基于探索者創(chuàng)新平臺(tái)的機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)教學(xué)改革

朱艷 柳亞輸 于雯

摘? 要 創(chuàng)新的關(guān)鍵是人才，對(duì)創(chuàng)新人才的培養(yǎng)是新經(jīng)濟(jì)引擎的能源。本次教學(xué)設(shè)計(jì)內(nèi)容是基于信息化環(huán)境，以學(xué)生為主體，通過線上與線下相結(jié)合、虛擬三維造型與實(shí)物拼裝相結(jié)合、翻轉(zhuǎn)課堂與傳統(tǒng)課堂相結(jié)合，構(gòu)建“排爆機(jī)器人創(chuàng)新項(xiàng)目”課程的混合式教學(xué)模式。同時(shí)，通過課堂教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)及第二課堂相結(jié)合的理實(shí)一體化教學(xué)模式，著力培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新思維能力，開拓創(chuàng)新思路，提高創(chuàng)造力。

關(guān)鍵詞 機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì);探索者創(chuàng)新平臺(tái);教學(xué)改革;排爆機(jī)器人創(chuàng)新項(xiàng)目;教學(xué)設(shè)計(jì);Arduino

中圖分類號(hào)：G712? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2020）02-0046-04

Teaching Reform of Mechanical Innovative Design based on Ex-plorer Innovative Platform//ZHU Yan， LIU Yashu， YU Wen

Abstract The key to innovation is talents， and the training of innova-tive talents is the energy of the new economic engine. The content ofthis teaching design is based on the information environment， with students as the main body， through the combination of online and off-line， virtual three-dimensional modeling and physical assembly， and the combination of flipping classroom and traditional classroom， to?construct a hybrid teaching mode of the course “Explosive Detona-tion Robot Innovation Project”. At the same time， through the inte-gration of classroom teaching， experimental teaching and the second?classroom， we focus on cultivating students innovative conscious-ness and thinking ability， exploring innovative ideas and improving creativity.

Key words innovative design of machinery; explorer innovative plat-form; teaching reform; explosive detonation robot innovation pro-ject; instructional design; Arduino

1 前言

面對(duì)當(dāng)下國家經(jīng)濟(jì)下行壓力、制造業(yè)所面臨的升級(jí)困境以及發(fā)達(dá)國家新興制造業(yè)的國際挑戰(zhàn)，我國亟待實(shí)施一定的創(chuàng)新改革措施，全面覆蓋經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)上下游環(huán)境，突破當(dāng)下人才及創(chuàng)新上的困境[1]。基于創(chuàng)新及人才改革的突出問題，國家總理李克強(qiáng)于2014年9月在夏季達(dá)沃斯論壇上提出在960萬平方公里土地上掀起“草根創(chuàng)業(yè)”“大眾創(chuàng)業(yè)”的新浪潮，形成“人人創(chuàng)新”“萬眾創(chuàng)業(yè)”的新勢態(tài)。近幾年來，“創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)”一詞被高頻次地提及和高關(guān)注度地曝光，建設(shè)創(chuàng)新型國家是我國的重大戰(zhàn)略決策，提高自主創(chuàng)新能力，建設(shè)創(chuàng)新型國家，是國家發(fā)展戰(zhàn)略的核心，是提高綜合國力的關(guān)鍵。劉延?xùn)|同志在“深入推進(jìn)高校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革座談會(huì)”上強(qiáng)調(diào)，人是創(chuàng)新最關(guān)鍵的因素，創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)是人才驅(qū)動(dòng)。本文基于機(jī)器時(shí)代科技有限公司研發(fā)的探索者教育機(jī)器人平臺(tái)（以下簡稱“探索者”），探索以創(chuàng)新能力培養(yǎng)為導(dǎo)向的機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)課程教學(xué)改革。

2 機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)課程介紹

機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)課程是機(jī)械工程類專業(yè)的一門專業(yè)拓展課。在傳統(tǒng)教學(xué)方法中，課堂講授著重機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)的基本思維及基本原理技法，大量分析已有案例，學(xué)生基本能夠掌握已有案例中的機(jī)械原理方案設(shè)計(jì)、機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、機(jī)電一體化設(shè)計(jì)等;但是結(jié)合工程實(shí)際，學(xué)生的創(chuàng)新能力和動(dòng)手能力沒有提高，綜合設(shè)計(jì)分析問題和解決問題的能力也比較差[2]。在當(dāng)下國家產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃背景下，傳統(tǒng)課堂教學(xué)已經(jīng)難以滿足創(chuàng)新人才政策的培養(yǎng)需求，因此，對(duì)機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)課程進(jìn)行探索和改革勢在必行[3]?！疤剿髡摺钡某霈F(xiàn)，給機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)教學(xué)改革提供了很好的硬件基礎(chǔ)[4]。

3 “探索者”平臺(tái)介紹

“探索者”平臺(tái)是由機(jī)器時(shí)代科技有限公司結(jié)合機(jī)械、電子、傳感器、計(jì)算機(jī)軟硬件、控制、人工智能和造型技術(shù)等眾多的先進(jìn)技術(shù)研發(fā)的教育機(jī)器人平臺(tái)?！疤剿髡摺逼脚_(tái)擁有完善的教學(xué)體系和開放度極高的系統(tǒng)，最大特點(diǎn)是能夠很好地兼容市面上常見的各種機(jī)械零件、電子部件以及目前世界上最通用的創(chuàng)客平臺(tái)。該平臺(tái)包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)，主要零件采用鋁鎂合金材質(zhì)，零件上開有通孔，用不銹鋼螺絲螺母組裝。軟件系統(tǒng)是采用目前世界上最流行的開源硬件開發(fā)平臺(tái)Arduino，可以同時(shí)基于C語言以及圖形化編程Ardublock界面進(jìn)行編程。同時(shí)，主控板Brasra是基于Arduino開源方案設(shè)計(jì)的一款開發(fā)板，入門簡單易學(xué)。

4 基于“探索者”平臺(tái)教學(xué)設(shè)計(jì)思路

本課程根據(jù)學(xué)生已經(jīng)具備的機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)體系，借助“探索者”平臺(tái)，依據(jù)構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、運(yùn)作一體化理念，結(jié)合工程實(shí)際、趣味競賽等信息進(jìn)行項(xiàng)目化教學(xué)設(shè)計(jì)，促進(jìn)專業(yè)鏈與創(chuàng)新鏈、課程內(nèi)容與職業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、教學(xué)過程與實(shí)踐環(huán)節(jié)深度融合。如圖1所示，項(xiàng)目內(nèi)容由基礎(chǔ)項(xiàng)目和綜合創(chuàng)新項(xiàng)目兩部分組成：基礎(chǔ)項(xiàng)目主要包括基礎(chǔ)機(jī)構(gòu)、底盤類機(jī)構(gòu)、抓取與收集裝置、機(jī)械臂設(shè)計(jì)、仿生類機(jī)構(gòu)五大類，每一類有對(duì)應(yīng)的綜合創(chuàng)新項(xiàng)目;綜合創(chuàng)新項(xiàng)目是基于五類基本項(xiàng)目完成之后才可以進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。整體學(xué)習(xí)任務(wù)由易到難、由局部到整體來完成。下面以排爆機(jī)器人創(chuàng)新項(xiàng)目作為典型項(xiàng)目，分解教學(xué)設(shè)計(jì)過程。

5 排爆機(jī)器人創(chuàng)新項(xiàng)目教學(xué)設(shè)計(jì)

教學(xué)設(shè)計(jì)理念? 本次教學(xué)設(shè)計(jì)內(nèi)容是基于信息化環(huán)境，以學(xué)生為主體，通過線上、線下相結(jié)合、虛擬三維造型與實(shí)物拼裝相結(jié)合，翻轉(zhuǎn)課堂與傳統(tǒng)課堂相結(jié)合，構(gòu)建“排爆機(jī)器人創(chuàng)新項(xiàng)目”課程的混合式教學(xué)模式。同時(shí)，通過課堂教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)及第二課堂相結(jié)合的理實(shí)一體化教學(xué)模式，著力培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新思維能力，開拓創(chuàng)新思路，提高創(chuàng)造力。

教學(xué)目標(biāo)

知識(shí)目標(biāo)：掌握利用機(jī)構(gòu)組合理念進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)的基本概念及原理。

能力目標(biāo)：能夠基于探索者創(chuàng)新平臺(tái)進(jìn)行排爆機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

情感與態(tài)度目標(biāo)：培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，形成利用基于信息技術(shù)的個(gè)性化學(xué)習(xí)系統(tǒng)自學(xué)的能力、分析和解決實(shí)際問題的能力;培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新思維，開拓創(chuàng)新思路，提高創(chuàng)造力;培養(yǎng)學(xué)生對(duì)專業(yè)的認(rèn)知度和認(rèn)可度;培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)意識(shí)、協(xié)作精神。

教學(xué)內(nèi)容

1）課前自學(xué)。課前，學(xué)生通過“學(xué)習(xí)通”查看課程網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)關(guān)于本次教學(xué)的所有任務(wù)單：①機(jī)構(gòu)組合基本知識(shí)自我消化吸收，完成網(wǎng)絡(luò)自測題;②利用學(xué)校圖書館以及知網(wǎng)等學(xué)術(shù)網(wǎng)站查閱排爆機(jī)器人相關(guān)資料，撰寫一份技術(shù)調(diào)查報(bào)告上傳至網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)。學(xué)生利用網(wǎng)絡(luò)課程平臺(tái)中的微課、PPT、動(dòng)畫等資料以及學(xué)校圖書館（包括網(wǎng)絡(luò)圖書館）進(jìn)行學(xué)習(xí)。

2）課堂教學(xué)。

①觀看搜狐網(wǎng)站有關(guān)我國首創(chuàng)雙臂排爆機(jī)器人KV150的報(bào)道，向?qū)W生展示KV150排爆機(jī)器人的功能及結(jié)構(gòu)并展開討論：按照排爆機(jī)器人的基本機(jī)構(gòu)，有哪些不同類型的排爆機(jī)器人？同時(shí)，教師通過Pro/E軟件自制部分排爆機(jī)器人機(jī)構(gòu)，供學(xué)生觀摩學(xué)習(xí)。

②學(xué)生通過學(xué)習(xí)教師提供的Pro/E典型排爆機(jī)器人機(jī)構(gòu)案例，豐富自己創(chuàng)新空間，同時(shí)基于虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)進(jìn)行排爆機(jī)器人機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)。如圖2所示，學(xué)生根據(jù)自己的構(gòu)思，基于機(jī)構(gòu)組合創(chuàng)新理論知識(shí)，通過不同的底盤、不同自由度的機(jī)械臂設(shè)計(jì)來進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。為了驗(yàn)證虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）創(chuàng)新設(shè)計(jì)的可行性，接下來基于“探索者”平臺(tái)進(jìn)行硬件實(shí)物拼接并調(diào)試。

③學(xué)生根據(jù)VR創(chuàng)新設(shè)計(jì)模型，基于“探索者”平臺(tái)進(jìn)行硬件實(shí)物拼接，教師現(xiàn)場答疑拼接過程中所遇到的問題，如圖3所示。同時(shí)，教師輔導(dǎo)學(xué)生利用Arduino圖形化編程軟件，對(duì)排爆機(jī)器人進(jìn)行動(dòng)作編程及調(diào)試，如圖4所示。通過不斷地調(diào)試手臂運(yùn)動(dòng)角度、時(shí)間、位置等參數(shù)，達(dá)到預(yù)定的目標(biāo)，如圖5所示。

④每組學(xué)生代表演示其作品的排爆動(dòng)作，同時(shí)展示機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)思路，教師根據(jù)學(xué)生演示匯報(bào)情況對(duì)作品進(jìn)行打分，如圖6所示。

第一組學(xué)生匯報(bào)的是3自由度萬向車排爆機(jī)器人，采用輪式行走機(jī)構(gòu)，采用三個(gè)舵機(jī)控制實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng);同時(shí)，機(jī)械手爪采用齒輪連桿機(jī)構(gòu)串聯(lián)到機(jī)械臂中，實(shí)現(xiàn)排爆動(dòng)作。

第二組學(xué)生匯報(bào)的是2自由度萬向車排爆機(jī)器人，同樣采用輪式行走機(jī)構(gòu)，機(jī)械手爪機(jī)構(gòu)較靈活，但需要課后進(jìn)一步完善功能。

第三組匯報(bào)的是1自由度履帶排爆機(jī)器人，采用履帶式行走機(jī)構(gòu)，支承面積大，爬坡能力強(qiáng);但是1自由度機(jī)械手爪只能抓取固定高度物體，后期需要進(jìn)一步改進(jìn)其抓取物體范圍。

3）考核評(píng)價(jià)。課堂評(píng)價(jià)主要通過學(xué)習(xí)態(tài)度（課堂出勤、課前任務(wù)完成情況、課堂回答問題）、理論水平（課堂提問、隨堂測試、課堂討論）、創(chuàng)新能力（排爆機(jī)器人虛擬現(xiàn)實(shí)組合機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、“探索者”平臺(tái)硬件拼接）三大指標(biāo)，結(jié)合小組自評(píng)互評(píng)、課前網(wǎng)絡(luò)測試、課中隨堂測試、課中討論等，建立本次教學(xué)的多維度考核評(píng)價(jià)體系（如圖7所示），全面系統(tǒng)反映學(xué)生對(duì)知識(shí)掌握情況。

4）課后拓展。通過本次課學(xué)習(xí)內(nèi)容，鼓勵(lì)學(xué)生利用第二課堂，要求各小組完善排爆機(jī)器人機(jī)構(gòu)并上傳課程平臺(tái)，要求學(xué)生分組基于本次課理論知識(shí)以及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)多足機(jī)器人（4足、6足、8足），同時(shí)作為本課程的創(chuàng)新能力成績列入學(xué)生的綜合成績中。同時(shí)，基于第二課堂的開展，拓寬了學(xué)生視野，選拔了一批創(chuàng)新拔尖人才，在各類創(chuàng)新大賽（全國機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽省級(jí)、“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽、全國高職發(fā)明杯創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽等）中屢屢獲獎(jiǎng)。

5）教學(xué)反思。首先，采用多種信息化手段，既激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，又提高了學(xué)生自主探究的能力，提高了教學(xué)質(zhì)量;其次，通過課前、課中、課后系統(tǒng)設(shè)計(jì)，采用構(gòu)思—設(shè)計(jì)—實(shí)現(xiàn)—運(yùn)作的CDIO教學(xué)模式，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)及思維能力;再次，采用教學(xué)全過程化考核，創(chuàng)建多維考核評(píng)價(jià)體系，全面反映學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，使考核評(píng)價(jià)更科學(xué);最后，結(jié)合第二課堂，通過社團(tuán)活動(dòng)及各類創(chuàng)新大賽來提高學(xué)生的學(xué)習(xí)能力，體現(xiàn)了創(chuàng)新型人才培養(yǎng)模式。教學(xué)實(shí)踐表明，基于“探索者”創(chuàng)新平臺(tái)的機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)教學(xué)改革對(duì)機(jī)械工程類專業(yè)教學(xué)的開展尤其適用，特別是對(duì)于小課時(shí)、廣知識(shí)面的課程?！?/p>

參考文獻(xiàn)

[1]袁泉，文智強(qiáng).核心素養(yǎng)視域下創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才質(zhì)量評(píng)價(jià)研究：基于高職的實(shí)踐討論[J].中國職業(yè)技術(shù)教育，2018（21）：72-79.

[2]雷重熹，周士敏.高職院校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育：現(xiàn)實(shí)困境與實(shí)施對(duì)策：以河北省為例[J].中國職業(yè)技術(shù)教育，2019（8）：84-89.

[3]黃燕鈞，段家現(xiàn).工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)：基于機(jī)械專業(yè)基礎(chǔ)課程改革的研究和實(shí)踐[J].教育教學(xué)論壇，2019（16）：151-152.

[4]林彤，金濯，任玲.基于探索者機(jī)電創(chuàng)新平臺(tái)的全地形車研制[J].中國教育技術(shù)裝備，2016（22）：41-44，51.