機械專業學業導師教學的探索與實踐

夏方方 何澤銀 蔣詠志

摘 要：本文結合機械專業的學科特點，以機械專業的二級學科機械設計制造及其自動化專業為出發點，結合目標問題“如何制作一條四足機器狗”，探討以興趣為導向的學業導師教學方案。通過機械、制造、設計、自動化4個主要部分描述了四足機器狗的制造方案和制造過程，通過以上的演繹教學使學生建立起對本專業的專業認同，并激發了他們的學業熱情和創新能力。

關鍵詞：機械專業 學業導師 四足機器狗 專業認同

Abstract： In this paper， based on the characteristics of the discipline of the Mechanical specialty， starting from the Mechanical Design， Manufacture and Automation major， the secondary discipline of the Mechanical major， and combining with the target question "how to make a quadruped robot dog"， the interest-based teaching scheme of academic tutor is discussed. Through the four main parts of machinery， manufacturing， design and automation， the manufacturing scheme and process of the four-legged robot dog are described. Through the deductive teaching above， students can establish their professional identity and stimulate their academic enthusiasm and innovation ability.

Key Words： Mechanical specialty; Academic tutor; Quadruped robot dog; Professional identity

學業導師制起源很早，其核心內容主要著眼于為學生提供個性化的指導，通過因材施教切實地提高學生的創新能力和綜合能力素質[1]。學業導師制不同于傳統的班主任制度和輔導員制度，其強調以個性化學業指導為核心，以師生面對面溝通為主要方式，通過對學生進行學業規劃與指導，在思想上、專業上、學術上、就業上因材施教，提高學生的綜合素質，這同時也契合了高等教育對培養創新型人才的新時代要求[2]。為推進人才培養質量的持續提升，適應新時代對高水平人才的迫切需要，學業導師制在各高校愈來愈得到相關單位的高度重視，并根據學校的實際情況，出臺了一系列相關文件對學業導師的職責進行規范化和制度化。

除了為學生提供個性化的指導，學業導師更重要的任務是培養學生對本專業的專業認同感。所謂專業認同是指學生對本專業的情感認同、對本專業的熱愛程度，是一種自我動態的心理感受。其表現為學生是否立志從事本專業相關的工作、是否對專業學習抱有積極主動的心理、是否在本專業學習過程中體驗到意義感、是否愿意把本專業作為長期的職業規劃目標等。對于剛入學的大學生，此時他們剛從應試學習進入專業學習，需要有學業導師引導他們培養自主學習的習慣。但由于缺乏對專業課的整體把握，不知道專業課的具體應用，學生往往會感到各種專業課枯燥乏味、孤立毫無聯系，進一步喪失了對專業學習的興趣，更甚者喪失了對專業的認同。學業導師作為學生專業的引路人更應該言傳身教以調動學生興趣為目標為學生繪制整個專業學習的藍圖，在整體上為學生展示專業的前景和發展方向。

高水平創新型人才是實現中華民族偉大復興的重要支撐和持久動力，本科生學業導師作為初入學大學生理論知識與技能教育的資深引導者，肩負著為國家培養自我價值充分實現的社會主義接班人的任務[3]。本文從機械專業的學科特點出發，以培養高水平創新型人才為目標，探討學業導師如何以興趣愛好為指引，培養大學生的自主學習能力與專業認同。

2 學業導師的定位

學業導師制也稱本科生導師制，其定位是為本科生提供學業咨詢與學業規劃，是一種師生雙方形成深入互動、積極發展的導學關系。學業導師需要在思想上引導學生樹立正確的學習態度，倡導終身學習的理念，引導學生熱愛學習、熱愛學術;在專業上輔導學生盡快適應專業知識的學習，培養學生的學業興趣和學術熱情;在學術方面對學生進行學術熏陶，指引學生了解新理論、新方法，激發學生的學術潛力;在就業上幫扶學生制定個人職業規劃，為學生傳達最新就業動態與市場需求[4]。通過學業導師的言傳身教，因材施教，有利于增強學生的學習動機與信心，提高學業成績。另一方面，作為初入學的大學新生，由于剛轉入專業學習缺乏專業學習的適應性與自我學習的技巧，往往會感到迷茫和不知所措，喪失對專業學習的熱情與興趣。而學業導師作為資深的引導者不僅可以在學業上給予支撐，而且還可以滿足學生的社會心理歸屬需求，可以大大緩解學生的焦慮和學業壓力[5]。此外，學業導師作為專業學習的成功示范可以充分發揮榜樣的力量，激發學生對自我的認同和專業的認同。

為此，學業導師在教學實踐中應以興趣為導向，增加學生對專業的認同，而不應只是專業知識的填灌。學業導師應結合自身的學術背景為學生描繪更加系統的學術藍圖，建立整體的專業認同，激發學生的學業興趣，逐漸培養學生立志終身學習的學業追求[6]。

3 針對機械專業學業導師的教學實踐環節

本文以機械專業的二級學科——機械設計制造及其自動化專業為例，闡述學業導師的教學職責。為了激發學生的學業熱情可以向學生展示四足機器狗的運動控制，學生由于可以現場零距離接觸四足機器狗，更能激發他們的創作熱情和興趣。通過向學生講解如何通過學習本專業知識獨自創造自己的機器狗，以此激發他們對本專業的專業認同。同時也向學生描繪了一個專業藍圖，使他們學習本專業相關課程時不再感到零散，而是具有系統性的。

如圖1所示，機械設計制造及其自動化可以大體上分為機械部分，即如何把材料轉變成機械構件或組件;設計部分，即如何把構件或組件組合成可以運動的部件;制造部分，即如何制造出所需要的構件或組件;自動化部分，即如何使機械結構自動運行起來。

3.1 機械部分

通過展示四足機器狗向學生講解打造機器狗的第一步，即生產出機器狗所需要的零件。而為了解答如何從合金材料制作機器狗所需要的零件，此時需要引入金屬工藝學，引起學生對不同金屬材料的冶煉、鑄造、鍛壓、熱處理等金屬加工工藝的興趣。接下來假設學生已經具備金屬工藝學知識，明白了金屬材料如何制作成為機器狗所需要的零件，此時需要回答怎么描述機器狗的零件，只有對零件進行準確表達才能生產出合格的零件。而要準確表達零件則需要機械制圖的知識，此時向學生介紹機械制圖的知識，包括怎么使用紙、筆在白紙上表達三維的機器狗零件，如何使用計算機輔助設計工具繪制二維的機器狗零件。最后通過計算機輔助設計工具向學生展示三維的零件繪制，以及如何由三維零件裝配成為一個機器狗。通過以上機械部分的演繹教學，給學生描繪了為何要學習機械部分的專業課以及學習機械類的專業課有什么應用。

3.2 設計部分

學生已經知道了如何制作機器狗所需要的零件以及如何描述機器狗所需要的零件，接下來就要考慮應該怎么組合零件才能保證機械部件可以運動起來不會出現自鎖。這時向學生介紹機械原理的相關知識，包括自由度、轉動副的相關知識，通過講解機械原理讓學生明白要使得機械部件能夠運動所滿足的基本條件，以及如何設計機械機構以滿足所需要的運動需求。此時假設學生已經明白機械機構設計的基本原理，這時需要向學生解釋機械的運動方式、力和能量的傳遞方式分析和計算，介紹機械設計的相關流程，如機構的運動學設計，怎么通過運動學計算確定各運動機構的運動參數;機構的動力學計算，如何結合運動學計算得到的參數，進一步計算各主要零部件的載荷大小和特征;主要零部件的校核，如何結合計算得到的運動學、動力學參數校核主要零部件的強度和疲勞壽命，這里鼓勵學生深入學習理論力學和材料力學等基礎學科。通過機械設計部分相關知識的介紹，引導學生對機械設計部分的興趣。

3.3 制造部分

現在學生已經了解怎么制造機器狗的零件，以及在理論上了解了機器狗運動起來所需要的運動機構以及機械設計部分相關的專業知識，下一步需要了解的是如何真正制作出一條機器狗。這時可以向學生展示機械加工的相關專業知識，介紹機械制造工藝學，例如鑄造、鍛造、沖壓、銑削、焊接等常用的加工工藝，并以四足機器狗為例解釋不同工藝的區別與選擇。最后向學生介紹數控車床的相關知識，例如，如何用數控車床加工出四足機器狗所需要的金屬零件、數控車床的加工過程、怎么編寫數控車床的代碼等，通過數控車床的相關知識介紹讓學生可以更直觀地感受機械制造的過程，引導學生對機械制造工藝學的興趣。接著介紹加工出的零件如何裝配成所需要的機器狗，介紹互換性的相關概念，向學生解釋引入公差與配合的原因與重要意義，引導學生對互換性概念的理解，接著闡述基本的測量原理和測量方法，引導學生了解粗糙度和尺寸鏈在保證裝配精度中的重要意義，加深學生對互換性相關專業課的重視。

3.4 自動化部分

經過以上的介紹，學生已經了解如何制作出機器狗的本體結構，現在所缺的就是機器狗的大腦，即如何實現自動化部分。這里首先要向學生介紹自動化算法的載體——芯片的相關知識，而如何理解芯片的運行原理，則需要鼓勵學生深入學習模擬電路和數字電路的知識。學業導師可以通過從簡單的開關電路原理向學生描繪出復雜的芯片電路是如何一步步從簡單電路演變出來的。通過由學生熟悉的開關電路出發一步步演繹出芯片電路，使得學生對芯片不再畏懼和陌生，可以大大激發學生的創造激情和創新精神。

學生了解了芯片電路，則可以繼續向學生介紹微機原理的相關知識，可以從嵌入式單品機開始介紹，這樣學生在學習單片機相關知識的同時也可以低成本做出自己感興趣的電子產品，激發學生的創造熱情，以此會進一步激發學生深入學習電子電路相關知識的濃厚學術追求。介紹微機原理的同時，可以展示機器狗所采用的控制芯片，包括基于Arm架構的電機控制芯片、上層基于x86架構的Upboard板，并介紹之間的區別，系統介紹如何從機器狗的大腦發送指令給關節電機最終完成機器狗的運動。

接下來是軟件部分，自動化控制算法需要通過編程語言轉變成代碼的方式才能完成自動控制，為此，引導學生學習計算機的語言，可以從C語言、C++語言出發，講述學習該語言的重要性和必要性。接下來是自動控制算法部分，給學生講述自動控制算法的基本原理，特別是反饋的思想，介紹以傳遞函數為基礎的經典控制理論。以典型的控制算法——PID算法為例，介紹其算法的基本思想，介紹算法的數學建模過程。可以通過計算機輔助設計工具Simulink建立PID算法仿真模型向學生直觀展示控制算法的建模、仿真過程，引導學生對自動控制理論的學習興趣。經典的控制理論是單輸入單輸出系統，而多輸入多輸出系統的數學建模需要現代控制理論的學習，通過對現代控制理論的介紹，鼓勵學生自主學研更深的控制理論。

3.5 其他

四足機器狗的運動部件是通過電機轉動實現的，通過向學生介紹電機運動的基本原理以及電機驅動的基本原理，引導學生學習電機相關的專業知識。四足機器狗運動模塊采用的是直流無刷電機，而學生接觸比較多的是小型的直流有刷電機，以此為例向學生介紹常見的直流有刷電機、直流無刷電機、交流電機、永磁同步電機等原理和結構的區別。接下來介紹不同電機的驅動方法，由于四足機器狗采用的是直流無刷電機，因此向學生重點介紹驅動直流無刷電機的典型算法——FOC（磁場定向控制）算法的原理。通過電機相關知識的介紹，鼓勵學生自己制作電機的相關驅動電路并編寫相關的控制代碼完成對多電機組成的系統進行復雜的運動控制。此外，需要向學生介紹計算機組成原理的知識、操作系統的知識，特別是linux操作系統的相關知識、計算機網絡的相關知識以及編譯原理的相關知識。

4 結語

本文基于機械設計制造及其自動化的專業背景作為出發點，結合如何制作一條四足機器狗作為目標，演繹了學業導師如何以學生的興趣為導向激發學生的專業學習熱情。通過對機器狗系統進行分解，向學生展示了機械設計制造及其自動化專業的相關專業課在制作一個實際的自動化機械中的作用。通過以上分解，使得學生對孤零零的專業課不再陌生，而把孤立、枯燥的專業課學習納入整個系統學業，即制作一條四足機械狗的目標中。傳統以考試為目標的專業學習，學生往往認為專業課過時或者不知道如何應用，這種以清晰目標為導向的專業學習更能激發學生的學習熱情，并且會針對自己的知識盲區進行主動的學習，毫無疑問這種學習效率更高，對學業水平的提高效果更明顯。

學業導師作為專業學習的成功示范，不僅積累了豐富的專業知識，而且知識體系更系統，在學生進行相關專業學習前，應向學生展示一幅系統的專業藍圖，向他們清晰地描繪出想要完成一件相關專業的作品需要學習什么和學習這些專業課有什么用，要用全局的眼光給學生展示各專業課的聯系與前景。相比于傳統的填灌式教學方法，這種以清晰目標為導向的學習路線，實踐證明更能激發學生的學習熱情和創新精神，有利于學生學業的整體提高。

參考文獻

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