關(guān)于機(jī)器人項目應(yīng)用于中職機(jī)械基礎(chǔ)教學(xué)的探索論文
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，難以實施切實有效的創(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(Design)、實現(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)、全面的實施指引(包括培養(yǎng)計劃、教學(xué)方法、學(xué)生考核以及學(xué)習(xí)構(gòu)架)以及實施檢驗的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、個人能力、人際團(tuán)隊能力和工程系統(tǒng)能力4個層面，要求以綜合的培養(yǎng)方式使學(xué)生在這四個層面達(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主要針對培養(yǎng)有專業(yè)技能、有社會意識和有企業(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，同時培養(yǎng)個人自身能力、團(tuán)隊合作能力及建造產(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)在高職的對口招生)，越來越多的中職畢業(yè)生會經(jīng)過繼續(xù)教育或持續(xù)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(jī)器人項目教學(xué)過程的實施
嘗試集成化綜合教學(xué)，學(xué)生在項目訓(xùn)練中要進(jìn)行產(chǎn)品的分析、設(shè)計以及考慮設(shè)計者的社會責(zé)任。同時加強(qiáng)課程間關(guān)聯(lián)，機(jī)械基礎(chǔ)聯(lián)合機(jī)械制圖、車工、鉗工等實施本項目，在一年級第二學(xué)期末時開展，作為這幾門課的大作業(yè)或者實操考試，也可作為學(xué)生的工程拓展訓(xùn)練。本校一年級學(xué)生，每學(xué)期有6周左右的實訓(xùn)(普車和鉗工)，能進(jìn)行簡單加工和修配，而且有計算機(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)法的流程開展教學(xué)
1)分組。本項目以團(tuán)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)生可以犯錯后換個方案重新開始;各組力求創(chuàng)新設(shè)計，杜絕抄襲。
2)項目任務(wù)要求。①提供有限標(biāo)準(zhǔn)件，其他所需構(gòu)件尋求實訓(xùn)中心加工，設(shè)計制造機(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、下臺階、轉(zhuǎn)彎、排爆及攜彈至排爆點這一系列動作;②畫出機(jī)器人裝配圖和零件圖;③撰寫項目開發(fā)報告、技術(shù)報告和團(tuán)隊建設(shè)報告共三份報告。實驗室提供的標(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)取１卷椖繉Ｓ眉瑢W(xué)生能加工的自己加工，如車輪、支架、車身板等;不能加工的尋求實訓(xùn)中心教師安排加工，如齒輪、齒條等。
3)項目實施。每組根據(jù)規(guī)定的項目進(jìn)度安排，有計劃、有分工地去實施。在實施過程中，定時全班匯報，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，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。
項目實施進(jìn)度可以分下面幾步。①團(tuán)隊建設(shè)：名稱，口號，宣傳畫制作，團(tuán)隊分工。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、功能動作分析等方面，控制電路設(shè)計不做要求。③設(shè)計：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、答辯。
4)過程控制。每組配一個教練(帶隊教師)，全班一個總教練掌控全局。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，適時鼓舞士氣。教練不參與解決任務(wù)問題，不評論方案優(yōu)劣，引導(dǎo)學(xué)生積極參與、獨立解決問題。教練引導(dǎo)學(xué)生自由構(gòu)思，設(shè)計時要嚴(yán)謹(jǐn)，對所有方案進(jìn)行對比、分析，挑出最優(yōu)的設(shè)計，同時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，在制作運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)并改正。
如機(jī)械手的傳動方案，有螺旋傳動、曲柄滑塊機(jī)構(gòu)、齒輪齒條傳動等，選用哪一種?教練引導(dǎo)學(xué)生從加工、控制、移動速度等方面來選擇。①螺旋傳動，考慮到重量問題，螺桿直徑受限制，比如選Tr12×3的梯形傳動螺紋，一個加工成問題，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，滑塊上下一個往返，機(jī)械手移動控制難。③齒輪齒條機(jī)構(gòu)，這是比較合理的傳動，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，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，為另辟蹊徑，選用舵機(jī)帶動機(jī)械手轉(zhuǎn)動。
5)評估。以小組參賽形式評比，機(jī)器人結(jié)構(gòu)工藝和排爆實操競賽成績、三個報告成績、圖紙平均成績、匯報答辯成績等成績按比例來計算，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(gòu)思采用頭腦風(fēng)暴法，百花齊放，自由飛翔
本項目的構(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，禁止評價。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)計和功能動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)動有多種形式，如轉(zhuǎn)動、移動、轉(zhuǎn)動加移動等。現(xiàn)以前兩種運(yùn)動形式為例，展示頭腦風(fēng)暴的效果。
1)機(jī)械手轉(zhuǎn)動。首先，動力驅(qū)動，可以采用舵機(jī)直接驅(qū)動或電機(jī)驅(qū)動。舵機(jī)驅(qū)動，選用180°、90°還是其他角度的舵機(jī)，有待設(shè)計環(huán)節(jié)根據(jù)機(jī)械手裝配高度、運(yùn)動極限位置進(jìn)行估算得出。電機(jī)驅(qū)動，一般要配減速系統(tǒng)，可采用齒輪傳動、帶傳動、鏈傳動等。然后選擇機(jī)械手轉(zhuǎn)動的中心軸：X軸、Y軸、Z軸。
2)機(jī)械手移動。從電機(jī)的轉(zhuǎn)動到機(jī)械手的移動，可采用的機(jī)構(gòu)或傳動有螺旋傳動、曲柄滑塊機(jī)構(gòu)、齒輪齒條傳動等。
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、社會責(zé)任感及團(tuán)隊意識，小組在實施項目過程中扮演一定的角色，角色設(shè)置由學(xué)生自己完成，與隊名、隊徽、宣傳畫、分工及相對應(yīng)的團(tuán)隊管理建設(shè)一致。如扮演成現(xiàn)代科技武裝的和平衛(wèi)士小分隊：世界尚未和平，恐怖組織潛伏，伺機(jī)而動，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(yǎng)兵千日用兵一時，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)知識和專業(yè)技能
本項目增加了學(xué)生學(xué)習(xí)的趣味性，提升付出努力后的成就感。同時理論聯(lián)系實踐，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、軸系零件。本校用的《機(jī)械基礎(chǔ)》教材有6個實訓(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、軸承的實訓(xùn)。學(xué)生參加書中安排的實訓(xùn)，只是對連接固定、裝配有所認(rèn)識，而各種機(jī)構(gòu)和各種傳動的運(yùn)動沒有得到實踐，其他方面的素質(zhì)也沒有提高。另外，本項目關(guān)聯(lián)其他科目一起實施教學(xué)，學(xué)生對機(jī)械制圖、鉗工、車工等知識技能也有了進(jìn)一步提高，同時認(rèn)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(dá)到4個層面能力：工程基礎(chǔ)知識、個人能力、人際團(tuán)隊能力和工程系統(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)技能目前沒有一個標(biāo)準(zhǔn)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的三個核心技能：溝通技能、團(tuán)隊合作技能、解決問題技能。本項目分組進(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，各項工作學(xué)生必須自主完成，查資料、構(gòu)思、設(shè)計、加工、裝配，各種軟件使用，能夠培養(yǎng)學(xué)生溝通、團(tuán)隊合作、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責(zé)任感。本著“素質(zhì)為本，品德為尚”，本項目教學(xué)適時融入德育，培養(yǎng)學(xué)生的愛國主義精神和社會責(zé)任感。
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