關(guān)于機器人項目應用于中職機械基礎教學(xué)的探索論文
機械基礎是中職機電專(zhuān)業(yè)學(xué)生的一門(mén)專(zhuān)業(yè)基礎課，為專(zhuān)業(yè)技術(shù)課和實(shí)訓課服務(wù)，也是學(xué)生職業(yè)發(fā)展和繼續教育不可或缺的基礎。本課程理論性強，內容多，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、品德為尚、拓展為強”為主旨，把機器人項目引進(jìn)機械基礎教學(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代表構思(Conceive)、設計(Design)、實(shí)現(Implement)、運作(Operate)。CDIO的理念不僅繼承和發(fā)展了歐美20多年來(lái)工程教育大改革的理念，更重要的是還提出了系統的能力培養、全面的實(shí)施指引(包括培養計劃、教學(xué)方法、學(xué)生考核以及學(xué)習構架)以及實(shí)施檢驗的12條標準。CDIO培養大綱將工程畢業(yè)生的能力分為工程基礎知識、個(gè)人能力、人際團隊能力和工程系統能力4個(gè)層面，要求以綜合的培養方式使學(xué)生在這四個(gè)層面達到預定的目標。
1.2中職應該學(xué)習CDIO工程教育理念和教育模式
CDIO主要針對培養有專(zhuān)業(yè)技能、有社會(huì )意識和有企業(yè)家敏銳性的工程師，遠高于中職的培養目標，不過(guò)其中很多理念與模式也適合中職：1)強調“做中學(xué)”，在實(shí)踐中學(xué)習;2)要求集成化教學(xué)使學(xué)生獲得專(zhuān)業(yè)知識，同時(shí)培養個(gè)人自身能力、團隊合作能力及建造產(chǎn)品和系統的能力;3)要求建立和發(fā)展課程之間的關(guān)聯(lián)，使專(zhuān)業(yè)目標得到多門(mén)課程的共同支持。另外，隨著(zhù)技能人才繼續教育的'改革(如現在高職的對口招生)，越來(lái)越多的中職畢業(yè)生會(huì )經(jīng)過(guò)繼續教育或持續發(fā)展而加入到工程師隊伍，因此，中職也需要有中職特色的CDIO。
2機器人項目教學(xué)過(guò)程的實(shí)施
嘗試集成化綜合教學(xué)，學(xué)生在項目訓練中要進(jìn)行產(chǎn)品的分析、設計以及考慮設計者的社會(huì )責任。同時(shí)加強課程間關(guān)聯(lián)，機械基礎聯(lián)合機械制圖、車(chē)工、鉗工等實(shí)施本項目，在一年級第二學(xué)期末時(shí)開(kāi)展，作為這幾門(mén)課的大作業(yè)或者實(shí)操考試，也可作為學(xué)生的工程拓展訓練。本校一年級學(xué)生，每學(xué)期有6周左右的實(shí)訓(普車(chē)和鉗工)，能進(jìn)行簡(jiǎn)單加工和修配，而且有計算機基礎，能上網(wǎng)搜索和自學(xué)新軟件的簡(jiǎn)單操作。本項目以學(xué)生為中心，主要采用基于工程項目的項目教學(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按照項目教學(xué)法的流程開(kāi)展教學(xué)
1)分組。本項目以團隊拓展式進(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)生可以犯錯后換個(gè)方案重新開(kāi)始;各組力求創(chuàng )新設計，杜絕抄襲。
2)項目任務(wù)要求。①提供有限標準件，其他所需構件尋求實(shí)訓中心加工，設計制造機器人，通過(guò)安裝Android2.3操作系統的手機完成遙控，分別完成直行、上坡、下臺階、轉彎、排爆及攜彈至排爆點(diǎn)這一系列動(dòng)作;②畫(huà)出機器人裝配圖和零件圖;③撰寫(xiě)項目開(kāi)發(fā)報告、技術(shù)報告和團隊建設報告共三份報告。實(shí)驗室提供的標準件有手機、直流電機、舵機、電池、光軸、電控部分以及各種軸承和螺釘等。本項目專(zhuān)用件，學(xué)生能加工的自己加工，如車(chē)輪、支架、車(chē)身板等;不能加工的尋求實(shí)訓中心教師安排加工，如齒輪、齒條等。
3)項目實(shí)施。每組根據規定的項目進(jìn)度安排，有計劃、有分工地去實(shí)施。在實(shí)施過(guò)程中，定時(shí)全班匯報，各組展示階段成果，比如思維導圖、機器人草圖等。經(jīng)過(guò)匯報，各組有分享也有對比，可以激發(fā)各組之間的文明競爭：快、好、新穎。
項目實(shí)施進(jìn)度可以分下面幾步。①團隊建設：名稱(chēng)，口號，宣傳畫(huà)制作，團隊分工。②構思：頭腦風(fēng)暴，得出思維導圖，主要涉及結構設計、功能動(dòng)作分析等方面，控制電路設計不做要求。③設計：確定方案，畫(huà)圖，定出材料。④制作、調試：領(lǐng)料，下料，零件制作，局部調試，改進(jìn)，整機組裝與調試。⑤調試、比賽，匯報、答辯。
4)過(guò)程控制。每組配一個(gè)教練(帶隊教師)，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(wèn)題，不評論方案優(yōu)劣，引導學(xué)生積極參與、獨立解決問(wèn)題。教練引導學(xué)生自由構思，設計時(shí)要嚴謹，對所有方案進(jìn)行對比、分析，挑出最優(yōu)的設計，同時(shí)各組之間要避免完全雷同。學(xué)生考慮問(wèn)題難免不周全，允許學(xué)生犯錯，在制作運行中發(fā)現并改正。
如機械手的傳動(dòng)方案，有螺旋傳動(dòng)、曲柄滑塊機構、齒輪齒條傳動(dòng)等，選用哪一種?教練引導學(xué)生從加工、控制、移動(dòng)速度等方面來(lái)選擇。①螺旋傳動(dòng)，考慮到重量問(wèn)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(wèn)題，還有速度——螺距小速度慢。②曲柄滑塊機構，加工容易且有快回特性，快回用不到，曲柄轉一圈，滑塊上下一個(gè)往返，機械手移動(dòng)控制難。③齒輪齒條機構，這是比較合理的傳動(dòng)，容易控制，加工用線(xiàn)切割較容易。學(xué)生不一定能考慮到這些問(wèn)題，如有的小組機械手選用螺旋傳動(dòng)，加工好連上電機一試太慢，不得不放棄;其他組都采用齒輪齒條傳動(dòng)，為另辟蹊徑，選用舵機帶動(dòng)機械手轉動(dòng)。
5)評估。以小組參賽形式評比，機器人結構工藝和排爆實(shí)操競賽成績(jì)、三個(gè)報告成績(jì)、圖紙平均成績(jì)、匯報答辯成績(jì)等成績(jì)按比例來(lái)計算，以決出名次。教練要提醒學(xué)生自評：名次不是最重要的，重要的是掌握知識、提高各種能力。
2.2分析構思采用頭腦風(fēng)暴法，百花齊放，自由飛翔
本項目的構思任務(wù)，頭腦風(fēng)暴是最佳的選擇。首先，教練宣布紀律：暢所欲言，禁止評價(jià)。學(xué)生擺好心態(tài)，輕松上陣，通過(guò)橫向思維、突破思維，得出機械結構設計和功能動(dòng)作方面盡可能多的構思。如機器人機械手抓舉炸彈的過(guò)程，其運動(dòng)有多種形式，如轉動(dòng)、移動(dòng)、轉動(dòng)加移動(dòng)等�，F以前兩種運動(dòng)形式為例，展示頭腦風(fēng)暴的效果。
1)機械手轉動(dòng)。首先，動(dòng)力驅動(dòng)，可以采用舵機直接驅動(dòng)或電機驅動(dòng)。舵機驅動(dòng)，選用180°、90°還是其他角度的舵機，有待設計環(huán)節根據機械手裝配高度、運動(dòng)極限位置進(jìn)行估算得出。電機驅動(dòng)，一般要配減速系統，可采用齒輪傳動(dòng)、帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)等。然后選擇機械手轉動(dòng)的中心軸：X軸、Y軸、Z軸。
2)機械手移動(dòng)。從電機的轉動(dòng)到機械手的移動(dòng)，可采用的機構或傳動(dòng)有螺旋傳動(dòng)、曲柄滑塊機構、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，也為了培養學(xué)生的愛(ài)國主義精神、社會(huì )責任感及團隊意識，小組在實(shí)施項目過(guò)程中扮演一定的角色，角色設置由學(xué)生自己完成，與隊名、隊徽、宣傳畫(huà)、分工及相對應的團隊管理建設一致。如扮演成現代科技武裝的和平衛士小分隊：世界尚未和平，恐怖組織潛伏，伺機而動(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，隧道黑暗，城市森林馬路十八彎，養兵千日用兵一時(shí)，出發(fā)吧，駕馭我們開(kāi)發(fā)制作的機器人，我們是和平衛士!
3把機器人項目引進(jìn)機械基礎教學(xué)的意義
3.1學(xué)生掌握專(zhuān)業(yè)知識和專(zhuān)業(yè)技能
本項目增加了學(xué)生學(xué)習的趣味性，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)生牢固掌握機械基礎的三大塊內容：機械機構、機械傳動(dòng)、軸系零件。本校用的《機械基礎》教材有6個(gè)實(shí)訓模塊，本校沒(méi)安排，內容設置得欠合理，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。學(xué)生參加書(shū)中安排的實(shí)訓，只是對連接固定、裝配有所認識，而各種機構和各種傳動(dòng)的運動(dòng)沒(méi)有得到實(shí)踐，其他方面的素質(zhì)也沒(méi)有提高。另外，本項目關(guān)聯(lián)其他科目一起實(shí)施教學(xué)，學(xué)生對機械制圖、鉗工、車(chē)工等知識技能也有了進(jìn)一步提高，同時(shí)認識到各課程間的關(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)生要求達到4個(gè)層面能力：工程基礎知識、個(gè)人能力、人際團隊能力和工程系統能力。后面幾層可以算就業(yè)能力，中職學(xué)生除了專(zhuān)業(yè)知識和專(zhuān)業(yè)技能之外，也應具有就業(yè)技能(就業(yè)能力)。就業(yè)技能目前沒(méi)有一個(gè)標準的定義，不難得出各行各業(yè)對就業(yè)技能的要求都少不了CDIO的三個(gè)核心技能：溝通技能、團隊合作技能、解決問(wèn)題技能。本項目分組進(jìn)行，全組成員必須團結合作才能完成，期間學(xué)生相互之間必須有效溝通才能合作，而且教師只起引導作用，各項工作學(xué)生必須自主完成，查資料、構思、設計、加工、裝配，各種軟件使用，能夠培養學(xué)生溝通、團隊合作、解決問(wèn)題的綜合就業(yè)能力。
3.3以防雷排爆為主題，培養學(xué)生的愛(ài)國主義精神和社會(huì )責任感
中職學(xué)生成長(cháng)在和平年代，九年義務(wù)教育，職校免費，他們得到太容易，缺乏感恩，缺乏愛(ài)國主義精神和社會(huì )責任感。本著(zhù)“素質(zhì)為本，品德為尚”，本項目教學(xué)適時(shí)融入德育，培養學(xué)生的愛(ài)國主義精神和社會(huì )責任感。
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