基于慧魚模型的機電綜合實驗教學探索與實踐

黃志誠 劉莉婭 黎澤倫

摘要：高等院校機電綜合實驗需要學生將所學的機械，計算機及自動控制等知識有機結合，實踐性極強。對機電綜合實驗教學進行了探索與實踐，基于慧魚機器人模型，摸索出了基本實驗—綜合設計型實驗—創新型實驗—研究型實驗相結合的實驗教學體系。實踐表示，該體系教學效果良好，具有一定的推廣價值。

關鍵詞：慧魚模型；機電綜合；實驗教學

一、 引言

機電綜合實驗涉及機械、電子、計算機、自動控制學科，知識點覆蓋全面，對學生的實踐能力有很強的提升作用，因而深受歡迎和重視。慧魚教學創意機器人因其獨特的模塊化設計特點在國內外廣泛用于機械類課程的實驗教學。如德國和美國眾多高校將慧魚機器人作為教學機器人用于機械類課程的教學和實驗，國內南京理工大學、東北林業大學、西南科技大學、遼寧工業大學和淮陰工學院等高校以實訓專周的形式利用慧魚機器人進行大學生的創新實驗。

傳統的機電綜合實驗教學沒有成系統，只強調學生對基本分析能力和基本設計能力的訓練，導致學生獲取的知識都是片面的、有局限的，過于模式化，不成體系，而將慧魚機器人引入機電綜合實驗教學，為改革傳統的機電綜合實驗提供了良好的工具。對基于慧魚模型的機電綜合實驗教學進行探索與實踐也是很有必要的。

二、 慧魚模型在機電綜合實驗教學中的應用方案

景德鎮陶瓷大學早在2003年就開始購進部分慧魚模型，供機械設計專業學生選修機器人創新實驗，2016年慧魚模型納入機電工程坊供機電綜合實驗用，筆者即進入該實驗室工作，指導機電綜合創新實驗，同時進行實驗教學探索和實踐。制訂了基于慧魚模型的分層次、模塊化和遞進式的創新實驗教學體系，形成四級階梯式實驗教學構架，即基本實驗—綜合設計型實驗—創新型實驗—研究型實驗相結合的實驗教學體系。

第一個階段是基本實驗階段，學生的任務是模仿和學習。教師提前開發比較基礎的實驗項目，編寫相應的實驗大綱和實驗指導書并提供必要的資料、圖片和視頻，教師對慧魚模型的基本操作進行講授，指導學生掌握慧魚機器人模型的機械原理。學生分組進行實驗，通過老師提供的圖片、視頻資料獲得初步的感性認知，然后根據實驗指導書的指引，對機械原理教材中的典型機械結構（如齒輪機構、凸輪機構、連桿機構、帶傳動和鏈傳動機構等）進行組裝和拆卸練習，掌握慧魚機器人模塊裝拆方法。

第二個階段是綜合設計型實驗階段，由于引入電氣控制模塊，教師首先要指導學生學習模塊控制軟件ROBOPro和LLWIN并編寫一些簡單的控制程序。然后教師要引導學生完成機電綜合系統的搭建和控制。教師提供一些機電綜合系統（如智能避障小車，工業機械手等）的主體構架，在此基礎上，由學生分組討論傳動和控制方案，然后根據方案搭建結構并進行電氣控制調試。通過構建這樣的機電綜合系統，學生參與完成了機電一體化設計的整個過程，本實驗階段包括機構的設計、電路的搭建、傳感器的安裝、軟件的編程等多方面知識，基本覆蓋了機電專業主干課程。

第三個階段是創新型實驗階段。本階段要求學生完成吸收與創新的過程。跳出實驗指導書的框框，對第二階段搭建好的機電綜合系統進行改進，如對工業機械手加入更多的電子元件和控制元件，使之完成更多的動作，或者完全拋開前段搭建好的機電綜合系統，重新構建新的機構，創造出具有全新功能的機器人系統。

第四個階段是研究型實驗。由教師根據工程實際或者自己的項目提出具體的工程問題，引導學生構建新的機器人來解決這些問題。學生可以分組針對題目進行方案論證，機械簡圖繪制、機構結構搭建、控制元件的安裝及電氣調試等。經過這一階段的實驗，可以培養學生獨立解決大型工程實際問題的能力。

三、 方案實施的效果與經驗

四級階梯式實驗教學構架，即基本實驗—綜合設計型實驗—創新型實驗—研究型實驗相結合的實驗教學體系自實施以來，成功實現了傳統機器人實驗教學模式的兩個轉變。第一個轉變是封閉式的機電類實驗教學模式向開放式教學模式轉變。傳統的機電類實驗教學一般采用課程附帶實驗以及實訓專周等封閉式教學模式，方案的實施為機電類實驗提供一種開放式的、創新的實驗教學模式。第二個轉變是機電類實驗考核方式的轉變。傳統機電類實驗考核方式是根據學生的實驗報告和實驗操作給出相應的成績，形式單一并不能完全反映學生真實成績。在本方案實施過程中，學生可以自行設計相關的機器人和各類機電系統，對于學生的設計結果，沒有標準答案和固定的模式，可以充分發揮學生的創新能力。另外，創新實驗可以和科技競賽相結合，學生在提交作品后，其成績和學分由作品本身和學生的現場答辯表現決定，跨出了實驗指導書的限制，能夠更真實地反映學生的能力。

四、 結語

筆者在長期的機電綜合實驗教學中進行探索，實施了一種四級階梯式實驗教學構架，即基本實驗—綜合設計型實驗—創新型實驗—研究型實驗相結合的實驗教學體系。該體系由淺入深，循序漸進，注重吸引學生參與實驗的主動性，逐步提高他們的積極性，在潛移默化中，學生的動手能力，創新能力和團隊協作精神都得到了培養。

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作者簡介：黃志誠，劉莉婭，江西省景德鎮市，景德鎮陶瓷大學機械電子工程學院；

黎澤倫，重慶市，重慶科技學院機械與動力工程學院。