基于探索者創新平臺的機械創新設計教學改革

朱艷 柳亞輸 于雯

摘? 要 創新的關鍵是人才，對創新人才的培養是新經濟引擎的能源。本次教學設計內容是基于信息化環境，以學生為主體，通過線上與線下相結合、虛擬三維造型與實物拼裝相結合、翻轉課堂與傳統課堂相結合，構建“排爆機器人創新項目”課程的混合式教學模式。同時，通過課堂教學、實驗教學及第二課堂相結合的理實一體化教學模式，著力培養學生的創新意識和創新思維能力，開拓創新思路，提高創造力。

關鍵詞 機械創新設計;探索者創新平臺;教學改革;排爆機器人創新項目;教學設計;Arduino

中圖分類號：G712? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2020）02-0046-04

Teaching Reform of Mechanical Innovative Design based on Ex-plorer Innovative Platform//ZHU Yan， LIU Yashu， YU Wen

Abstract The key to innovation is talents， and the training of innova-tive talents is the energy of the new economic engine. The content ofthis teaching design is based on the information environment， with students as the main body， through the combination of online and off-line， virtual three-dimensional modeling and physical assembly， and the combination of flipping classroom and traditional classroom， to?construct a hybrid teaching mode of the course “Explosive Detona-tion Robot Innovation Project”. At the same time， through the inte-gration of classroom teaching， experimental teaching and the second?classroom， we focus on cultivating students innovative conscious-ness and thinking ability， exploring innovative ideas and improving creativity.

Key words innovative design of machinery; explorer innovative plat-form; teaching reform; explosive detonation robot innovation pro-ject; instructional design; Arduino

1 前言

面對當下國家經濟下行壓力、制造業所面臨的升級困境以及發達國家新興制造業的國際挑戰，我國亟待實施一定的創新改革措施，全面覆蓋經濟產業上下游環境，突破當下人才及創新上的困境[1]。基于創新及人才改革的突出問題，國家總理李克強于2014年9月在夏季達沃斯論壇上提出在960萬平方公里土地上掀起“草根創業”“大眾創業”的新浪潮，形成“人人創新”“萬眾創業”的新勢態。近幾年來，“創新創業”一詞被高頻次地提及和高關注度地曝光，建設創新型國家是我國的重大戰略決策，提高自主創新能力，建設創新型國家，是國家發展戰略的核心，是提高綜合國力的關鍵。劉延東同志在“深入推進高校創新創業教育改革座談會”上強調，人是創新最關鍵的因素，創新驅動是人才驅動。本文基于機器時代科技有限公司研發的探索者教育機器人平臺（以下簡稱“探索者”），探索以創新能力培養為導向的機械創新設計課程教學改革。

2 機械創新設計課程介紹

機械創新設計課程是機械工程類專業的一門專業拓展課。在傳統教學方法中，課堂講授著重機械創新設計的基本思維及基本原理技法，大量分析已有案例，學生基本能夠掌握已有案例中的機械原理方案設計、機構設計、結構設計、機電一體化設計等;但是結合工程實際，學生的創新能力和動手能力沒有提高，綜合設計分析問題和解決問題的能力也比較差[2]。在當下國家產業發展規劃背景下，傳統課堂教學已經難以滿足創新人才政策的培養需求，因此，對機械創新設計課程進行探索和改革勢在必行[3]。“探索者”的出現，給機械創新設計教學改革提供了很好的硬件基礎[4]。

3 “探索者”平臺介紹

“探索者”平臺是由機器時代科技有限公司結合機械、電子、傳感器、計算機軟硬件、控制、人工智能和造型技術等眾多的先進技術研發的教育機器人平臺。“探索者”平臺擁有完善的教學體系和開放度極高的系統，最大特點是能夠很好地兼容市面上常見的各種機械零件、電子部件以及目前世界上最通用的創客平臺。該平臺包括硬件系統和軟件系統，主要零件采用鋁鎂合金材質，零件上開有通孔，用不銹鋼螺絲螺母組裝。軟件系統是采用目前世界上最流行的開源硬件開發平臺Arduino，可以同時基于C語言以及圖形化編程Ardublock界面進行編程。同時，主控板Brasra是基于Arduino開源方案設計的一款開發板，入門簡單易學。

4 基于“探索者”平臺教學設計思路

本課程根據學生已經具備的機械設計基礎知識體系，借助“探索者”平臺，依據構思、設計、實現、運作一體化理念，結合工程實際、趣味競賽等信息進行項目化教學設計，促進專業鏈與創新鏈、課程內容與職業標準、教學過程與實踐環節深度融合。如圖1所示，項目內容由基礎項目和綜合創新項目兩部分組成：基礎項目主要包括基礎機構、底盤類機構、抓取與收集裝置、機械臂設計、仿生類機構五大類，每一類有對應的綜合創新項目;綜合創新項目是基于五類基本項目完成之后才可以進行創新設計。整體學習任務由易到難、由局部到整體來完成。下面以排爆機器人創新項目作為典型項目，分解教學設計過程。

5 排爆機器人創新項目教學設計

教學設計理念? 本次教學設計內容是基于信息化環境，以學生為主體，通過線上、線下相結合、虛擬三維造型與實物拼裝相結合，翻轉課堂與傳統課堂相結合，構建“排爆機器人創新項目”課程的混合式教學模式。同時，通過課堂教學、實驗教學及第二課堂相結合的理實一體化教學模式，著力培養學生的創新意識和創新思維能力，開拓創新思路，提高創造力。

教學目標

知識目標：掌握利用機構組合理念進行創新設計的基本概念及原理。

能力目標：能夠基于探索者創新平臺進行排爆機器人創新設計。

情感與態度目標：培養學生的學習興趣，形成利用基于信息技術的個性化學習系統自學的能力、分析和解決實際問題的能力;培養學生的創新意識和創新思維，開拓創新思路，提高創造力;培養學生對專業的認知度和認可度;培養學生的團隊意識、協作精神。

教學內容

1）課前自學。課前，學生通過“學習通”查看課程網絡平臺關于本次教學的所有任務單：①機構組合基本知識自我消化吸收，完成網絡自測題;②利用學校圖書館以及知網等學術網站查閱排爆機器人相關資料，撰寫一份技術調查報告上傳至網絡平臺。學生利用網絡課程平臺中的微課、PPT、動畫等資料以及學校圖書館（包括網絡圖書館）進行學習。

2）課堂教學。

①觀看搜狐網站有關我國首創雙臂排爆機器人KV150的報道，向學生展示KV150排爆機器人的功能及結構并展開討論：按照排爆機器人的基本機構，有哪些不同類型的排爆機器人？同時，教師通過Pro/E軟件自制部分排爆機器人機構，供學生觀摩學習。

②學生通過學習教師提供的Pro/E典型排爆機器人機構案例，豐富自己創新空間，同時基于虛擬現實平臺進行排爆機器人機構創新設計。如圖2所示，學生根據自己的構思，基于機構組合創新理論知識，通過不同的底盤、不同自由度的機械臂設計來進行創新設計。為了驗證虛擬現實（VR）創新設計的可行性，接下來基于“探索者”平臺進行硬件實物拼接并調試。

③學生根據VR創新設計模型，基于“探索者”平臺進行硬件實物拼接，教師現場答疑拼接過程中所遇到的問題，如圖3所示。同時，教師輔導學生利用Arduino圖形化編程軟件，對排爆機器人進行動作編程及調試，如圖4所示。通過不斷地調試手臂運動角度、時間、位置等參數，達到預定的目標，如圖5所示。

④每組學生代表演示其作品的排爆動作，同時展示機構設計思路，教師根據學生演示匯報情況對作品進行打分，如圖6所示。

第一組學生匯報的是3自由度萬向車排爆機器人，采用輪式行走機構，采用三個舵機控制實現機械臂的運動;同時，機械手爪采用齒輪連桿機構串聯到機械臂中，實現排爆動作。

第二組學生匯報的是2自由度萬向車排爆機器人，同樣采用輪式行走機構，機械手爪機構較靈活，但需要課后進一步完善功能。

第三組匯報的是1自由度履帶排爆機器人，采用履帶式行走機構，支承面積大，爬坡能力強;但是1自由度機械手爪只能抓取固定高度物體，后期需要進一步改進其抓取物體范圍。

3）考核評價。課堂評價主要通過學習態度（課堂出勤、課前任務完成情況、課堂回答問題）、理論水平（課堂提問、隨堂測試、課堂討論）、創新能力（排爆機器人虛擬現實組合機構設計、“探索者”平臺硬件拼接）三大指標，結合小組自評互評、課前網絡測試、課中隨堂測試、課中討論等，建立本次教學的多維度考核評價體系（如圖7所示），全面系統反映學生對知識掌握情況。

4）課后拓展。通過本次課學習內容，鼓勵學生利用第二課堂，要求各小組完善排爆機器人機構并上傳課程平臺，要求學生分組基于本次課理論知識以及實踐經驗設計多足機器人（4足、6足、8足），同時作為本課程的創新能力成績列入學生的綜合成績中。同時，基于第二課堂的開展，拓寬了學生視野，選拔了一批創新拔尖人才，在各類創新大賽（全國機械創新設計大賽省級、“互聯網+”大學生創新創業大賽、全國高職發明杯創新創業大賽等）中屢屢獲獎。

5）教學反思。首先，采用多種信息化手段，既激發了學生的學習興趣，又提高了學生自主探究的能力，提高了教學質量;其次，通過課前、課中、課后系統設計，采用構思—設計—實現—運作的CDIO教學模式，培養了學生的創新意識及思維能力;再次，采用教學全過程化考核，創建多維考核評價體系，全面反映學生的學習情況，使考核評價更科學;最后，結合第二課堂，通過社團活動及各類創新大賽來提高學生的學習能力，體現了創新型人才培養模式。教學實踐表明，基于“探索者”創新平臺的機械創新設計教學改革對機械工程類專業教學的開展尤其適用，特別是對于小課時、廣知識面的課程。■

參考文獻

[1]袁泉，文智強.核心素養視域下創新創業人才質量評價研究：基于高職的實踐討論[J].中國職業技術教育，2018（21）：72-79.

[2]雷重熹，周士敏.高職院校創新創業教育：現實困境與實施對策：以河北省為例[J].中國職業技術教育，2019（8）：84-89.

[3]黃燕鈞，段家現.工程實踐能力和創新能力的培養：基于機械專業基礎課程改革的研究和實踐[J].教育教學論壇，2019（16）：151-152.

[4]林彤，金濯，任玲.基于探索者機電創新平臺的全地形車研制[J].中國教育技術裝備，2016（22）：41-44，51.