基于積木式機器人的機電專業信息化課程教育實踐

摘要：以積木式機器人為載體，將《機械設計基礎》《傳感器應用技術》和《單片機控制技術》等機電類專業課程內容進行合理整合，有針對性地將創新精神、創新知識、創新技能與活動融入專業教育中，探討了機電專業課程與創新教育融合的教學內容、方法和模式。

關鍵詞：積木式機器人;機電信息化;創新教育;課程融合

0 引言

創新教育是以培養創新意識、創新精神、創新思維、創新能力為目標的創新人才的培養活動。相對于傳統教育，它是一種新型的教育模式，是一種全新的以創新為先導的教學模式，是教學內容、方法、思想、評價及教育體制的創新[1]。

機器人可看作是一個典型的綜合性學習平臺，其集合了現代工業產品設計、機械設計、電子技術、傳感器技術、計算機軟件編程、人機交互和人工智能等諸多領域的先進技術，在職業教育課堂中，尤其是機電類專業課程的教學中，引入積木式機器人對于打破學科界限，實現學科間的深度融合意義重大，對于激發學生的學習興趣，開拓學生專業視野，培養學生的科學精神有著深刻的現實指導作用。

1 課程融合的設計理念

筆者在對專業課程內容進行整合設計和實施時，始終貫徹工程實踐和創新的原則和方法。通過建構課程主題，呈現積木式機器人的結構設計、結構搭建、程序編寫、整機調試等一系列的探究式活動，使得學生在教學項目的反復改進過程中掌握專業知識，同時形成先進的創新理念，掌握創新技巧，提升創新能力。課程設計注重學科課程之間的融合，將學生綜合知識與技能的學習置于首位，構建了涉及機械設計、電子技術和單片機編程技術等幾大領域的項目課程體系。

1.1 ? ?基于建構主義學習理論的積木式機器人項目課程

以機電一體化專業為例，在教學實踐活動中，我們以積木式機器人為載體，提取該專業“機械設計基礎”課程中的機構、傳動、零件模塊中的相應內容，結合“傳感器應用技術”課程中的光敏、磁敏、超聲等傳感器內容以及“單片機控制技術”課程中相應的計算機編程思想與原理，構建了一個多學科融合、多技術集成，且符合學生認知規律的項目實踐平臺。在課程教學中，教師充分利用積木式機器人平臺的實施特點，結合機器人系統的具體部件與編程環境進行具體教學項目的設計，包括了重構課程知識點和建構與實際問題密切相關的學習主題，通過動手實踐培養學生的綜合能力，如團隊協作能力、問題解決能力、交流溝通能力和創新思維能力等。

1.2 ? ?主題項目設計原則

在進行積木式機器人主題項目設計時，首先要考慮其可實施性，需要把握機電一體化集成與融合的關鍵和核心，既需要考慮系統硬件方面的實施基礎，又要考慮學生自身的學習基礎、知識和技能儲備等軟件方面的實施基礎。其次，要充分權衡每個教學項目的容量是否均勻和適當。最后，要注重項目與項目之間進階展開，保證學生能很容易地投入并沉浸至項目中，同時在項目實施過程中不斷有新的挑戰來吸引和激勵他們，從而提高學生解決問題的能力與信心。

本文以消防機器人項目為例，學生在設計主傳動結構時，將應用到課程中的蝸輪蝸桿傳動和齒輪傳動等相關知識;在設計爬行足結構時，將應用到四桿機構的相應知識;而在設計消防彈拋擲結構時，將應用到棘輪機構的相應知識。學生搭建的機器人結構如圖1所示，利用UG_NX進行運動仿真如圖2所示。

此外，學生還將應用“傳感器應用技術”的紅外傳感器進行火源的判斷，應用超聲傳感器進行測距避障等;應用“單片機控制技術”中對驅動電機的轉向、轉速控制知識及條件判斷和循環等單片機編程思想。在各門課程中，學生分別完成相應的主題任務，最終整合成一個完整的綜合性項目，使積木式機器人能感應到模擬的火源，并能運動到相應的位置拋擲消防彈至火源，完成滅火動作。

2 主題任務教學實踐案例

筆者所在教學團隊進行了兩輪的教學實踐—反思—改進的循環研究，并逐步完善課程的設計和實施過程。下面以某項目中消防機器人的任務二：爬行機構設計中的機械部分為例，就課程的實施過程進行具體闡述。

2.1 ? ?課前準備

課前，學生預習教師推送的學習資源，完成了相應的練習：（1）根據運行動畫判斷機構類型;（2）根據桿長條件判斷機構類型。

2.2 ? ?課堂實施

2.2.1 ? ?環節1：創設情境

課中，教師播放消防機器人攀爬動畫，發布任務主題：搭建機器人爬行足。學生觀看動畫，并分組嘗試搭建爬行足結構，部分組的爬行足無法正常工作，教師引導學生分析原因。

2.2.2 ? ?環節2：探尋規律

學生調用教師創建的零件模型，進行虛擬裝配和運動仿真，測試不同桿長條件下機構的運行情況，發現在最短桿與最長桿之和≤其余兩桿之和的情況下才有可能存在曲柄，而最短桿所在位置又決定了機構的類型。學生分別測試最短桿在各位置時的機構運行情況，小組對測試情況進行總結和歸納，得出機構類型判斷的依據，并分組進行匯報。

2.2.3 ? ?環節3：實踐檢驗

小組根據上述曲柄存在的條件驗證各自的設計，并挑選一個方案進行實際改造，利用可視化編程工具，使機器人完成前行和后退動作。學生根據競賽要求，結合所學知識，合理設計并改裝爬行機器人的足部結構。

2.2.4 ? ?環節4：拓展提高

學生發現相同的時間內機器人前進與后退的行程并不一致，這是曲柄搖桿機構的急回特性所決定的。由于機構在高速運行中的速度難以測量，在傳統教學過程中，急回特性的推導過程較為抽象，學生難于理解，注意力易分散。

針對上述教學難點，我們重新設計了教學過程。教師選擇一組學生的足部結構進行運動學分析。學生觀察搖桿實時位移與對應生成的運動曲線，發現v-t曲線波峰兩側的陡峭程度并不一致。學生借助已有的數學知識，判斷出兩個行程的平均速度不同，從而定性理解急回特性。編程控制機器人運行如圖3所示，生成的運動曲線如圖4所示。

2.2.5 ? ?環節5：總結評價

最后，學生在學習認證系統中進行總結、自評和互評，認證系統實時記錄學生各節點完成情況和評價數據，實現了跨學科、跨專業學習數據的互通和互認。

2.3 ? ?課后拓展

課后，學生進一步完善任務報告，發揮創新精神，為機器人設計不同工作條件下的行進機構方案，并預習機器人的拋擲機構。

3 結語

本課程以積木式機器人為載體，使書本上的機械機構變得可見、可觸、可實現。利用工業設計軟件，將抽象的幾何計算轉變為直觀的三維模型，實現了從傳統課堂向創客空間的轉變。積木式機器人構建了一個課程融合的平臺，為學生打下了學習工業機器人的基礎。UG軟件使學生可以快速改變設計，提高了教學效率。AutoCAD運動仿真將難以測量的抽象數據轉換為形象直觀的圖表，便于學生發現和總結規律。基于區塊鏈技術的分布式學習認證系統，使得學生在任何課程中完成的任務節點、完成情況、師生評價都能互通和互認，既方便學生調用和訪問知識節點，又為教師了解學情、組織教學活動提供了依據，更為學科融合搭建了橋梁。

[參考文獻]

[1] 劉艷，閆國棟，孟威，等.創新創業教育與專業教育的深度融合[J].中國大學教育，2014（11）：21-22.

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[3] 北京開放大學地平線報告K12項目組.2017地平線報告：新技術驅動教學創新的趨勢、挑戰與策略[J].人民教育，2017（21）：71-75.

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[5] 曾祥潘.步入開源硬件智能機器人教育時代[J].中小學信息技術教育，2012（1）：76-78.

收稿日期：2020-05-06

作者簡介：蔡舒旻（1982—），男，江蘇常州人，高級講師，工程碩士，研究方向：機械工程及自動化。