機(jī)器人項(xiàng)目應(yīng)用于中職機(jī)械基礎(chǔ)教學(xué)的探索

◆項(xiàng)飛燕

機(jī)械基礎(chǔ)是中職機(jī)電專業(yè)學(xué)生的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，為專業(yè)技術(shù)課和實(shí)訓(xùn)課服務(wù)，也是學(xué)生職業(yè)發(fā)展和繼續(xù)教育不可或缺的基礎(chǔ)。本課程理論性強(qiáng)，內(nèi)容多，難以實(shí)施切實(shí)有效的創(chuàng)新教學(xué)，教學(xué)主要采用教師中心教學(xué)法，效果難以理想。以“素質(zhì)為本、技能為準(zhǔn)、品德為尚、拓展為強(qiáng)”為主旨，把機(jī)器人項(xiàng)目引進(jìn)機(jī)械基礎(chǔ)教學(xué)中，以探索創(chuàng)新教學(xué)。

1 傳播CDIO的先進(jìn)理念

1.1 什么是CDIO

麻省理工、瑞典皇家工學(xué)院等大學(xué)得到某基金的資助，探索研究創(chuàng)立了CDIO工程教育理念，并于2004年成立了CDIO組織。我國已有多所大學(xué)加入該組織，如清華大學(xué)工業(yè)工程系，筆者就是在清華國培期間接觸了CDIO。CDIO代表構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計(jì)（Design）、實(shí)現(xiàn)（Implement）、運(yùn)作（Operate）。CDIO的理念不僅繼承和發(fā)展了歐美20多年來工程教育大改革的理念，更重要的是還提出了系統(tǒng)的能力培養(yǎng)、全面的實(shí)施指引（包括培養(yǎng)計(jì)劃、教學(xué)方法、學(xué)生考核以及學(xué)習(xí)構(gòu)架）以及實(shí)施檢驗(yàn)的12條標(biāo)準(zhǔn)。CDIO培養(yǎng)大綱將工程畢業(yè)生的能力分為工程基礎(chǔ)知識(shí)、個(gè)人能力、人際團(tuán)隊(duì)能力和工程系統(tǒng)能力4個(gè)層面，要求以綜合的培養(yǎng)方式使學(xué)生在這四個(gè)層面達(dá)到預(yù)定的目標(biāo)。

1.2 中職應(yīng)該學(xué)習(xí)CDIO工程教育理念和教育模式

CDIO主要針對(duì)培養(yǎng)有專業(yè)技能、有社會(huì)意識(shí)和有企業(yè)家敏銳性的工程師，遠(yuǎn)高于中職的培養(yǎng)目標(biāo)，不過其中很多理念與模式也適合中職：1）強(qiáng)調(diào)“做中學(xué)”，在實(shí)踐中學(xué)習(xí)；2）要求集成化教學(xué)使學(xué)生獲得專業(yè)知識(shí)，同時(shí)培養(yǎng)個(gè)人自身能力、團(tuán)隊(duì)合作能力及建造產(chǎn)品和系統(tǒng)的能力；3）要求建立和發(fā)展課程之間的關(guān)聯(lián)，使專業(yè)目標(biāo)得到多門課程的共同支持。另外，隨著技能人才繼續(xù)教育的改革（如現(xiàn)在高職的對(duì)口招生），越來越多的中職畢業(yè)生會(huì)經(jīng)過繼續(xù)教育或持續(xù)發(fā)展而加入到工程師隊(duì)伍，因此，中職也需要有中職特色的CDIO。

2 機(jī)器人項(xiàng)目教學(xué)過程的實(shí)施

嘗試集成化綜合教學(xué)，學(xué)生在項(xiàng)目訓(xùn)練中要進(jìn)行產(chǎn)品的分析、設(shè)計(jì)以及考慮設(shè)計(jì)者的社會(huì)責(zé)任。同時(shí)加強(qiáng)課程間關(guān)聯(lián)，機(jī)械基礎(chǔ)聯(lián)合機(jī)械制圖、車工、鉗工等實(shí)施本項(xiàng)目，在一年級(jí)第二學(xué)期末時(shí)開展，作為這幾門課的大作業(yè)或者實(shí)操考試，也可作為學(xué)生的工程拓展訓(xùn)練。本校一年級(jí)學(xué)生，每學(xué)期有6周左右的實(shí)訓(xùn)（普車和鉗工），能進(jìn)行簡單加工和修配，而且有計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)，能上網(wǎng)搜索和自學(xué)新軟件的簡單操作。本項(xiàng)目以學(xué)生為中心，主要采用基于工程項(xiàng)目的項(xiàng)目教學(xué)法，同時(shí)采用角色扮演法、頭腦風(fēng)暴法等教學(xué)法。

2.1 按照項(xiàng)目教學(xué)法的流程開展教學(xué)

1）分組。本項(xiàng)目以團(tuán)隊(duì)拓展式進(jìn)行，把學(xué)生分成若干小組，每組約10人；教師定出任務(wù)和進(jìn)度，不告訴學(xué)生答案，學(xué)生可以犯錯(cuò)后換個(gè)方案重新開始；各組力求創(chuàng)新設(shè)計(jì)，杜絕抄襲。

2）項(xiàng)目任務(wù)要求。①提供有限標(biāo)準(zhǔn)件，其他所需構(gòu)件尋求實(shí)訓(xùn)中心加工，設(shè)計(jì)制造機(jī)器人，通過安裝Android2.3操作系統(tǒng)的手機(jī)完成遙控，分別完成直行、上坡、下臺(tái)階、轉(zhuǎn)彎、排爆及攜彈至排爆點(diǎn)這一系列動(dòng)作；②畫出機(jī)器人裝配圖和零件圖；③撰寫項(xiàng)目開發(fā)報(bào)告、技術(shù)報(bào)告和團(tuán)隊(duì)建設(shè)報(bào)告共三份報(bào)告。實(shí)驗(yàn)室提供的標(biāo)準(zhǔn)件有手機(jī)、直流電機(jī)、舵機(jī)、電池、光軸、電控部分以及各種軸承和螺釘?shù)?。本?xiàng)目專用件，學(xué)生能加工的自己加工，如車輪、支架、車身板等；不能加工的尋求實(shí)訓(xùn)中心教師安排加工，如齒輪、齒條等。

3）項(xiàng)目實(shí)施。每組根據(jù)規(guī)定的項(xiàng)目進(jìn)度安排，有計(jì)劃、有分工地去實(shí)施。在實(shí)施過程中，定時(shí)全班匯報(bào)，各組展示階段成果，比如思維導(dǎo)圖、機(jī)器人草圖等。經(jīng)過匯報(bào)，各組有分享也有對(duì)比，可以激發(fā)各組之間的文明競爭：快、好、新穎。

項(xiàng)目實(shí)施進(jìn)度可以分下面幾步。①團(tuán)隊(duì)建設(shè)：名稱，口號(hào)，宣傳畫制作，團(tuán)隊(duì)分工。②構(gòu)思：頭腦風(fēng)暴，得出思維導(dǎo)圖，主要涉及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、功能動(dòng)作分析等方面，控制電路設(shè)計(jì)不做要求。③設(shè)計(jì)：確定方案，畫圖，定出材料。④制作、調(diào)試：領(lǐng)料，下料，零件制作，局部調(diào)試，改進(jìn)，整機(jī)組裝與調(diào)試。⑤調(diào)試、比賽，匯報(bào)、答辯。

4）過程控制。每組配一個(gè)教練（帶隊(duì)教師），全班一個(gè)總教練掌控全局。每組教練利用Q群或交流軟件，跟蹤好學(xué)生的任務(wù)進(jìn)展及心理變化，適時(shí)鼓舞士氣。教練不參與解決任務(wù)問題，不評(píng)論方案優(yōu)劣，引導(dǎo)學(xué)生積極參與、獨(dú)立解決問題。教練引導(dǎo)學(xué)生自由構(gòu)思，設(shè)計(jì)時(shí)要嚴(yán)謹(jǐn)，對(duì)所有方案進(jìn)行對(duì)比、分析，挑出最優(yōu)的設(shè)計(jì)，同時(shí)各組之間要避免完全雷同。學(xué)生考慮問題難免不周全，允許學(xué)生犯錯(cuò)，在制作運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)并改正。

如機(jī)械手的傳動(dòng)方案，有螺旋傳動(dòng)、曲柄滑塊機(jī)構(gòu)、齒輪齒條傳動(dòng)等，選用哪一種？教練引導(dǎo)學(xué)生從加工、控制、移動(dòng)速度等方面來選擇。①螺旋傳動(dòng)，考慮到重量問題，螺桿直徑受限制，比如選Tr12×3的梯形傳動(dòng)螺紋，一個(gè)加工成問題，還有速度——螺距小速度慢。②曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，加工容易且有快回特性，快回用不到，曲柄轉(zhuǎn)一圈，滑塊上下一個(gè)往返，機(jī)械手移動(dòng)控制難。③齒輪齒條機(jī)構(gòu)，這是比較合理的傳動(dòng)，容易控制，加工用線切割較容易。學(xué)生不一定能考慮到這些問題，如有的小組機(jī)械手選用螺旋傳動(dòng)，加工好連上電機(jī)一試太慢，不得不放棄；其他組都采用齒輪齒條傳動(dòng)，為另辟蹊徑，選用舵機(jī)帶動(dòng)機(jī)械手轉(zhuǎn)動(dòng)。

5）評(píng)估。以小組參賽形式評(píng)比，機(jī)器人結(jié)構(gòu)工藝和排爆實(shí)操競賽成績、三個(gè)報(bào)告成績、圖紙平均成績、匯報(bào)答辯成績等成績按比例來計(jì)算，以決出名次。教練要提醒學(xué)生自評(píng)：名次不是最重要的，重要的是掌握知識(shí)、提高各種能力。

2.2 分析構(gòu)思采用頭腦風(fēng)暴法，百花齊放，自由飛翔

本項(xiàng)目的構(gòu)思任務(wù)，頭腦風(fēng)暴是最佳的選擇。首先，教練宣布紀(jì)律：暢所欲言，禁止評(píng)價(jià)。學(xué)生擺好心態(tài)，輕松上陣，通過橫向思維、突破思維，得出機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和功能動(dòng)作方面盡可能多的構(gòu)思。如機(jī)器人機(jī)械手抓舉炸彈的過程，其運(yùn)動(dòng)有多種形式，如轉(zhuǎn)動(dòng)、移動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)加移動(dòng)等?，F(xiàn)以前兩種運(yùn)動(dòng)形式為例，展示頭腦風(fēng)暴的效果。

1）機(jī)械手轉(zhuǎn)動(dòng)。首先，動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，可以采用舵機(jī)直接驅(qū)動(dòng)或電機(jī)驅(qū)動(dòng)。舵機(jī)驅(qū)動(dòng)，選用180°、90°還是其他角度的舵機(jī)，有待設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)根據(jù)機(jī)械手裝配高度、運(yùn)動(dòng)極限位置進(jìn)行估算得出。電機(jī)驅(qū)動(dòng)，一般要配減速系統(tǒng)，可采用齒輪傳動(dòng)、帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)等。然后選擇機(jī)械手轉(zhuǎn)動(dòng)的中心軸：X軸、Y軸、Z軸。

2）機(jī)械手移動(dòng)。從電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)到機(jī)械手的移動(dòng)，可采用的機(jī)構(gòu)或傳動(dòng)有螺旋傳動(dòng)、曲柄滑塊機(jī)構(gòu)、齒輪齒條傳動(dòng)等。

2.3 采用角色扮演法，起到良好的德育效果

為增加趣味性，也為了培養(yǎng)學(xué)生的愛國主義精神、社會(huì)責(zé)任感及團(tuán)隊(duì)意識(shí)，小組在實(shí)施項(xiàng)目過程中扮演一定的角色，角色設(shè)置由學(xué)生自己完成，與隊(duì)名、隊(duì)徽、宣傳畫、分工及相對(duì)應(yīng)的團(tuán)隊(duì)管理建設(shè)一致。如扮演成現(xiàn)代科技武裝的和平衛(wèi)士小分隊(duì)：世界尚未和平，恐怖組織潛伏，伺機(jī)而動(dòng)，人民的生命受到威脅，炸彈必須馬上清除，上坡陡峭，下坡兇險(xiǎn)，隧道黑暗，城市森林馬路十八彎，養(yǎng)兵千日用兵一時(shí)，出發(fā)吧，駕馭我們開發(fā)制作的機(jī)器人，我們是和平衛(wèi)士！

3 把機(jī)器人項(xiàng)目引進(jìn)機(jī)械基礎(chǔ)教學(xué)的意義

3.1 學(xué)生掌握專業(yè)知識(shí)和專業(yè)技能

本項(xiàng)目增加了學(xué)生學(xué)習(xí)的趣味性，提升付出努力后的成就感。同時(shí)理論聯(lián)系實(shí)踐，使學(xué)生牢固掌握機(jī)械基礎(chǔ)的三大塊內(nèi)容：機(jī)械機(jī)構(gòu)、機(jī)械傳動(dòng)、軸系零件。本校用的《機(jī)械基礎(chǔ)》教材有6個(gè)實(shí)訓(xùn)模塊，本校沒安排，內(nèi)容設(shè)置得欠合理，其中減速器裝拆模塊已經(jīng)囊括了其他模塊關(guān)于螺紋、鍵、齒輪、軸承的實(shí)訓(xùn)。學(xué)生參加書中安排的實(shí)訓(xùn)，只是對(duì)連接固定、裝配有所認(rèn)識(shí)，而各種機(jī)構(gòu)和各種傳動(dòng)的運(yùn)動(dòng)沒有得到實(shí)踐，其他方面的素質(zhì)也沒有提高。另外本項(xiàng)目關(guān)聯(lián)其他科目一起實(shí)施教學(xué)，學(xué)生對(duì)機(jī)械制圖、鉗工、車工等知識(shí)技能也有了進(jìn)一步提高，同時(shí)認(rèn)識(shí)到各課程間的關(guān)聯(lián)性。

3.2 提高和鍛煉學(xué)生的關(guān)鍵就業(yè)技能

CDIO工程畢業(yè)生要求達(dá)到4個(gè)層面能力：工程基礎(chǔ)知識(shí)、個(gè)人能力、人際團(tuán)隊(duì)能力和工程系統(tǒng)能力。后面幾層可以算就業(yè)能力，中職學(xué)生除了專業(yè)知識(shí)和專業(yè)技能之外也應(yīng)具有就業(yè)技能（就業(yè)能力）。就業(yè)技能目前沒有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的定義，不難得出各行各業(yè)對(duì)就業(yè)技能的要求都少不了CDIO的三個(gè)核心技能：溝通技能、團(tuán)隊(duì)合作技能、解決問題技能。本項(xiàng)目分組進(jìn)行，全組成員必須團(tuán)結(jié)合作才能完成，期間學(xué)生相互之間必須有效溝通才能合作，而且教師只起引導(dǎo)作用，各項(xiàng)工作學(xué)生必須自主完成，查資料、構(gòu)思、設(shè)計(jì)、加工、裝配，各種軟件使用，能夠培養(yǎng)學(xué)生溝通、團(tuán)隊(duì)合作、解決問題的綜合就業(yè)能力。

3.3 以防雷排爆為主題，培養(yǎng)學(xué)生的愛國主義精神和社會(huì)責(zé)任感

中職學(xué)生成長在和平年代，九年義務(wù)教育，職校免費(fèi)，他們得到太容易，缺乏感恩，缺乏愛國主義精神和社會(huì)責(zé)任感。本著“素質(zhì)為本，品德為尚”，本項(xiàng)目教學(xué)適時(shí)融入德育，培養(yǎng)學(xué)生的愛國主義精神和社會(huì)責(zé)任感。

[1]徐揚(yáng).CDIO工程教育模式與高校工科學(xué)生素質(zhì)教育的探討[EB/OL].http://wenku.baidu.com/view/ab7030f5f61fb 7360b4c65b2.html.

[2]張勍.以學(xué)生為中心:教學(xué)法分析及案例[M].北京:北京出版社,2012.