基于探索者创新平台的机械创新设计教学改革

    朱艳 柳亚输 于雯

    

    

    

    摘? 要 创新的关键是人才，对创新人才的培养是新经济引擎的能源。本次教学设计内容是基于信息化环境，以学生为主体，通过线上与线下相结合、虚拟三维造型与实物拼装相结合、翻转课堂与传统课堂相结合，构建“排爆机器人创新项目”课程的混合式教学模式。同时，通过课堂教学、实验教学及第二课堂相结合的理实一体化教学模式，着力培养学生的创新意识和创新思维能力，开拓创新思路，提高创造力。

    关键词 机械创新设计;探索者创新平台;教学改革;排爆机器人创新项目;教学设计;Arduino

    中图分类号：G712? ? 文献标识码：B

    文章编号：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

    面对当下国家经济下行压力、制造业所面临的升级困境以及发达国家新兴制造业的国际挑戰，我国亟待实施一定的创新改革措施，全面覆盖经济产业上下游环境，突破当下人才及创新上的困境[1]。基于创新及人才改革的突出问题，国家总理李克强于2014年9月在夏季达沃斯论坛上提出在960万平方公里土地上掀起“草根创业”“大众创业”的新浪潮，形成“人人创新”“万众创业”的新势态。近几年来，“创新创业”一词被高频次地提及和高关注度地曝光，建设创新型国家是我国的重大战略决策，提高自主创新能力，建设创新型国家，是国家发展战略的核心，是提高综合国力的关键。刘延东同志在“深入推进高校创新创业教育改革座谈会”上强调，人是创新最关键的因素，创新驱动是人才驱动。本文基于机器时代科技有限公司研发的探索者教育机器人平台（以下简称“探索者”），探索以创新能力培养为导向的机械创新设计课程教学改革。

    2 机械创新设计课程介绍

    机械创新设计课程是机械工程类专业的一门专业拓展课。在传统教学方法中，课堂讲授着重机械创新设计的基本思维及基本原理技法，大量分析已有案例，学生基本能够掌握已有案例中的机械原理方案设计、机构设计、结构设计、机电一体化设计等;但是结合工程实际，学生的创新能力和动手能力没有提高，综合设计分析问题和解决问题的能力也比较差[2]。在当下国家产业发展规划背景下，传统课堂教学已经难以满足创新人才政策的培养需求，因此，对机械创新设计课程进行探索和改革势在必行[3]。“探索者”的出现，给机械创新设计教学改革提供了很好的硬件基础[4]。

    3 “探索者”平台介绍

    “探索者”平台是由机器时代科技有限公司结合机械、电子、传感器、计算机软硬件、控制、人工智能和造型技术等众多的先进技术研发的教育机器人平台。“探索者”平台拥有完善的教学体系和开放度极高的系统，最大特点是能够很好地兼容市面上常见的各种机械零件、电子部件以及目前世界上最通用的创客平台。该平台包括硬件系统和软件系统，主要零件采用铝镁合金材质，零件上开有通孔，用不锈钢螺丝螺母组装。软件系统是采用目前世界上最流行的开源硬件开发平台Arduino，可以同时基于C语言以及图形化编程Ardublock界面进行编程。同时，主控板Brasra是基于Arduino开源方案设计的一款开发板，入门简单易学。

    4 基于“探索者”平台教学设计思路

    本课程根据学生已经具备的机械设计基础知识体系，借助“探索者”平台，依据构思、设计、实现、运作一体化理念，结合工程实际、趣味竞赛等信息进行项目化教学设计，促进专业链与创新链、课程内容与职业标准、教学过程与实践环节深度融合。如图1所示，项目内容由基础项目和综合创新项目两部分组成：基础项目主要包括基础机构、底盘类机构、抓取与收集装置、机械臂设计、仿生类机构五大类，每一类有对应的综合创新项目;综合创新项目是基于五类基本项目完成之后才可以进行创新设计。整体学习任务由易到难、由局部到整体来完成。下面以排爆机器人创新项目作为典型项目，分解教学设计过程。

    5 排爆机器人创新项目教学设计

    教学设计理念? 本次教学设计内容是基于信息化环境，以学生为主体，通过线上、线下相结合、虚拟三维造型与实物拼装相结合，翻转课堂与传统课堂相结合，构建“排爆机器人创新项目”课程的混合式教学模式。同时，通过课堂教学、实验教学及第二课堂相结合的理实一体化教学模式，着力培养学生的创新意识和创新思维能力，开拓创新思路，提高创造力。

    教学目标

    知识目标：掌握利用机构组合理念进行创新设计的基本概念及原理。

    能力目标：能够基于探索者创新平台进行排爆机器人创新设计。

    情感与态度目标：培养学生的学习兴趣，形成利用基于信息技术的个性化学习系统自学的能力、分析和解决实际问题的能力;培养学生的创新意识和创新思维，开拓创新思路，提高创造力;培养学生对专业的认知度和认可度;培养学生的团队意识、协作精神。

    教学内容

    1）课前自学。课前，学生通过“学习通”查看课程网络平台关于本次教学的所有任务单：①机构组合基本知识自我消化吸收，完成网络自测题;②利用学校图书馆以及知网等学术网站查阅排爆机器人相关资料，撰写一份技术调查报告上传至网络平台。学生利用网络课程平台中的微课、PPT、动画等资料以及学校图书馆（包括网络图书馆）进行学习。

    2）课堂教学。

    ①观看搜狐网站有关我国首创双臂排爆机器人KV150的报道，向学生展示KV150排爆机器人的功能及结构并展开讨论：按照排爆机器人的基本机构，有哪些不同类型的排爆机器人？同时，教师通过Pro/E软件自制部分排爆机器人机构，供学生观摩学习。

    ②学生通过学习教师提供的Pro/E典型排爆机器人机构案例，丰富自己创新空间，同时基于虚拟现实平台进行排爆机器人机构创新设计。如图2所示，学生根据自己的构思，基于机构组合创新理论知识，通过不同的底盘、不同自由度的机械臂设计来进行创新设计。为了验证虚拟现实（VR）创新设计的可行性，接下来基于“探索者”平台进行硬件实物拼接并调试。

    ③学生根据VR创新设计模型，基于“探索者”平台进行硬件实物拼接，教师现场答疑拼接过程中所遇到的问题，如图3所示。同时，教师辅导学生利用Arduino图形化编程软件，对排爆机器人进行动作编程及调试，如图4所示。通过不断地调试手臂运动角度、时间、位置等参数，达到预定的目标，如图5所示。

    ④每组学生代表演示其作品的排爆动作，同时展示机构设计思路，教师根据学生演示汇报情况对作品进行打分，如图6所示。

    第一组学生汇报的是3自由度万向车排爆机器人，采用轮式行走机构，采用三个舵机控制实现机械臂的运动;同时，机械手爪采用齿轮连杆机构串联到机械臂中，实现排爆动作。

    第二组学生汇报的是2自由度万向车排爆机器人，同样采用轮式行走机构，机械手爪机构较灵活，但需要课后进一步完善功能。

    第三组汇报的是1自由度履带排爆机器人，采用履带式行走机构，支承面积大，爬坡能力强;但是1自由度机械手爪只能抓取固定高度物体，后期需要进一步改进其抓取物体范围。

    3）考核评价。课堂评价主要通过学习态度（课堂出勤、课前任务完成情况、课堂回答问题）、理论水平（课堂提问、随堂测试、课堂讨论）、创新能力（排爆机器人虚拟现实组合机构设计、“探索者”平台硬件拼接）三大指标，结合小组自评互评、课前网络测试、课中随堂测试、课中讨论等，建立本次教学的多维度考核评价体系（如图7所示），全面系统反映学生对知识掌握情况。

    4）课后拓展。通过本次课学习内容，鼓励学生利用第二课堂，要求各小组完善排爆机器人机构并上传课程平台，要求学生分组基于本次课理论知识以及实践经验设计多足机器人（4足、6足、8足），同时作为本课程的创新能力成绩列入学生的综合成绩中。同时，基于第二课堂的开展，拓宽了学生视野，选拔了一批创新拔尖人才，在各类创新大赛（全国机械创新设计大赛省级、“互联网+”大學生创新创业大赛、全国高职发明杯创新创业大赛等）中屡屡获奖。

    5）教学反思。首先，采用多种信息化手段，既激发了学生的学习兴趣，又提高了学生自主探究的能力，提高了教学质量;其次，通过课前、课中、课后系统设计，采用构思—设计—实现—运作的CDIO教学模式，培养了学生的创新意识及思维能力;再次，采用教学全过程化考核，创建多维考核评价体系，全面反映学生的学习情况，使考核评价更科学;最后，结合第二课堂，通过社团活动及各类创新大赛来提高学生的学习能力，体现了创新型人才培养模式。教学实践表明，基于“探索者”创新平台的机械创新设计教学改革对机械工程类专业教学的开展尤其适用，特别是对于小课时、广知识面的课程。■

    参考文献

    [1]袁泉，文智强.核心素养视域下创新创业人才质量评价研究：基于高职的实践讨论[J].中国职业技术教育，2018（21）：72-79.

    [2]雷重熹，周士敏.高职院校创新创业教育：现实困境与实施对策：以河北省为例[J].中国职业技术教育，2019（8）：84-89.

    [3]黄燕钧，段家现.工程实践能力和创新能力的培养：基于机械专业基础课程改革的研究和实践[J].教育教学论坛，2019（16）：151-152.

    [4]林彤，金濯，任玲.基于探索者机电创新平台的全地形车研制[J].中国教育技术装备，2016（22）：41-44，51.