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摘要:从目前高校教学改革的要求出发,为培养学生的动手实践与创新能力,对机电一体化技术实验室的筹建、实践教学内容以及实践教学的组织进行了一些积极的探索。
关键词:机电一体化;机器人;实践教学
作者简介:王翠艳(1979-),女,江苏沛县人,石家庄铁道学院工程训练中心,助教,工学硕士,主要研究方向:机电一体化、振动与噪声控制和实训教学;吴文江(1965-),男,河北石家庄人,石家庄铁道学院工程训练中心副主任,教授,工学博士,主要研究方向:机电一体化、振动与噪声控制和实训教学。(河北石家庄050043)
基金项目:本文系河北省教育科学研究“十一五”规划课题(课题编号:O8020366)的研究成果。
在当今世界综合国力的竞争中,拥有高素质工程技术人才的多少已成为衡量一个国家科技进步、经济实力、生产力发展水平的重要指标和依据,大批量培养具有高素质的工程技术人才,既是我国经济、科技国际化和时代发展的需要,也是当前高等工程教育的一个基本内容。[1]通过对石家庄铁道学院(以下简称“我院”)接受机电一体化创新教育的2000名大学一年级新生进行问卷调查,结果表明,家庭工具本人持有的为20%,入学前组装过机电产品的占10%,参加过机电一体化创新教育的不足1%。其主要原因是长期以来灌输式的教学模式和应试为主的教育环境,使得青少年失去了“通过从制作某一件东西来进行学习的机会(技术教育)”,体验式的学习机会大大减少,那么如何为在校学生营造一个能激发兴趣、产生好奇心的环境,通过一系列创新活动点燃他们头脑中的智慧火种,则是培养此类人才的关键。因此,我们将“发现体验学习”理论应用于实践教学中,做了一些有益的尝试,本文将其总结如下。
一、实验室建设
我院机电一体化技术创新教育实验室由工程训练中心牵头组建,作为学院开展创新教学活动的平台,总面积为120平方米,实现功能分区,分为设计、组装区和调试区,拥有微型计算机31台套,乐高教学系统,其中包括动力系列套装15套、能源套装5套、NXT蓝牙机器人套装15套、RCX挑战套装10套、5套扩展部件,以及标准零件柜2套。实验室的经费主要来源于学院正常拨付的实践教学经费,大部分经费用于购买实训耗材。2008年又成功申请到河北省教育科学研究“十一五”规划重点课题资助。
实验室实行科学和规范化管理,[2]制定一系列严格制度,包括实验室仪器设备管理制度、实验室安全制度、实验室学生守则、实验室工作人员守则等。特别针对乐高系列教学套装的零构件易损易丢的特点,采取课前讲、课后验的管理模式。所谓课前讲即教师在介绍实验器材时提前强调一些注意事项,例如连接销插拔不顺畅时不要用牙咬,齿轮使用要配套,线绳系活扣不要用剪刀剪等细节;所谓课后验就是在每次实验结束后,要求学生按照图卡摆放要求整理好零构件,指导老师亲自回收,每验收一组放行一组,严格把关,有效控制住了零构件丢失现象。
二、实验内容的设计
机电一体化作为一个学科领域,所涵盖的内容是十分宽泛的,涉及机械设计、电路设计、控制及软件编程等综合性知识和技术,考虑到接受创新教育学生的理解、编程、器材加工能力以及教育的连续性,为使学生能够设计出从简单到复杂各种层次和各种不同水平的机型,我们将教学内容分为3个不同程度,[3]深入浅出,既能够让大多数学生理解和学习机电组合的相关知识,又能满足对机电一体化有很大兴趣的学生的需求。
1.启发认识
该层面任务是利用乐高系列动力套装搭建一个普通的机电模型,比如用车轮行走、提起重物以及夹子和爪等,通过简单控制,完成一些单一、无智能的动作。这样不仅可以让学生了解各种传动装置的构造、组装、驱动系统的结构,还可以利用电子学和丰富的电器元件让自己的作品生动起来,为接下来智能机电一体化教学打下良好的基础。
案例:起重机的演变
教学目标:掌握常用的机械零构件及机械传动方式与设计技巧,学会马达的安装。
教学步骤:教师引导与学生模仿相结合,让学生了解机械零件的基本原理和使用方法。搭建一个简易手动的起重机,研究常用机械传动方式及其特点,鼓励学生制作出不同的机构,比如让从动轴与主动轴变换90度,起重臂基座自由旋转等。让学生为起重机加速机构安装一个马达,学会马达的安装与控制,认知简单的机电产品。
2.基本技能
该层面任务是利用乐高NXT机器人套装搭建一个智能的、高度灵活的机电一体化模型,通过编程控制使其实现快速行走、搬运物品及避障等功能,使学生在感受机电一体化产品之后,全面综合地了解现代工业设计、机械、电子、传感器、计算机软件、硬件、人机交互、人工智能等诸多领域的先进技术,发现知识背后的关联因素和变化规律,总结出若干结论,为设计提供指导。
案例:宝贝车机器人
教学目标:了解机电一体化的概念,掌握控制器和传感器的使用,学会编写程序控制机器人。
教学步骤:教师引导与学生模仿相结合,让学生了解传感器与控制器的基本原理和使用方法。发给学生宝贝车机器人搭建卡片,利用控制器、传感器、机械零件搭建一个机器人小车,编写控制程序调试机器人实现简单巡航与导航运动。让学生根据机器人作业内容的不同,设计不同的程序和多种手爪,通过快速更换,就能使学生感受真空吸盘搬运、机械手爪搬运、模拟焊接等机器人操作的特点。
3.创新训练
该层面任务是运用RXT系列挑战套装,设置一定主题和难度的课题,由学生自主设计并实施解决问题的方案,比如积木回收、寻找最亮点、哨声兄弟、乐高蟑螂等高级技能,培养学生学会运用系统知识解决未知实际问题的能力。
案例:投币赌博机
教学目标:掌握容器、事件、定时以及显示设置功能。
教学步骤:告诉学生挑战任务是制作一台赌博机,它能够在1和4之间随机挑选数字,如果三个数字相同,它就会做一些非常惊人的事。提示学生使用光电或触动传感器来启动数码的“滚动”,然后每2秒停止一位数字(共6秒),随机选中的数字用LCD的一位显示。强调每个任务可以有自己独立的事件开始和着陆点。
三、实验教学的组织
1.创新教育课程平台的“多维性”[4]
所谓机电一体化创新教育课程平台的“多维性”是指“创新思维训练课程”面向全校各专业学生,实行分层次教学组织,具有较宽的适应面和开放性。在流程上与教务处合作实行科学严格管理,对于一年级学生实行机电一体化认识普及教育,在规定时间里尽可能提升学生学习的兴趣,达到训练、激发和培养学生创新能力的目的;为二、三年级学生开设机电一体化技术选修课程,系统讲授机电类基础理论知识,讲解、实践一些典型机电一体化案例,使学生没有太大的知识难点和盲区,又有极强的趣味性,极大地激发学生的创新意识和能力。经过前面两个层次的创新培养,学生的机电一体化创新意识和能力都得到不同程度提升,在此基础上,利用网络和宣传海报进行宣传,学生自愿报名,经中心考核筛选,组成LEGO机器人创新小团队,进一步探索机电一体化产品的搭建功能和深入扩展性,培养学生的团队协作精神。
2.“做中学、玩中学”的训练方式
实践环节是机电一体化创新教学必不可少的,通过大量动手实践活动,能够磨练人的性格,坚持学中做,做中学,鼓励动手,用于实践,不怕失败,提高学生的学习兴趣,加深对所学课程的理解,加强学生的综合设计能力,培养学生的创新精神。
3.“任务驱动”教学法[5]
针对学生不同层次的训练,设计多种明确而合理的任务,为学生提供开放式的问题解决方案,学生可以利用不同的方法达到同一目标,从而鼓励学生主动探索、动手实践。开始,学生往往对任务有点困惑,一旦进入挑战项目,学生的适应程度有时让老师吃惊。例如,在让学生掌握超声波传感器的时候,通过一段视听教学,将学生引向机器人技术的情境,然后设计一个情境,将提前设计好的机器人放在房间入口处,安排一个学生进入房间,机器人自动报警并记录下进入时间,在学生们惊叹时引出超声波传感器,学生发觉机器人好像有视觉,难道超声波传感器真的能够看到吗?学生因此产生了浓厚的兴趣,同时也增强了学生对物理学、传感器技术的求知欲。
4.竞赛式的成绩考核方式
采用正确的成绩评定方法,能够培养学生主动地学习。所谓竞赛式的考核,就是整个学习过程以小组结合擂台赛的形式进行,2或3人结成一个小团队,拿出自己的机电模型,参加对抗赛,在规定时间内先完成任务的为胜利者。例如在创新层面的教学中,让学生自由设计一个带触角的六足机器人,哪组的机器人先用触角碰触到对方,哪个组获胜。通过这种方式不仅从设计上比拼,也从编程策略上比拼,这种竞争环境大大刺激了学生主动学习、积极进取、取得成功的欲望,不仅锻炼了学生在创造世界中认识世界的能力,也培养了团队协作的意识,能够自然而然地学到许多作为社会成员必备的重要素质。
四、其他教育环境的完善
为更好地开展机电一体化创新教育,提供更好的教育环境,我们积极培养指导人员,编制相应的指导用书,并能根据创新教育的需要供应器材和教材,与同行专家进行即时的信息交流,广泛征求企业和研究所等相关人员的意见,提高整个创新教育的完整性和普及性。
课程可以是愉快的,机电组合实验室每年接收3000名学生来实训,对接受机电组合创新教育的学生进行民意调查,了解到他们对机电组合创新教育的主要评价是:“指导教师全身心投入,我们热情参与,通过多样的互动式教学模式,调动了我们的想象力,点燃了我们对自动控制领域的兴趣,取得了一定成效,真正让思想沸腾起来,让智慧行动起来。”
参考文献:
[1]张炜.21世纪青少年机器人创新教育[J].机器人技术与应用,2008,(10):27-30.
[2]魏世民.北京邮电大学机器人教学与竞赛实践[J].机器人技术与应用,2008,(10):31-33.
[3]仲照东,李益明.机器人教学与高职创新教育[J].深圳职业技术学院学报,2008,(3):64-67.
[4]朱乔荣.机器人教学:一种训练学生解决问题能力的课程[J].现代教学,2005,(12):32-33.
[5]李立玉,张景生,李娟.浅谈任务驱动教学法在中小学机器人教学中的应用[J].科技信息,2008,(24):379.
(责任编辑:麻剑飞)
关键词:机电一体化;机器人;实践教学
作者简介:王翠艳(1979-),女,江苏沛县人,石家庄铁道学院工程训练中心,助教,工学硕士,主要研究方向:机电一体化、振动与噪声控制和实训教学;吴文江(1965-),男,河北石家庄人,石家庄铁道学院工程训练中心副主任,教授,工学博士,主要研究方向:机电一体化、振动与噪声控制和实训教学。(河北石家庄050043)
基金项目:本文系河北省教育科学研究“十一五”规划课题(课题编号:O8020366)的研究成果。
在当今世界综合国力的竞争中,拥有高素质工程技术人才的多少已成为衡量一个国家科技进步、经济实力、生产力发展水平的重要指标和依据,大批量培养具有高素质的工程技术人才,既是我国经济、科技国际化和时代发展的需要,也是当前高等工程教育的一个基本内容。[1]通过对石家庄铁道学院(以下简称“我院”)接受机电一体化创新教育的2000名大学一年级新生进行问卷调查,结果表明,家庭工具本人持有的为20%,入学前组装过机电产品的占10%,参加过机电一体化创新教育的不足1%。其主要原因是长期以来灌输式的教学模式和应试为主的教育环境,使得青少年失去了“通过从制作某一件东西来进行学习的机会(技术教育)”,体验式的学习机会大大减少,那么如何为在校学生营造一个能激发兴趣、产生好奇心的环境,通过一系列创新活动点燃他们头脑中的智慧火种,则是培养此类人才的关键。因此,我们将“发现体验学习”理论应用于实践教学中,做了一些有益的尝试,本文将其总结如下。
一、实验室建设
我院机电一体化技术创新教育实验室由工程训练中心牵头组建,作为学院开展创新教学活动的平台,总面积为120平方米,实现功能分区,分为设计、组装区和调试区,拥有微型计算机31台套,乐高教学系统,其中包括动力系列套装15套、能源套装5套、NXT蓝牙机器人套装15套、RCX挑战套装10套、5套扩展部件,以及标准零件柜2套。实验室的经费主要来源于学院正常拨付的实践教学经费,大部分经费用于购买实训耗材。2008年又成功申请到河北省教育科学研究“十一五”规划重点课题资助。
实验室实行科学和规范化管理,[2]制定一系列严格制度,包括实验室仪器设备管理制度、实验室安全制度、实验室学生守则、实验室工作人员守则等。特别针对乐高系列教学套装的零构件易损易丢的特点,采取课前讲、课后验的管理模式。所谓课前讲即教师在介绍实验器材时提前强调一些注意事项,例如连接销插拔不顺畅时不要用牙咬,齿轮使用要配套,线绳系活扣不要用剪刀剪等细节;所谓课后验就是在每次实验结束后,要求学生按照图卡摆放要求整理好零构件,指导老师亲自回收,每验收一组放行一组,严格把关,有效控制住了零构件丢失现象。
二、实验内容的设计
机电一体化作为一个学科领域,所涵盖的内容是十分宽泛的,涉及机械设计、电路设计、控制及软件编程等综合性知识和技术,考虑到接受创新教育学生的理解、编程、器材加工能力以及教育的连续性,为使学生能够设计出从简单到复杂各种层次和各种不同水平的机型,我们将教学内容分为3个不同程度,[3]深入浅出,既能够让大多数学生理解和学习机电组合的相关知识,又能满足对机电一体化有很大兴趣的学生的需求。
1.启发认识
该层面任务是利用乐高系列动力套装搭建一个普通的机电模型,比如用车轮行走、提起重物以及夹子和爪等,通过简单控制,完成一些单一、无智能的动作。这样不仅可以让学生了解各种传动装置的构造、组装、驱动系统的结构,还可以利用电子学和丰富的电器元件让自己的作品生动起来,为接下来智能机电一体化教学打下良好的基础。
案例:起重机的演变
教学目标:掌握常用的机械零构件及机械传动方式与设计技巧,学会马达的安装。
教学步骤:教师引导与学生模仿相结合,让学生了解机械零件的基本原理和使用方法。搭建一个简易手动的起重机,研究常用机械传动方式及其特点,鼓励学生制作出不同的机构,比如让从动轴与主动轴变换90度,起重臂基座自由旋转等。让学生为起重机加速机构安装一个马达,学会马达的安装与控制,认知简单的机电产品。
2.基本技能
该层面任务是利用乐高NXT机器人套装搭建一个智能的、高度灵活的机电一体化模型,通过编程控制使其实现快速行走、搬运物品及避障等功能,使学生在感受机电一体化产品之后,全面综合地了解现代工业设计、机械、电子、传感器、计算机软件、硬件、人机交互、人工智能等诸多领域的先进技术,发现知识背后的关联因素和变化规律,总结出若干结论,为设计提供指导。
案例:宝贝车机器人
教学目标:了解机电一体化的概念,掌握控制器和传感器的使用,学会编写程序控制机器人。
教学步骤:教师引导与学生模仿相结合,让学生了解传感器与控制器的基本原理和使用方法。发给学生宝贝车机器人搭建卡片,利用控制器、传感器、机械零件搭建一个机器人小车,编写控制程序调试机器人实现简单巡航与导航运动。让学生根据机器人作业内容的不同,设计不同的程序和多种手爪,通过快速更换,就能使学生感受真空吸盘搬运、机械手爪搬运、模拟焊接等机器人操作的特点。
3.创新训练
该层面任务是运用RXT系列挑战套装,设置一定主题和难度的课题,由学生自主设计并实施解决问题的方案,比如积木回收、寻找最亮点、哨声兄弟、乐高蟑螂等高级技能,培养学生学会运用系统知识解决未知实际问题的能力。
案例:投币赌博机
教学目标:掌握容器、事件、定时以及显示设置功能。
教学步骤:告诉学生挑战任务是制作一台赌博机,它能够在1和4之间随机挑选数字,如果三个数字相同,它就会做一些非常惊人的事。提示学生使用光电或触动传感器来启动数码的“滚动”,然后每2秒停止一位数字(共6秒),随机选中的数字用LCD的一位显示。强调每个任务可以有自己独立的事件开始和着陆点。
三、实验教学的组织
1.创新教育课程平台的“多维性”[4]
所谓机电一体化创新教育课程平台的“多维性”是指“创新思维训练课程”面向全校各专业学生,实行分层次教学组织,具有较宽的适应面和开放性。在流程上与教务处合作实行科学严格管理,对于一年级学生实行机电一体化认识普及教育,在规定时间里尽可能提升学生学习的兴趣,达到训练、激发和培养学生创新能力的目的;为二、三年级学生开设机电一体化技术选修课程,系统讲授机电类基础理论知识,讲解、实践一些典型机电一体化案例,使学生没有太大的知识难点和盲区,又有极强的趣味性,极大地激发学生的创新意识和能力。经过前面两个层次的创新培养,学生的机电一体化创新意识和能力都得到不同程度提升,在此基础上,利用网络和宣传海报进行宣传,学生自愿报名,经中心考核筛选,组成LEGO机器人创新小团队,进一步探索机电一体化产品的搭建功能和深入扩展性,培养学生的团队协作精神。
2.“做中学、玩中学”的训练方式
实践环节是机电一体化创新教学必不可少的,通过大量动手实践活动,能够磨练人的性格,坚持学中做,做中学,鼓励动手,用于实践,不怕失败,提高学生的学习兴趣,加深对所学课程的理解,加强学生的综合设计能力,培养学生的创新精神。
3.“任务驱动”教学法[5]
针对学生不同层次的训练,设计多种明确而合理的任务,为学生提供开放式的问题解决方案,学生可以利用不同的方法达到同一目标,从而鼓励学生主动探索、动手实践。开始,学生往往对任务有点困惑,一旦进入挑战项目,学生的适应程度有时让老师吃惊。例如,在让学生掌握超声波传感器的时候,通过一段视听教学,将学生引向机器人技术的情境,然后设计一个情境,将提前设计好的机器人放在房间入口处,安排一个学生进入房间,机器人自动报警并记录下进入时间,在学生们惊叹时引出超声波传感器,学生发觉机器人好像有视觉,难道超声波传感器真的能够看到吗?学生因此产生了浓厚的兴趣,同时也增强了学生对物理学、传感器技术的求知欲。
4.竞赛式的成绩考核方式
采用正确的成绩评定方法,能够培养学生主动地学习。所谓竞赛式的考核,就是整个学习过程以小组结合擂台赛的形式进行,2或3人结成一个小团队,拿出自己的机电模型,参加对抗赛,在规定时间内先完成任务的为胜利者。例如在创新层面的教学中,让学生自由设计一个带触角的六足机器人,哪组的机器人先用触角碰触到对方,哪个组获胜。通过这种方式不仅从设计上比拼,也从编程策略上比拼,这种竞争环境大大刺激了学生主动学习、积极进取、取得成功的欲望,不仅锻炼了学生在创造世界中认识世界的能力,也培养了团队协作的意识,能够自然而然地学到许多作为社会成员必备的重要素质。
四、其他教育环境的完善
为更好地开展机电一体化创新教育,提供更好的教育环境,我们积极培养指导人员,编制相应的指导用书,并能根据创新教育的需要供应器材和教材,与同行专家进行即时的信息交流,广泛征求企业和研究所等相关人员的意见,提高整个创新教育的完整性和普及性。
课程可以是愉快的,机电组合实验室每年接收3000名学生来实训,对接受机电组合创新教育的学生进行民意调查,了解到他们对机电组合创新教育的主要评价是:“指导教师全身心投入,我们热情参与,通过多样的互动式教学模式,调动了我们的想象力,点燃了我们对自动控制领域的兴趣,取得了一定成效,真正让思想沸腾起来,让智慧行动起来。”
参考文献:
[1]张炜.21世纪青少年机器人创新教育[J].机器人技术与应用,2008,(10):27-30.
[2]魏世民.北京邮电大学机器人教学与竞赛实践[J].机器人技术与应用,2008,(10):31-33.
[3]仲照东,李益明.机器人教学与高职创新教育[J].深圳职业技术学院学报,2008,(3):64-67.
[4]朱乔荣.机器人教学:一种训练学生解决问题能力的课程[J].现代教学,2005,(12):32-33.
[5]李立玉,张景生,李娟.浅谈任务驱动教学法在中小学机器人教学中的应用[J].科技信息,2008,(24):379.
(责任编辑:麻剑飞)