機器人項目應用于中職機械基礎教學的探索

◆項飛燕

機械基礎是中職機電專業學生的一門專業基礎課，為專業技術課和實訓課服務，也是學生職業發展和繼續教育不可或缺的基礎。本課程理論性強，內容多，難以實施切實有效的創新教學，教學主要采用教師中心教學法，效果難以理想。以“素質為本、技能為準、品德為尚、拓展為強”為主旨，把機器人項目引進機械基礎教學中，以探索創新教學。

1 傳播CDIO的先進理念

1.1 什么是CDIO

麻省理工、瑞典皇家工學院等大學得到某基金的資助，探索研究創立了CDIO工程教育理念，并于2004年成立了CDIO組織。我國已有多所大學加入該組織，如清華大學工業工程系，筆者就是在清華國培期間接觸了CDIO。CDIO代表構思（Conceive）、設計（Design）、實現（Implement）、運作（Operate）。CDIO的理念不僅繼承和發展了歐美20多年來工程教育大改革的理念，更重要的是還提出了系統的能力培養、全面的實施指引（包括培養計劃、教學方法、學生考核以及學習構架）以及實施檢驗的12條標準。CDIO培養大綱將工程畢業生的能力分為工程基礎知識、個人能力、人際團隊能力和工程系統能力4個層面，要求以綜合的培養方式使學生在這四個層面達到預定的目標。

1.2 中職應該學習CDIO工程教育理念和教育模式

CDIO主要針對培養有專業技能、有社會意識和有企業家敏銳性的工程師，遠高于中職的培養目標，不過其中很多理念與模式也適合中職：1）強調“做中學”，在實踐中學習；2）要求集成化教學使學生獲得專業知識，同時培養個人自身能力、團隊合作能力及建造產品和系統的能力；3）要求建立和發展課程之間的關聯，使專業目標得到多門課程的共同支持。另外，隨著技能人才繼續教育的改革（如現在高職的對口招生），越來越多的中職畢業生會經過繼續教育或持續發展而加入到工程師隊伍，因此，中職也需要有中職特色的CDIO。

2 機器人項目教學過程的實施

嘗試集成化綜合教學，學生在項目訓練中要進行產品的分析、設計以及考慮設計者的社會責任。同時加強課程間關聯，機械基礎聯合機械制圖、車工、鉗工等實施本項目，在一年級第二學期末時開展，作為這幾門課的大作業或者實操考試，也可作為學生的工程拓展訓練。本校一年級學生，每學期有6周左右的實訓（普車和鉗工），能進行簡單加工和修配，而且有計算機基礎，能上網搜索和自學新軟件的簡單操作。本項目以學生為中心，主要采用基于工程項目的項目教學法，同時采用角色扮演法、頭腦風暴法等教學法。

2.1 按照項目教學法的流程開展教學

1）分組。本項目以團隊拓展式進行，把學生分成若干小組，每組約10人；教師定出任務和進度，不告訴學生答案，學生可以犯錯后換個方案重新開始；各組力求創新設計，杜絕抄襲。

2）項目任務要求。①提供有限標準件，其他所需構件尋求實訓中心加工，設計制造機器人，通過安裝Android2.3操作系統的手機完成遙控，分別完成直行、上坡、下臺階、轉彎、排爆及攜彈至排爆點這一系列動作；②畫出機器人裝配圖和零件圖；③撰寫項目開發報告、技術報告和團隊建設報告共三份報告。實驗室提供的標準件有手機、直流電機、舵機、電池、光軸、電控部分以及各種軸承和螺釘等。本項目專用件，學生能加工的自己加工，如車輪、支架、車身板等；不能加工的尋求實訓中心教師安排加工，如齒輪、齒條等。

3）項目實施。每組根據規定的項目進度安排，有計劃、有分工地去實施。在實施過程中，定時全班匯報，各組展示階段成果，比如思維導圖、機器人草圖等。經過匯報，各組有分享也有對比，可以激發各組之間的文明競爭：快、好、新穎。

項目實施進度可以分下面幾步。①團隊建設：名稱，口號，宣傳畫制作，團隊分工。②構思：頭腦風暴，得出思維導圖，主要涉及結構設計、功能動作分析等方面，控制電路設計不做要求。③設計：確定方案，畫圖，定出材料。④制作、調試：領料，下料，零件制作，局部調試，改進，整機組裝與調試。⑤調試、比賽，匯報、答辯。

4）過程控制。每組配一個教練（帶隊教師），全班一個總教練掌控全局。每組教練利用Q群或交流軟件，跟蹤好學生的任務進展及心理變化，適時鼓舞士氣。教練不參與解決任務問題，不評論方案優劣，引導學生積極參與、獨立解決問題。教練引導學生自由構思，設計時要嚴謹，對所有方案進行對比、分析，挑出最優的設計，同時各組之間要避免完全雷同。學生考慮問題難免不周全，允許學生犯錯，在制作運行中發現并改正。

如機械手的傳動方案，有螺旋傳動、曲柄滑塊機構、齒輪齒條傳動等，選用哪一種？教練引導學生從加工、控制、移動速度等方面來選擇。①螺旋傳動，考慮到重量問題，螺桿直徑受限制，比如選Tr12×3的梯形傳動螺紋，一個加工成問題，還有速度——螺距小速度慢。②曲柄滑塊機構，加工容易且有快回特性，快回用不到，曲柄轉一圈，滑塊上下一個往返，機械手移動控制難。③齒輪齒條機構，這是比較合理的傳動，容易控制，加工用線切割較容易。學生不一定能考慮到這些問題，如有的小組機械手選用螺旋傳動，加工好連上電機一試太慢，不得不放棄；其他組都采用齒輪齒條傳動，為另辟蹊徑，選用舵機帶動機械手轉動。

5）評估。以小組參賽形式評比，機器人結構工藝和排爆實操競賽成績、三個報告成績、圖紙平均成績、匯報答辯成績等成績按比例來計算，以決出名次。教練要提醒學生自評：名次不是最重要的，重要的是掌握知識、提高各種能力。

2.2 分析構思采用頭腦風暴法，百花齊放，自由飛翔

本項目的構思任務，頭腦風暴是最佳的選擇。首先，教練宣布紀律：暢所欲言，禁止評價。學生擺好心態，輕松上陣，通過橫向思維、突破思維，得出機械結構設計和功能動作方面盡可能多的構思。如機器人機械手抓舉炸彈的過程，其運動有多種形式，如轉動、移動、轉動加移動等。現以前兩種運動形式為例，展示頭腦風暴的效果。

1）機械手轉動。首先，動力驅動，可以采用舵機直接驅動或電機驅動。舵機驅動，選用180°、90°還是其他角度的舵機，有待設計環節根據機械手裝配高度、運動極限位置進行估算得出。電機驅動，一般要配減速系統，可采用齒輪傳動、帶傳動、鏈傳動等。然后選擇機械手轉動的中心軸：X軸、Y軸、Z軸。

2）機械手移動。從電機的轉動到機械手的移動，可采用的機構或傳動有螺旋傳動、曲柄滑塊機構、齒輪齒條傳動等。

2.3 采用角色扮演法，起到良好的德育效果

為增加趣味性，也為了培養學生的愛國主義精神、社會責任感及團隊意識，小組在實施項目過程中扮演一定的角色，角色設置由學生自己完成，與隊名、隊徽、宣傳畫、分工及相對應的團隊管理建設一致。如扮演成現代科技武裝的和平衛士小分隊：世界尚未和平，恐怖組織潛伏，伺機而動，人民的生命受到威脅，炸彈必須馬上清除，上坡陡峭，下坡兇險，隧道黑暗，城市森林馬路十八彎，養兵千日用兵一時，出發吧，駕馭我們開發制作的機器人，我們是和平衛士！

3 把機器人項目引進機械基礎教學的意義

3.1 學生掌握專業知識和專業技能

本項目增加了學生學習的趣味性，提升付出努力后的成就感。同時理論聯系實踐，使學生牢固掌握機械基礎的三大塊內容：機械機構、機械傳動、軸系零件。本校用的《機械基礎》教材有6個實訓模塊，本校沒安排，內容設置得欠合理，其中減速器裝拆模塊已經囊括了其他模塊關于螺紋、鍵、齒輪、軸承的實訓。學生參加書中安排的實訓，只是對連接固定、裝配有所認識，而各種機構和各種傳動的運動沒有得到實踐，其他方面的素質也沒有提高。另外本項目關聯其他科目一起實施教學，學生對機械制圖、鉗工、車工等知識技能也有了進一步提高，同時認識到各課程間的關聯性。

3.2 提高和鍛煉學生的關鍵就業技能

CDIO工程畢業生要求達到4個層面能力：工程基礎知識、個人能力、人際團隊能力和工程系統能力。后面幾層可以算就業能力，中職學生除了專業知識和專業技能之外也應具有就業技能（就業能力）。就業技能目前沒有一個標準的定義，不難得出各行各業對就業技能的要求都少不了CDIO的三個核心技能：溝通技能、團隊合作技能、解決問題技能。本項目分組進行，全組成員必須團結合作才能完成，期間學生相互之間必須有效溝通才能合作，而且教師只起引導作用，各項工作學生必須自主完成，查資料、構思、設計、加工、裝配，各種軟件使用，能夠培養學生溝通、團隊合作、解決問題的綜合就業能力。

3.3 以防雷排爆為主題，培養學生的愛國主義精神和社會責任感

中職學生成長在和平年代，九年義務教育，職校免費，他們得到太容易，缺乏感恩，缺乏愛國主義精神和社會責任感。本著“素質為本，品德為尚”，本項目教學適時融入德育，培養學生的愛國主義精神和社會責任感。

[1]徐揚.CDIO工程教育模式與高校工科學生素質教育的探討[EB/OL].http://wenku.baidu.com/view/ab7030f5f61fb 7360b4c65b2.html.

[2]張勍.以學生為中心:教學法分析及案例[M].北京:北京出版社,2012.