工訓大賽牽引下的水下機器人實踐教學課程探索

葛亞楠，徐 鋒，2，王化明，2，葛 旺

（1.南京航空航天大學公共實驗教學部 江蘇 南京 210016;2.南京航空航天大學機電學院 江蘇 南京 210016）

中國大學生工程實踐與創新能力大賽是教育部高等教育司發文舉辦的具有公益性和影響性的科技創新實踐競賽活動，組委會秘書處設在大連理工，每兩年舉辦一屆[1-2]。競賽的指導思想是“重在實踐、鼓勵創新、突出綜合、強調能力”，舉辦的目的在于提高各高校工程實踐和訓練的教學水平，培養大學生的綜合能力，為優秀人才的培養創造條件[3]。

本文以中國大學生工程實踐與創新能力大賽——“智能+”賽道水下管道智能巡檢賽項為依托，在南航工程訓練中心設立水下管道智能巡檢機器人設計、制造與控制一體化項目式課程，融合機械結構設計、機電控制、先進制造技術（快速成型和激光加工）和經濟管理等多學科，理論與實踐相結合；同時響應國家鼓勵大學生創業政策，本課程在創新實踐的基礎上，讓學生深入調研水下機器人行業，開展創業規劃，形成商業計劃書，為社會輸送創業人才奠定基礎。

1 實踐教學課程總體設計

1.1 課程介紹及學情分析

本課程目前主要面向本校長空學院和自動化學院大三學生，共80 個學時。目前高校的課程主要以理論教學為主，并且課程門類眾多，課程與課程之間的聯系學生難以掌握，而目前社會急需多學科交叉的工程實踐應用人才[4-6]，高校作為輸送人才的基地，為了適應“新工科”發展的需求，應積極開展項目式的教學實踐課程，尤其以各類競賽為導向，培養學生理論與實踐相結合的能力，實現多學科交叉、賽課融合的新理念[7-9]。

1.1.1 學生認知特點與初始水平

理工科學生有一定的工科邏輯思維基礎，對于結構設計原理和控制器工作原理的相關知識較易理解[10]。但由于實際工程經驗的缺乏，導致理論與實際存在理解偏差，不能將課本上學習到的原理與實際相對應，實踐水平有待提高，亟須通過理論學習與工程實際相結合，提高學習興趣，提升思考以及創新能力。

1.1.2 學習習慣與能力分析

目前的大學生以“00”后為主，學生思維較為活躍，具有較強的學習能力，但自主學習的能力有待提高，更多情況下以教師授課為主，學習的積極性也有待提高，本課程的核心以學生主動探索學習為主，教師作為輔助引導的角色，學生以小組形式相互合作，共同完成水下機器人工程實踐項目的目標。

1.2 教學目標設計

本課程依托中國大學生工程實踐與創新能力大賽，緊貼人才培養目標，遵循學生的認知規律，從知識、技能、素質三個維度制訂本課程的教學目標（見表1）。總體目標是按照給定任務完成水下管道檢測的水下機器人結構設計、組裝與控制，該水下機器人能夠沿著水下管道運動，檢測管道上的吸附物，并發出警報同時進行清理、移除、回收等；此外，在創新實踐的基礎上，讓學生深入調研水下機器人行業，開展創業規劃，形成商業計劃書。

表1 水下智能巡檢機器人課程教學目標

1.3 教學重難點及處理

目前的高校課程以理論為主，學生的工程實踐能力、實際工程問題的解決能力有待提高[11-12]，本課程結合中國大學生工程實踐與創新能力大賽，多學科交叉融合，設立項目式課程，讓學生在學中做，做中學，相互合作，提升綜合實踐能力；我國的芯片行業由于生產制造能力不足，其發展遭到了嚴重的“卡脖子”問題，亟須舉國之力打造“中國芯”掌握話語權，高校作為輸送人才的重要基地，更需要通過教學改革來提升學生的科技強國熱情；本課程設立不同難度梯度的項目目標，主要分為基礎目標、進階目標和創新目標（表2）。學生以組內合作、組間競爭的方式，從易到難逐步爬升，不斷挑戰更高難度的目標，激發學生自主探索的潛力，實現自我突破。

表2 水下智能巡檢機器人課程項目目標

1.4 教學規劃

水下管道智能巡檢機器人設計與控制課程是基于水下機器人主題下體現專業交叉、科教融合、產學協同、實踐育人理念的系統課程，課程內容覆蓋控制、機械等多項專業知識，總學時為80 學時。具體時間安排如表3（p87）。

表3 教學規劃表

2 實踐教學內容及組織實施方法

教學內容主要分為機械結構設計、零部件制造、機電控制和組裝調試四個部分。

2.1 機械結構設計

課前：教師通過學習通APP發布課程機械結構設計與制造的基本知識，并設定預習目標以及布置相應預習作業，讓學生通過網絡、圖書館和短視頻平臺自主查找相關資料，并且組織線上討論，完成課程基礎的學習。

課中：授課圍繞“提出問題—分析問題—工程實踐—總結回顧”的思路展開。在提出問題環節，結合課程思政——習近平總書記從黨的十八大以來一直強調的海洋強國建設理念，以及水下機器人實際應用場景：水下探測、水下生物研究等，啟發學生思維：水下機器人由哪些重要部分組成？從而引出本課程講授的結構設計目標和設計原理；在分析問題環節，通過啟發、提問和討論的形式，逐步引導學生分析問題和解決問題，比如“接觸密封法”是如何實現水密封的，其原理是什么？通過“理論分析+工程實踐”觀察密封的可靠性；在工程實踐環節，通過小組合作，分工完成水下機器人的動力布局方案設計、密封方案設計和機械裝配方案設計等，從而完成整體結構設計；在總結回顧環節，讓各小組派代表總結發言，通過本節課學習到的知識點、實際應用過程中遇到的問題以及解決的方法，最后教師進一步總結歸納，強調重點和難點，加深學生對理論知識的印象。

課后：教師通過學習通APP布置作業，比如“對于水下巡檢機器人，還有哪些適用的密封結構設計”“如果你參加中國大學生工程實踐與創新能力大賽，你會怎么設計密封結構”等問題，激發學生自研和創新的熱表，為后續參加競賽做出相應準備。

2.2 零部件制造

2.2.1 CAM 教學

這部分教學內容主要集中在零部件設計與選擇相應的加工工藝，首先確定設計軟件（CAD 和CATIA），根據不同專業需求開展相應的CAM 課程教學，在教學前讓學生先設計好產品，以產品為導向進行學習。

2.2.2 3D 打印和激光切割

強調實驗安全注意事項，以及實際工程中存在的問題，比如加工誤差使得設計要留有余量等，學生根據規范進行設計產品的加工制造。

2.3 機電控制

2.3.1 企業參觀學習

實地到南京沁恒微電子有限公司參觀學習，與企業資深芯片開發工程師交流，以實際工程項目為案例，提升學生的學習興趣，激發其科技強國的熱情。

2.3.2 理論學習+工程實踐

以項目目標為導向（水下管道自動巡航、障礙物識別與抓取），講授相關基礎控制理論知識，學生相互合作，在實踐中發現問題，解決問題，最終完成水下機器人的主體功能調試。

課前：教師通過學習通APP發布課程機電控制基本知識，以及復習前面機械結構設計的相關內容，并設定預習目標和布置相應預習作業，讓學生通過網絡、圖書館和短視頻平臺自主查找相關資料，并且組織線上討論，完成課程基礎的學習。

課中：貫徹“提出問題—分析問題—工程實踐—總結回顧”教學思路，在提出問題環節，復習結構設計的相關內容，銜接密封結構設計，導入本節課要講授的主要內容：水下推進器無刷直流電機調速系統的控制，配合推進器控制系統講解開展推進器下潛動作及水下密封效果驗證環節；在分析問題環節，針對無刷直流電機調速系統對控制器的要求，通過啟發、提問和討論的形式，逐步引導學生分析問題和解決問題，比如同學們知道哪些電動機種類，各種不同電動機的應用場合，分別是通過什么原理進行調速控制的；在工程實踐環節，學生分組以團隊合作方式完成相應任務控制方案的制訂、程序編寫調試、下水驗證、程序修改等機電聯調操作，學生通過動手實踐、驗證、發現問題和解決問題的過程，成為課堂主角，教師起引導作用；在總結回顧環節，各小組以匯演的形式介紹本組的控制方案和作品演示成果，教師對學生實操過程中的共性問題進行剖析，并對機電聯調過程進行總結歸納，使學生更深刻理解控制、驅動和機械本體之間的聯系。

課后：教師通過學習通APP 布置作業，比如如何在控制程序的基礎上添加PID 反饋，在湍急的水流中，如何控制可以使得水下機器人更為平穩地運動等問題，鍛煉學生的工程實踐能力，為后續參加競賽打下扎實基礎。

2.4 組裝調試

以中國大學生工程實踐與創新能力水下管道智能巡航賽道的項目考核要求為指引，在指定的水池完成相應功能的調試。

3 課程考核

最終的課程考核成績主要分為小組成績和個人成績，其中小組成績由競賽測評PK、創業方案考核、社會實踐報告成績構成，占90%（競賽測評PK，占比40%；創業方案考核，占比40%；社會實踐報告：10%）。

個人成績評定方法：10%（根據本組在思想政治、遵守紀律、工程規范、勤儉節約等方面的表現評定）。

4 結語

中國大學生工程實踐與創新能力大賽以“競賽為人才培養服務，競賽為教育質量助力，競賽為創業就業引路”為宗旨，為大學生提供了展現自我的舞臺。南航工程訓練中心以“智能+”賽道中的水下管道智能巡檢競賽為指導，開設水下管道智能巡檢機器人的設計與控制實驗課程，實現“以賽促學，以賽促教，賽課融合”的教學理念，體現兩性一度的“創新性”；教學規劃環節融合機械設計、機電控制和經濟管理等多學科，在傳統實踐課程中引入創新創業環節，為社會輸送創業人才奠定基礎，體現“高階性”；針對授課對象進行了學情分析，從知識、能力和素質三個維度設計了教學目標，并設置了三個難度梯度的項目目標（基礎目標、進階目標和創新目標），體現“挑戰度”。在后續教學過程中，通過以賽促創，為水下管道智能巡檢機器人實踐課程的持續改進提供源源不斷的動力，在工訓課程中形成良好的示范。