的收獲

通過利用慧魚模型進(jìn)行機(jī)器人實驗教學(xué)改革,得出一些收獲與經(jīng)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(xué)習(xí)模式,即一邊動手制作,一邊學(xué)習(xí)相關(guān)知識,在機(jī)器人制作過程中,每時每刻都會出現(xiàn)新的問題,明確的目標(biāo)激發(fā)學(xué)生主動去尋找答案,培養(yǎng)學(xué)生的動手能力、解決實際問題能力和創(chuàng)新設(shè)計能力。而且,由于慧魚模型要求學(xué)生完成創(chuàng)意設(shè)計,許多內(nèi)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(xué)習(xí)和提高。有了教學(xué)實踐中師生共同探討問題的經(jīng)歷,學(xué)生有問題愿意找老師答疑和探討,可形成一種互相學(xué)習(xí)、互相促進(jìn)的新型師生關(guān)系。

2 在進(jìn)行慧魚模型的組裝和創(chuàng)意過程中,應(yīng)以學(xué)生動手實踐為主,教師為輔。教師不要過多地干預(yù)學(xué)生的思維,給學(xué)生充分思考和創(chuàng)新的空間,盡量創(chuàng)造一個使學(xué)生的潛能得以充分發(fā)揮的環(huán)境,使學(xué)生的特長得以展示,能力得以提高,而且逐漸養(yǎng)成“不墨守成規(guī),不拘泥于傳統(tǒng)”的思維習(xí)慣。

3 教師應(yīng)用最簡潔的方法教會學(xué)生使用慧魚控制軟件,避免學(xué)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(yīng)將準(zhǔn)備工作做好做細(xì),將軟件的使用方法和要點提前向?qū)W生講授,使學(xué)生在軟件學(xué)習(xí)上不要花費(fèi)太多的時間,重點將程序編制中對學(xué)生創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)放在程序的邏輯關(guān)系、時間分配和控制方法上。

4 加強(qiáng)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(gòu)件種類繁多,形狀細(xì)小,容易出現(xiàn)丟失的現(xiàn)象。在實驗課中,如果構(gòu)件使用不當(dāng)或管理不嚴(yán),經(jīng)常會出現(xiàn)損失和丟失構(gòu)件的現(xiàn)象,而且有的構(gòu)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(dú)的構(gòu)件,可能會出現(xiàn)為購買一個構(gòu)件而需要購買整套模型的現(xiàn)象。因此,在進(jìn)行慧魚創(chuàng)意組合實驗課之前,應(yīng)思考如何有效地管理慧魚構(gòu)件的問題。

六 結(jié)語

在應(yīng)用慧魚模型進(jìn)行機(jī)器人實驗教學(xué)過程中,學(xué)生將綜合應(yīng)用到機(jī)械原理、氣動技術(shù)、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(biāo)準(zhǔn)答案和固定的模式,不受教材制約,不需要反復(fù)記憶和練習(xí),因而學(xué)生完全在一個開放性的環(huán)境中進(jìn)行自主式的探索和研究,鼓勵學(xué)生積極思考,開創(chuàng)學(xué)生之間、師生之間進(jìn)行平等討論的良好環(huán)境,可建立自主學(xué)習(xí)的研究氣氛和學(xué)習(xí)方法。因此,通過采用慧魚模型對目前機(jī)器人技術(shù)的實驗教學(xué)體系進(jìn)行改革,可以體現(xiàn)“以學(xué)生發(fā)展為本,以能力發(fā)展為主”的現(xiàn)代教育理念,是一條探索培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的有效途徑。

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