基于課賽融合的機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)課程改革研究

丁 力 葉 霞 黃 明 單文桃 巢 淵

江蘇理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院 江蘇常州 213001

機(jī)器人技術(shù)是國家安全和國計(jì)民生的重要保障,也是衡量各國綜合實(shí)力的核心指標(biāo)之一。我國《“十四五”機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》和《國家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃》都將發(fā)展機(jī)器人技術(shù)列為國家級(jí)戰(zhàn)略計(jì)劃[1-2]。作為新工科專業(yè),機(jī)器人工程專業(yè)旨在為國家培養(yǎng)能在機(jī)器人工程領(lǐng)域從事機(jī)器人設(shè)計(jì)開發(fā)、系統(tǒng)集成、檢測(cè)與控制、部署與應(yīng)用、運(yùn)行管理等方面工作的應(yīng)用型工程技術(shù)人才。然而,機(jī)器人工程專業(yè)具有較強(qiáng)的學(xué)科交叉特點(diǎn),融合了機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)、控制等領(lǐng)域的知識(shí),課程設(shè)置需要進(jìn)行創(chuàng)新探索,以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

課賽融合是將學(xué)科競(jìng)賽融入課程教學(xué)中的一種行之有效的教學(xué)模式。它能夠有效地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,提高學(xué)生的實(shí)踐能力和綜合素質(zhì),為學(xué)生的終身發(fā)展打下基礎(chǔ)[3]。同時(shí),它也能夠促進(jìn)課程教學(xué)和實(shí)踐能力的有機(jī)結(jié)合,增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)際操作能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力,培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力,以便更好地適應(yīng)未來社會(huì)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(guān)注與認(rèn)可,例如青島工學(xué)院[4]、邵陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院[5]、湖南工商大學(xué)[6]等均對(duì)課賽融合模式進(jìn)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(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和教學(xué)能力,以便能夠設(shè)計(jì)出有效結(jié)合課程與比賽的教學(xué)內(nèi)容。其次,需要統(tǒng)籌協(xié)調(diào)各方面資源,包括教學(xué)設(shè)施、比賽資訊、教材等,以確保教學(xué)質(zhì)量[7-8]。同時(shí),也需要學(xué)生積極參與,發(fā)揮出比賽的積極作用。以江蘇理工學(xué)院機(jī)器人工程專業(yè)為例,詳細(xì)闡述將課賽融合模式引入專業(yè)核心課程“機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)”教學(xué)的教學(xué)改革思路,以便更好地培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。

1 當(dāng)前課程教學(xué)存在問題

作為機(jī)器人工程專業(yè)的專業(yè)核心課程,“機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)”的教學(xué)內(nèi)容涵蓋了機(jī)器人數(shù)學(xué)基礎(chǔ)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)及軌跡規(guī)劃,是屬于綜合性較強(qiáng)的一門課程。當(dāng)前,“機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)”教學(xué)存在的問題主要包括以下三個(gè)方面[9-10]。

(1)課程教學(xué)模式陳舊。當(dāng)前,我校機(jī)器人工程系的“機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)”教學(xué)方式以教師講授PPT、學(xué)生被動(dòng)接受知識(shí)為主,忽視了學(xué)生創(chuàng)新能力、思辨能力的培養(yǎng)。再者,教學(xué)內(nèi)容也過于單一化和機(jī)械化,難以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與學(xué)習(xí)動(dòng)力,最終導(dǎo)致課程知識(shí)點(diǎn)掌握得不夠扎實(shí)。

(2)理論與實(shí)際存在脫節(jié)現(xiàn)象。“機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)”課程教學(xué)共有32個(gè)學(xué)時(shí),并且都是理論教學(xué),缺少實(shí)踐性環(huán)節(jié),這可能會(huì)導(dǎo)致學(xué)生不清楚如何將理論知識(shí)運(yùn)用到實(shí)踐中去。再者,由于我校機(jī)器人工程專業(yè)為新建專業(yè),教學(xué)配套實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地、實(shí)驗(yàn)教學(xué)教師配置仍不健全,無法開展適合“機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)”課程教學(xué)的實(shí)驗(yàn),故導(dǎo)致理論與實(shí)踐存在脫節(jié)現(xiàn)象。

(3)課程考核方式相對(duì)單一。根據(jù)工程教育認(rèn)證理論,“機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)”課程考核只包括期末考試和過程考核兩種方式,形式相對(duì)單一。學(xué)生的過程表現(xiàn)和學(xué)習(xí)能力只能在特性范疇下得到評(píng)價(jià),而不能全面展現(xiàn)自己的實(shí)力。同樣,教師也只能按照固定標(biāo)準(zhǔn)來考核學(xué)生,忽視了學(xué)生的個(gè)性,無法做到因人施教。最終可能會(huì)導(dǎo)致教學(xué)效果和課程目標(biāo)存在偏差。

根據(jù)上述問題剖析,如何豐富我校機(jī)器人工程系的“機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)”課程的教學(xué)內(nèi)容,激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣,提高課程教學(xué)質(zhì)量,具有一定的迫切性和重要性。因此,亟須對(duì)該課程進(jìn)行教學(xué)改革,將競(jìng)賽融入進(jìn)教學(xué),以理論與實(shí)踐相結(jié)合方式培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力。

2 課賽融合的教學(xué)優(yōu)點(diǎn)

在“機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)”教學(xué)過程中融入學(xué)科競(jìng)賽元素,具有以下五方面優(yōu)點(diǎn):

(1)激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和動(dòng)力。學(xué)科競(jìng)賽可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)機(jī)器人技術(shù)的興趣和積極性,使學(xué)生更為主動(dòng)地參與學(xué)習(xí)。同時(shí),學(xué)科競(jìng)賽還可以提高學(xué)生的自信心和自尊心,促使學(xué)生積極進(jìn)取。

(2)增強(qiáng)學(xué)生的能力和技能。學(xué)科競(jìng)賽一般涉及比賽策略、解題技巧、專業(yè)知識(shí)等方面的能力和技能。通過參與機(jī)器人類學(xué)科競(jìng)賽,學(xué)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(xué)生的團(tuán)隊(duì)精神和合作意識(shí)。學(xué)科競(jìng)賽要求學(xué)生進(jìn)行團(tuán)隊(duì)合作,通過共同協(xié)作完成任務(wù)。這有助于培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)精神和合作意識(shí),增強(qiáng)學(xué)生的集體榮譽(yù)感和責(zé)任感。

(4)提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和思維能力。學(xué)科競(jìng)賽需要學(xué)生創(chuàng)新性地思考和解決問題。通過參與競(jìng)賽活動(dòng),學(xué)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(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)造力。

(5)促進(jìn)教學(xué)改革和教學(xué)質(zhì)量提升。課賽融合可以促進(jìn)教學(xué)改革,使教學(xué)更加注重學(xué)生的實(shí)際需求和興趣愛好,提高教學(xué)質(zhì)量和教育效果。同時(shí),通過學(xué)科競(jìng)賽的評(píng)估和反饋,教師可以更加全面地了解學(xué)生的學(xué)習(xí)情況和問題,及時(shí)進(jìn)行調(diào)整和改進(jìn)教學(xué)內(nèi)容和方法。

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

(1)強(qiáng)調(diào)實(shí)踐與創(chuàng)新。學(xué)科競(jìng)賽本身就具有一定的實(shí)踐創(chuàng)新屬性,將其融入專業(yè)課程教學(xué)中,能夠培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際操作能力和創(chuàng)新思維能力。

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

(3)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的教學(xué)評(píng)估。隨著教育大數(shù)據(jù)的普及,越來越多的學(xué)校和機(jī)構(gòu)開始使用數(shù)據(jù)來評(píng)估學(xué)生的學(xué)習(xí)效果和教學(xué)質(zhì)量。這種數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的教學(xué)評(píng)估方式可以更加客觀地評(píng)估課賽融合教學(xué)的效果,進(jìn)一步推動(dòng)其發(fā)展。

綜上所述,課賽融合教學(xué)模式將成為未來教育的一種重要趨勢(shì),將其運(yùn)用于“機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)”教學(xué)中,可有效培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力。

3 課賽融合教學(xué)方案實(shí)施

以第九屆江蘇省大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽暨第十屆全國大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽為例,詳細(xì)闡述下科賽融合教學(xué)方案實(shí)施過程。該屆大賽以“自然—和諧”為主題,旨在設(shè)計(jì)一款能夠模仿自然界動(dòng)物運(yùn)動(dòng)形態(tài)、功能特點(diǎn)的機(jī)械產(chǎn)品。

根據(jù)“機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)”講解的機(jī)械設(shè)計(jì)方面知識(shí),引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)了一款帶有二自由度繩驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂的旋翼飛行機(jī)器人,模擬蜻蜓點(diǎn)水的運(yùn)動(dòng)過程。該機(jī)器人主要由四旋翼飛行器、二自由度的繩驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂和吊艙組成。四旋翼飛行器上配備了飛行控制器、電機(jī)、槳葉和電調(diào)等航空電子設(shè)備,而吊艙則用于放置鋰電池、水泵、水箱和驅(qū)動(dòng)電機(jī)。該旋翼飛行機(jī)器人屬于串聯(lián)型機(jī)械臂,極其形象地模擬了蜻蜓形態(tài)。

本設(shè)計(jì)采用繩驅(qū)動(dòng)技術(shù)設(shè)計(jì)了機(jī)械臂,該設(shè)計(jì)將直流減速電機(jī)放置在基座處,下方電機(jī)通過驅(qū)動(dòng)輪上纏繞的兩根繩索拉動(dòng)大臂關(guān)節(jié)1正反轉(zhuǎn),上方電機(jī)則通過主動(dòng)輪、導(dǎo)向輪和張緊輪將力矩傳遞到小臂關(guān)節(jié)2處,從而實(shí)現(xiàn)末端執(zhí)行器的汲水運(yùn)動(dòng)。如此設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是大大減輕了機(jī)械臂慣量比,同時(shí)將機(jī)械臂質(zhì)量集中至基座處,也減小了機(jī)械臂對(duì)旋翼飛行器的擾動(dòng),利于飛行器的控制。進(jìn)而,利用機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)中運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)知識(shí)建立旋翼飛行機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型和動(dòng)力學(xué)模型。

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

五位學(xué)生憑借此設(shè)計(jì)作品獲得了江蘇賽區(qū)三等獎(jiǎng)的佳績(jī)。進(jìn)一步地,為了將學(xué)科競(jìng)賽的案例引入“機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)”教學(xué)中,這五位學(xué)生將比賽要求、樣機(jī)圖片、調(diào)試視頻、程序代碼及技術(shù)文檔上傳至所建立的云機(jī)器人平臺(tái),供其他學(xué)生學(xué)習(xí)。這里需要補(bǔ)充的是,江蘇理工學(xué)院機(jī)器人工程專業(yè)建立的云機(jī)器人平臺(tái)可服務(wù)于多門專業(yè)基礎(chǔ)課、專業(yè)核心課及集中實(shí)踐性環(huán)節(jié),任課教師可利用該平臺(tái)上傳與授課內(nèi)容相關(guān)的視頻、文檔等材料至云端。例如,將中國機(jī)器人大賽案例上傳并開放給所有學(xué)生,在傳授機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)之前,可安排學(xué)生先行自學(xué)云機(jī)器人平臺(tái)的內(nèi)容。進(jìn)而,教師在授課過程中以學(xué)科競(jìng)賽實(shí)例為對(duì)象,傳授求解機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、軌跡規(guī)劃及仿真模擬的知識(shí),提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,夯實(shí)學(xué)生的理論基礎(chǔ),提高學(xué)生的理論水平。學(xué)生也能將本門課的技術(shù)知識(shí)運(yùn)用到機(jī)器人大類的學(xué)科競(jìng)賽中,做到理論與實(shí)踐相結(jié)合,知行合一。

面向課賽融合的“機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)”課程改革已在2020級(jí)機(jī)器人中進(jìn)行了初步嘗試。從課程伊始,安排學(xué)生利用課后時(shí)間到云機(jī)器人平臺(tái)上(中國大學(xué)慕課)自行學(xué)習(xí)學(xué)科競(jìng)賽案例,了解機(jī)器人的設(shè)計(jì)、構(gòu)造、運(yùn)動(dòng)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(jī)器人為例講解專業(yè)核心知識(shí),進(jìn)一步加深學(xué)生對(duì)專業(yè)知識(shí)的學(xué)習(xí),以賽促學(xué),提高課程教學(xué)質(zhì)量。根據(jù)工程教學(xué)認(rèn)證的要求,機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)包括三個(gè)課程目標(biāo),課賽融合指標(biāo)計(jì)入課程目標(biāo)3中。

4 課賽融合評(píng)價(jià)機(jī)制建立

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

(1)明確評(píng)價(jià)目標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)。需要確定融合評(píng)價(jià)的目標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn),明確課堂教學(xué)和比賽的評(píng)價(jià)內(nèi)容和權(quán)重。

(2)課程與競(jìng)賽的銜接。要設(shè)計(jì)合適的教學(xué)活動(dòng),將課程內(nèi)容與比賽任務(wù)有機(jī)地結(jié)合起來,使比賽成為課程教學(xué)的延伸和拓展,同時(shí)也要確保比賽任務(wù)能夠達(dá)到課程的教學(xué)目標(biāo)。

(3)教師和評(píng)委的配合。需要教師多參加學(xué)科競(jìng)賽的研討會(huì),根據(jù)比賽組委會(huì)的技術(shù)要求及時(shí)修改課賽融合的教學(xué)內(nèi)容和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),確保評(píng)價(jià)的客觀性和公正性。

(4)學(xué)生的參與和反饋。要讓學(xué)生參與評(píng)價(jià)機(jī)制的制定和實(shí)施,讓他們理解評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和目的,自我反思和評(píng)價(jià)自己的學(xué)習(xí)和比賽表現(xiàn),同時(shí)也要及時(shí)給予學(xué)生評(píng)價(jià)反饋和建議,幫助他們提高自身能力和競(jìng)爭(zhēng)力。

(5)評(píng)價(jià)方式和工具。要選擇合適的評(píng)價(jià)方式和工具,如自評(píng)、互評(píng)、教師評(píng)價(jià)等,結(jié)合現(xiàn)代技術(shù)手段,如網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)、視頻回放、數(shù)據(jù)分析等,全面、多角度地評(píng)價(jià)學(xué)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(píng)價(jià)機(jī)制,既能夠促進(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)和競(jìng)爭(zhēng)意識(shí),又能夠提高教師的教學(xué)效果和評(píng)價(jià)能力。

結(jié)語

本文旨在探究面向課賽融合的“機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)”課程改革,以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效果和競(jìng)爭(zhēng)力。在研究中,我們通過文獻(xiàn)綜述、問題分析、案例研究等方法,深入分析了目前機(jī)器人工程專業(yè)課程教學(xué)中存在的問題和不足,提出了面向課賽融合的教學(xué)模式和評(píng)價(jià)機(jī)制,以及相應(yīng)的教學(xué)策略和方法。研究結(jié)果表明,課賽融合教學(xué)模式能夠?qū)⒄n程教學(xué)和比賽任務(wù)有機(jī)地結(jié)合起來,使學(xué)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(shí)也能夠提高學(xué)生的競(jìng)爭(zhēng)意識(shí)和實(shí)踐能力。評(píng)價(jià)機(jī)制則能夠促進(jìn)學(xué)生自我反思和評(píng)價(jià),提高他們的學(xué)習(xí)動(dòng)力和自我管理能力,同時(shí)也能夠幫助教師更好地掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)情況和表現(xiàn)。研究成果可以為機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)課程的改革和實(shí)踐提供借鑒和參考,同時(shí)也能夠促進(jìn)教育教學(xué)改革的探索和推進(jìn)。