VEX 機器人在機械工程創新實習中的實踐與探討*

楊 輝 付成果 楊麗君 李海波 田 峰

（河南科技學院機電學院 河南新鄉 453000）

目前，以智能機器人技術為載體開展的高等工程教育和工程實踐教學在學科交叉、學科前沿和工程實踐三個典型方面存在不足。本文結合河南科技學院在機械工程創新實習中開展機器人教育的現狀，對開展機器人教育中的教育理念、教學內容和實踐效果進行了展示，在建立層次化的課程教學體系、多樣化的實踐教學環節等方面對以機器人技術為載體的實踐教學活動，進行了積極的探索和嘗試。

一、機械工程創新實習引入機器人課程迫在眉睫

目前國內高校機械工程類專業的實踐課程大多為“金工實習”等傳統實習項目，這些實習活動以課程設計、課程實驗為基礎，實習內容常年不變，學生多為被動接受，教學課程呆板、效果一般。[1]

近年來，隨著互聯網技術和智能物聯網技術的高速發展，人工智能領域越來越被大學生們所關注，傳統的照本宣科的教學方法已經不能適應高新技術的發展。機器人是機電一體化的綜合應用，涵蓋了機械工程、計算機科學、控制理論與控制工程學、電子工程學等工程大類領域，同時機器人也涵蓋了科學技術，包括數學等實際應用的層面。所以說，機器人教育是集科學、技術、工程、數學于一體的綜合教育，不同于標準化教學的傳統理念，旨在打破學科疆域，通過對學科素養的綜合應用解決實際問題，同時培養綜合性的人才。[2]

方興未艾的變化，給本科應用階段的教學實習提出了更高的要求。不僅要求學生掌握基本的工程知識，還需要掌握創新的方法，擁有創新的意識。隨著新技術的引入，傳統實踐實習的劣勢越來越明顯，要克服以知識傳授為特征的傳統教育模式對創新人才培養的嚴重阻礙，引入新的教育理念迫在眉睫。[3]

二、VEX 機器人課程與傳統機械工程類實踐課程的比較

VEX 機器人不僅擁有豐富的可拓展的金屬零部件，還有超聲波、陀螺儀、視覺等先進的傳感器，以及方便快捷易編程的智能控制器等。每年一屆的世界錦標賽吸引著全球上萬名愛好者的參與，大學生可以發揮自己的創意，根據當年發布的規則，用手中的工具和材料創作出自己的機器人。

VEX 機器人課程的出現為創新教育提供了有效平臺。在原有專業實踐課程的基礎上引入更多創新類課程：例如3D 打印、實體掃描技術、VR 場景等新技術。通過探索性實驗打破傳統驗證性實驗的封閉性，用自主性學習補充傳統的課堂教學，以促進創新型人才培養。

確定引入新的教學理念需要準備面對更高的專業要求：

（一）對傳統教學提出了更新的要求

傳統的實習課程是以專業課程為基礎，內容單一，而VEX機器人課程則是圍繞當年的競賽規則，分組討論、提出設計理念、搭建簡易機器、實際練習、發現不足、調試改進。

傳統教學必須提高實際授課效果，這樣才能在傳統實習教學的基礎上增加新的教學內容。以學生為主體，通過多樣的教學形式增強學生學習興趣，學生動手、動腦，調動各種專業知識參與學習活動，注意創設情境，打開了學生的思路。教師的“導”與“講”融于與學生的討論之中，為學生創新思維的開發創造了一個良好的學習環境。就這樣在嘗試中讓學生體驗到自己所帶來的遺憾或喜悅。[4]

（二）對在崗教師提出了更豐富具體的要求

在傳統的教學實習中，教師可以照本宣科，但是VEX 機器人課堂教學中，教師設計的任務應具有代表性、有效性，并能將其他學科概念、理論知識通過機器人實踐活動得以運用和升華，從而讓學生收獲快樂與成功。在VEX 機器人教學實踐中，可創設趣味情境，激發學生求知欲望，合理設計課堂任務，注重過程成長，培養發散思維與創新能力，并保證機器人教學任務設計的有效性。

（三）對本科實踐課程體系提出了更高的要求

VEX 機器人世界錦標賽于2007 年在美國創辦，目前國內的西交、上交、同濟等名校都深入參與此活動，要想在VEX機器人大賽中取得名次，除了具備相關的機器人硬知識以外，團隊協作力、領導力、判斷力等這些軟實力也不可缺少。[5]

同時課程體系的延伸能力較強，從機械結構改進與3D 打印、3D 掃描結合；控制器與arduino、STM32 控制器結合；超聲波編碼器、視覺傳感、激光雷達的延展聯合使用。原有的“老師講、學生聽、最后評價”的課程體系已經滿足不了機器人課堂的教學，新的課程體系對教師和環境等提出了較高的要求。

（四）對原有理論課評價體系提出了更高的要求

VEX 機器人能夠更多地融入機械創新設計、程序編制、傳感器設置等一系列專業技術。這些均是新時代工業設計制造人才必備的專業知識，同學們擁有更高的學習熱情和積極主動性。通過實踐經驗，新的VEX 教育機器人知識的有效介入能夠使實踐教學效果得到較大的提高，最終的學生答辯評價“優”獲得比例從10%-15%上升到25%以上。同學們對多環節的實踐教學不僅沒有表現出更多的抵觸反而更加主動積極地參與推進。[6][7]

三、加入VEX 機器人的創新實習課程內容豐富多彩

如圖表1，在VEX 機器人課程活動的過程中，沒有標準答案可以參考，誰都不知道什么樣的機械結構、什么樣的程序編寫是最好的，引導學生理解規則自主進行設計，從實踐中得出最優的結果，從而來培養學生的創新能力。[8]

表1 VEX 機器人教學活動的內容與重

如表2，該流程同時囊括教師講解、學生實踐以及問題答疑三個貫穿實習的環節。首先教師講解角度傳感器原理及其裝配、再次鞏固電機的齒輪比、如何去換齒輪、電流鎖的概念以及編程等。其次學生搭建機器人抬升臂，這樣以學生為中心，以小組為單位，展開機器人抬升的搭建；教師巡視，對于學生搭建時遇到的問題給予解答。

表2 VEX 機器人實習流程甘特圖

總之，豐富的課程內容具體如下：

（一）機械結構多樣化

VEX 機器人含有上千件基礎零部件：長短不一的軸、螺絲、銷子等；各種模數的直齒輪、斜齒輪、渦輪、齒條等；寬度不同的C 形鋼、U 形鋼、L 形鋼等；車輪、萬向輪、履帶輪、麥克納姆輪等。豐富多樣的零部件可以自由組合成多種類型結構，極大提高了學生的動手能力。

（二）軟件編程多樣化

可以使用C、Python、Java 等多種語言，除了軟件本身外，該軟件能夠與機器人進行連接，進一步將自己編的程序能夠實時地調試，這給學編程帶來了幫助，不再是比較枯燥的學習編程，而是能夠做到理論與實踐相結合，這為教師教學提供了很大的便利。

（三）傳感器類型多樣化

除了傳統的碰觸傳感器、尋仙傳感器以外，還可以使用超聲波、陀螺儀、視覺等多種新興傳感器，讓機器人更加靈敏智能。可以大大激發學生的探究欲與創新動力。

（四）專業知識多樣化

綜合利用機、電、軟專業知識，學生的綜合能力明顯提高。

四、VEX 機器人課程在機械工程創新實習中取得的成效

（一）創建了一套各類競賽與實習結合的新模式

機器人課程在創新實習中得到應用，與3D 打印、實體掃描等組成新的實習項目。提出培養學生創新能力與意識的新型培訓模式。

組織參加專業的機器人競賽，通過與高水平院校進行同場競技，為同學們提供了外出交流學習的平臺，進一步提高專業知識的學習動力。

通過部分優秀學生制作機器人，參加創新創業、“互聯網+”類比賽，培養提高同學們對專業知識與應用領域的聯系提供有效的途徑。

（二）融合創新、創意、創造的培育體系

隨著時代的發展，創新意識、獨立動手能力、構建理論等理念也不斷地進入本科、研究生教育體系。理念經過針對性的設計教育方案，把創新能力、創造精神、系統化解決問題能力等作為培養的重點。

VEX 機器人的學習，是以解決一個特定的工程項目即比賽主題而展開的。要達到學習目標，需要教師將目標細化到每一階段，可以通過問題由簡到難，由淺入深以遞進的方式分配給學生去解決，每一階段的任務最好相互聯系，避免出現較大的跳躍性，有助于學生對知識的意義建構。

（三）思政內容在課程中的融合

通過VEX 課程的學習，學生不僅僅能夠在專業基礎知識中能夠得到提高與鍛煉，更在后期的訓練與競賽的過程中體會到希望、失敗、挫折、失望、進步、成功。增強了學生們的抗挫折能力，提高了自信心。能夠更加清醒的認識個人與團隊的區別和關系、個人能力的特點、組織協調能力的重要性。

VEX 機器人每年有不同的主題要求，每屆同學都會經歷起步時的一點點探索到一次次完成優化機器結構與程序。其中，在一次次推翻前期設計重新設計、組織、調試的過程中，同學們更強烈地認識到工匠精神的重要性和現實意義。

結語

有效的、良好的VEX 機器人教育進入機械工程本科實踐教學后，能夠有效地提高教師、學生的積極性。通過組織參加各類比賽，能夠更有效地組織學生群體活動，并形成梯隊化、層次化的學生專業技術團隊。實踐表明，多方位的工程感知、多學科的交叉融合以及多樣化的實踐教學過程，能有效提升學生的工程能力和創新意識。