基于課賽融合的機器人技術基礎課程改革研究

丁 力 葉 霞 黃 明 單文桃 巢 淵

江蘇理工學院機械工程學院 江蘇常州 213001

機器人技術是國家安全和國計民生的重要保障,也是衡量各國綜合實力的核心指標之一。我國《“十四五”機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》和《國家中長期科學和技術發(fā)展規(guī)劃》都將發(fā)展機器人技術列為國家級戰(zhàn)略計劃[1-2]。作為新工科專業(yè),機器人工程專業(yè)旨在為國家培養(yǎng)能在機器人工程領域從事機器人設計開發(fā)、系統(tǒng)集成、檢測與控制、部署與應用、運行管理等方面工作的應用型工程技術人才。然而,機器人工程專業(yè)具有較強的學科交叉特點,融合了機械、電子、計算機、控制等領域的知識,課程設置需要進行創(chuàng)新探索,以激發(fā)學生的學習興趣。

課賽融合是將學科競賽融入課程教學中的一種行之有效的教學模式。它能夠有效地激發(fā)學生的學習興趣,提高學生的實踐能力和綜合素質(zhì),為學生的終身發(fā)展打下基礎[3]。同時,它也能夠促進課程教學和實踐能力的有機結(jié)合,增強學生的實際操作能力和團隊協(xié)作能力,培養(yǎng)創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力,以便更好地適應未來社會的發(fā)展需求。根據(jù)現(xiàn)有研究表明,課賽融合的模式已得到了高校廣泛的關注與認可,例如青島工學院[4]、邵陽職業(yè)技術學院[5]、湖南工商大學[6]等均對課賽融合模式進行了深入探索,并取得了一定成效。

課賽融合需要專業(yè)教師具備豐富的實踐經(jīng)驗和教學能力,以便能夠設計出有效結(jié)合課程與比賽的教學內(nèi)容。其次,需要統(tǒng)籌協(xié)調(diào)各方面資源,包括教學設施、比賽資訊、教材等,以確保教學質(zhì)量[7-8]。同時,也需要學生積極參與,發(fā)揮出比賽的積極作用。以江蘇理工學院機器人工程專業(yè)為例,詳細闡述將課賽融合模式引入專業(yè)核心課程“機器人技術基礎”教學的教學改革思路,以便更好地培養(yǎng)學生的實踐能力和創(chuàng)新能力。

1 當前課程教學存在問題

作為機器人工程專業(yè)的專業(yè)核心課程,“機器人技術基礎”的教學內(nèi)容涵蓋了機器人數(shù)學基礎、運動學、動力學及軌跡規(guī)劃,是屬于綜合性較強的一門課程。當前,“機器人技術基礎”教學存在的問題主要包括以下三個方面[9-10]。

(1)課程教學模式陳舊。當前,我校機器人工程系的“機器人技術基礎”教學方式以教師講授PPT、學生被動接受知識為主,忽視了學生創(chuàng)新能力、思辨能力的培養(yǎng)。再者,教學內(nèi)容也過于單一化和機械化,難以激發(fā)學生的學習興趣與學習動力,最終導致課程知識點掌握得不夠扎實。

(2)理論與實際存在脫節(jié)現(xiàn)象。“機器人技術基礎”課程教學共有32個學時,并且都是理論教學,缺少實踐性環(huán)節(jié),這可能會導致學生不清楚如何將理論知識運用到實踐中去。再者,由于我校機器人工程專業(yè)為新建專業(yè),教學配套實驗設備、實驗場地、實驗教學教師配置仍不健全,無法開展適合“機器人技術基礎”課程教學的實驗,故導致理論與實踐存在脫節(jié)現(xiàn)象。

(3)課程考核方式相對單一。根據(jù)工程教育認證理論,“機器人技術基礎”課程考核只包括期末考試和過程考核兩種方式,形式相對單一。學生的過程表現(xiàn)和學習能力只能在特性范疇下得到評價,而不能全面展現(xiàn)自己的實力。同樣,教師也只能按照固定標準來考核學生,忽視了學生的個性,無法做到因人施教。最終可能會導致教學效果和課程目標存在偏差。

根據(jù)上述問題剖析,如何豐富我校機器人工程系的“機器人技術基礎”課程的教學內(nèi)容,激發(fā)學生學習興趣,提高課程教學質(zhì)量,具有一定的迫切性和重要性。因此,亟須對該課程進行教學改革,將競賽融入進教學,以理論與實踐相結(jié)合方式培養(yǎng)學生的綜合能力。

2 課賽融合的教學優(yōu)點

在“機器人技術基礎”教學過程中融入學科競賽元素,具有以下五方面優(yōu)點:

(1)激發(fā)學生學習的興趣和動力。學科競賽可以激發(fā)學生學習機器人技術的興趣和積極性,使學生更為主動地參與學習。同時,學科競賽還可以提高學生的自信心和自尊心,促使學生積極進取。

(2)增強學生的能力和技能。學科競賽一般涉及比賽策略、解題技巧、專業(yè)知識等方面的能力和技能。通過參與機器人類學科競賽,學生可以不斷鍛煉和提高這些能力和技能,從而提高綜合素質(zhì)。

(3)培養(yǎng)學生的團隊精神和合作意識。學科競賽要求學生進行團隊合作,通過共同協(xié)作完成任務。這有助于培養(yǎng)學生的團隊精神和合作意識,增強學生的集體榮譽感和責任感。

(4)提高學生的創(chuàng)新能力和思維能力。學科競賽需要學生創(chuàng)新性地思考和解決問題。通過參與競賽活動,學生可以鍛煉和提高自己的創(chuàng)新能力和思維能力,培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)造力。

(5)促進教學改革和教學質(zhì)量提升。課賽融合可以促進教學改革,使教學更加注重學生的實際需求和興趣愛好,提高教學質(zhì)量和教育效果。同時,通過學科競賽的評估和反饋,教師可以更加全面地了解學生的學習情況和問題,及時進行調(diào)整和改進教學內(nèi)容和方法。

隨著科技的發(fā)展和社會的進步,傳統(tǒng)的教學方式已經(jīng)無法滿足學生的需求,故課賽融合的教學模式越來越受到高校的重視。根據(jù)文獻研究[11-13]可知,課賽融合模式的發(fā)展趨勢為:

(1)強調(diào)實踐與創(chuàng)新。學科競賽本身就具有一定的實踐創(chuàng)新屬性,將其融入專業(yè)課程教學中,能夠培養(yǎng)學生的實際操作能力和創(chuàng)新思維能力。

(2)多元化的競賽形式。隨著競賽的不斷發(fā)展,越來越多的競賽形式涌現(xiàn)出來,如創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)競賽、科技競賽、文化競賽等。教育機構(gòu)和企業(yè)可以結(jié)合自身的特點和需求,選擇適合自己的競賽形式,來促進課賽融合教學的發(fā)展。

(3)數(shù)據(jù)驅(qū)動的教學評估。隨著教育大數(shù)據(jù)的普及,越來越多的學校和機構(gòu)開始使用數(shù)據(jù)來評估學生的學習效果和教學質(zhì)量。這種數(shù)據(jù)驅(qū)動的教學評估方式可以更加客觀地評估課賽融合教學的效果,進一步推動其發(fā)展。

綜上所述,課賽融合教學模式將成為未來教育的一種重要趨勢,將其運用于“機器人技術基礎”教學中,可有效培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神和實踐能力。

3 課賽融合教學方案實施

以第九屆江蘇省大學生機械創(chuàng)新設計大賽暨第十屆全國大學生機械創(chuàng)新設計大賽為例,詳細闡述下科賽融合教學方案實施過程。該屆大賽以“自然—和諧”為主題,旨在設計一款能夠模仿自然界動物運動形態(tài)、功能特點的機械產(chǎn)品。

根據(jù)“機器人技術基礎”講解的機械設計方面知識,引導學生設計了一款帶有二自由度繩驅(qū)動機械臂的旋翼飛行機器人,模擬蜻蜓點水的運動過程。該機器人主要由四旋翼飛行器、二自由度的繩驅(qū)動機械臂和吊艙組成。四旋翼飛行器上配備了飛行控制器、電機、槳葉和電調(diào)等航空電子設備,而吊艙則用于放置鋰電池、水泵、水箱和驅(qū)動電機。該旋翼飛行機器人屬于串聯(lián)型機械臂,極其形象地模擬了蜻蜓形態(tài)。

本設計采用繩驅(qū)動技術設計了機械臂,該設計將直流減速電機放置在基座處,下方電機通過驅(qū)動輪上纏繞的兩根繩索拉動大臂關節(jié)1正反轉(zhuǎn),上方電機則通過主動輪、導向輪和張緊輪將力矩傳遞到小臂關節(jié)2處,從而實現(xiàn)末端執(zhí)行器的汲水運動。如此設計的優(yōu)點是大大減輕了機械臂慣量比,同時將機械臂質(zhì)量集中至基座處,也減小了機械臂對旋翼飛行器的擾動,利于飛行器的控制。進而,利用機器人技術基礎中運動學及動力學知識建立旋翼飛行機器人運動學模型和動力學模型。

同時,設計快速連續(xù)非奇異終端滑模控制器來保證機械臂軌跡跟蹤控制精度,并將旋翼飛行機器人的三維模型導入Matlab/Simulink中進行可視化仿真。經(jīng)模型設計與仿真模擬后,搭建了旋翼飛行機器人的樣機。其中,機械臂總質(zhì)量為1.03kg,臂長0.515m。以關節(jié)1為例,關節(jié)1電機通過柔性聯(lián)軸器帶動主動輪轉(zhuǎn)動,主動輪上繞有兩根驅(qū)動繩索,分別用于驅(qū)動關節(jié)1正轉(zhuǎn)及反轉(zhuǎn)。繩索的兩端分別固定在主動輪和關節(jié)輪上。關節(jié)輪2和關節(jié)輪1的區(qū)別是,在其主動輪和關節(jié)輪之間還有若干導向滑輪,主要是用作繩索導向和防止繩索從關節(jié)輪上脫離。兩個關節(jié)軸上分別安裝了一個軸套式編碼器用于測量關節(jié)角度,對每個關節(jié)的驅(qū)動繩索都設計了一個繩索張緊裝置。

五位學生憑借此設計作品獲得了江蘇賽區(qū)三等獎的佳績。進一步地,為了將學科競賽的案例引入“機器人技術基礎”教學中,這五位學生將比賽要求、樣機圖片、調(diào)試視頻、程序代碼及技術文檔上傳至所建立的云機器人平臺,供其他學生學習。這里需要補充的是,江蘇理工學院機器人工程專業(yè)建立的云機器人平臺可服務于多門專業(yè)基礎課、專業(yè)核心課及集中實踐性環(huán)節(jié),任課教師可利用該平臺上傳與授課內(nèi)容相關的視頻、文檔等材料至云端。例如,將中國機器人大賽案例上傳并開放給所有學生,在傳授機器人技術基礎知識之前,可安排學生先行自學云機器人平臺的內(nèi)容。進而,教師在授課過程中以學科競賽實例為對象,傳授求解機器人運動學、動力學、軌跡規(guī)劃及仿真模擬的知識,提高學生的學習興趣,夯實學生的理論基礎,提高學生的理論水平。學生也能將本門課的技術知識運用到機器人大類的學科競賽中,做到理論與實踐相結(jié)合,知行合一。

面向課賽融合的“機器人技術基礎”課程改革已在2020級機器人中進行了初步嘗試。從課程伊始,安排學生利用課后時間到云機器人平臺上(中國大學慕課)自行學習學科競賽案例,了解機器人的設計、構(gòu)造、運動模式及控制模式。接著,在后續(xù)授課過程中,多以旋翼飛行機器人為例講解專業(yè)核心知識,進一步加深學生對專業(yè)知識的學習,以賽促學,提高課程教學質(zhì)量。根據(jù)工程教學認證的要求,機器人技術基礎包括三個課程目標,課賽融合指標計入課程目標3中。

4 課賽融合評價機制建立

課賽融合的教學方式必然會打破傳統(tǒng)授課模式,所以為保證良好的教學效果,需要制定合理的評價機制。為此,筆者從自身角度出發(fā),并結(jié)合江蘇理工學院機器人工程專業(yè)現(xiàn)狀,制定了以下五條建議,即:

(1)明確評價目標和標準。需要確定融合評價的目標和標準,明確課堂教學和比賽的評價內(nèi)容和權(quán)重。

(2)課程與競賽的銜接。要設計合適的教學活動,將課程內(nèi)容與比賽任務有機地結(jié)合起來,使比賽成為課程教學的延伸和拓展,同時也要確保比賽任務能夠達到課程的教學目標。

(3)教師和評委的配合。需要教師多參加學科競賽的研討會,根據(jù)比賽組委會的技術要求及時修改課賽融合的教學內(nèi)容和評價標準,確保評價的客觀性和公正性。

(4)學生的參與和反饋。要讓學生參與評價機制的制定和實施,讓他們理解評價標準和目的,自我反思和評價自己的學習和比賽表現(xiàn),同時也要及時給予學生評價反饋和建議,幫助他們提高自身能力和競爭力。

(5)評價方式和工具。要選擇合適的評價方式和工具,如自評、互評、教師評價等,結(jié)合現(xiàn)代技術手段,如網(wǎng)絡平臺、視頻回放、數(shù)據(jù)分析等,全面、多角度地評價學生的表現(xiàn)。

通過以上五方面的考慮,可以初步建立起有效的課賽融合評價機制,既能夠促進學生的學習和競爭意識,又能夠提高教師的教學效果和評價能力。

結(jié)語

本文旨在探究面向課賽融合的“機器人技術基礎”課程改革,以提高學生的學習效果和競爭力。在研究中,我們通過文獻綜述、問題分析、案例研究等方法,深入分析了目前機器人工程專業(yè)課程教學中存在的問題和不足,提出了面向課賽融合的教學模式和評價機制,以及相應的教學策略和方法。研究結(jié)果表明,課賽融合教學模式能夠?qū)⒄n程教學和比賽任務有機地結(jié)合起來,使學生在參與比賽的過程中更好地理解和掌握課程內(nèi)容,同時也能夠提高學生的競爭意識和實踐能力。評價機制則能夠促進學生自我反思和評價,提高他們的學習動力和自我管理能力,同時也能夠幫助教師更好地掌握學生的學習情況和表現(xiàn)。研究成果可以為機器人技術基礎課程的改革和實踐提供借鑒和參考,同時也能夠促進教育教學改革的探索和推進。