基于课赛融合的机器人技术基础课程改革研究

丁 力 叶 霞 黄 明 单文桃 巢 渊

江苏理工学院机械工程学院 江苏常州 213001

机器人技术是国家安全和国计民生的重要保障,也是衡量各国综合实力的核心指标之一。我国《“十四五”机器人产业发展规划》和《国家中长期科学和技术发展规划》都将发展机器人技术列为国家级战略计划[1-2]。作为新工科专业,机器人工程专业旨在为国家培养能在机器人工程领域从事机器人设计开发、系统集成、检测与控制、部署与应用、运行管理等方面工作的应用型工程技术人才。然而,机器人工程专业具有较强的学科交叉特点,融合了机械、电子、计算机、控制等领域的知识,课程设置需要进行创新探索,以激发学生的学习兴趣。

课赛融合是将学科竞赛融入课程教学中的一种行之有效的教学模式。它能够有效地激发学生的学习兴趣,提高学生的实践能力和综合素质,为学生的终身发展打下基础[3]。同时,它也能够促进课程教学和实践能力的有机结合,增强学生的实际操作能力和团队协作能力,培养创新意识和创新能力,以便更好地适应未来社会的发展需求。根据现有研究表明,课赛融合的模式已得到了高校广泛的关注与认可,例如青岛工学院[4]、邵阳职业技术学院[5]、湖南工商大学[6]等均对课赛融合模式进行了深入探索,并取得了一定成效。

课赛融合需要专业教师具备丰富的实践经验和教学能力,以便能够设计出有效结合课程与比赛的教学内容。其次,需要统筹协调各方面资源,包括教学设施、比赛资讯、教材等,以确保教学质量[7-8]。同时,也需要学生积极参与,发挥出比赛的积极作用。以江苏理工学院机器人工程专业为例,详细阐述将课赛融合模式引入专业核心课程“机器人技术基础”教学的教学改革思路,以便更好地培养学生的实践能力和创新能力。

1 当前课程教学存在问题

作为机器人工程专业的专业核心课程,“机器人技术基础”的教学内容涵盖了机器人数学基础、运动学、动力学及轨迹规划,是属于综合性较强的一门课程。当前,“机器人技术基础”教学存在的问题主要包括以下三个方面[9-10]。

(1)课程教学模式陈旧。当前,我校机器人工程系的“机器人技术基础”教学方式以教师讲授PPT、学生被动接受知识为主,忽视了学生创新能力、思辨能力的培养。再者,教学内容也过于单一化和机械化,难以激发学生的学习兴趣与学习动力,最终导致课程知识点掌握得不够扎实。

(2)理论与实际存在脱节现象。“机器人技术基础”课程教学共有32个学时,并且都是理论教学,缺少实践性环节,这可能会导致学生不清楚如何将理论知识运用到实践中去。再者,由于我校机器人工程专业为新建专业,教学配套实验设备、实验场地、实验教学教师配置仍不健全,无法开展适合“机器人技术基础”课程教学的实验,故导致理论与实践存在脱节现象。

(3)课程考核方式相对单一。根据工程教育认证理论,“机器人技术基础”课程考核只包括期末考试和过程考核两种方式,形式相对单一。学生的过程表现和学习能力只能在特性范畴下得到评价,而不能全面展现自己的实力。同样,教师也只能按照固定标准来考核学生,忽视了学生的个性,无法做到因人施教。最终可能会导致教学效果和课程目标存在偏差。

根据上述问题剖析,如何丰富我校机器人工程系的“机器人技术基础”课程的教学内容,激发学生学习兴趣,提高课程教学质量,具有一定的迫切性和重要性。因此,亟须对该课程进行教学改革,将竞赛融入进教学,以理论与实践相结合方式培养学生的综合能力。

2 课赛融合的教学优点

在“机器人技术基础”教学过程中融入学科竞赛元素,具有以下五方面优点:

(1)激发学生学习的兴趣和动力。学科竞赛可以激发学生学习机器人技术的兴趣和积极性,使学生更为主动地参与学习。同时,学科竞赛还可以提高学生的自信心和自尊心,促使学生积极进取。

(2)增强学生的能力和技能。学科竞赛一般涉及比赛策略、解题技巧、专业知识等方面的能力和技能。通过参与机器人类学科竞赛,学生可以不断锻炼和提高这些能力和技能,从而提高综合素质。

(3)培养学生的团队精神和合作意识。学科竞赛要求学生进行团队合作,通过共同协作完成任务。这有助于培养学生的团队精神和合作意识,增强学生的集体荣誉感和责任感。

(4)提高学生的创新能力和思维能力。学科竞赛需要学生创新性地思考和解决问题。通过参与竞赛活动,学生可以锻炼和提高自己的创新能力和思维能力,培养学生的创新意识和创造力。

(5)促进教学改革和教学质量提升。课赛融合可以促进教学改革,使教学更加注重学生的实际需求和兴趣爱好,提高教学质量和教育效果。同时,通过学科竞赛的评估和反馈,教师可以更加全面地了解学生的学习情况和问题,及时进行调整和改进教学内容和方法。

随着科技的发展和社会的进步,传统的教学方式已经无法满足学生的需求,故课赛融合的教学模式越来越受到高校的重视。根据文献研究[11-13]可知,课赛融合模式的发展趋势为:

(1)强调实践与创新。学科竞赛本身就具有一定的实践创新属性,将其融入专业课程教学中,能够培养学生的实际操作能力和创新思维能力。

(2)多元化的竞赛形式。随着竞赛的不断发展,越来越多的竞赛形式涌现出来,如创新创业竞赛、科技竞赛、文化竞赛等。教育机构和企业可以结合自身的特点和需求,选择适合自己的竞赛形式,来促进课赛融合教学的发展。

(3)数据驱动的教学评估。随着教育大数据的普及,越来越多的学校和机构开始使用数据来评估学生的学习效果和教学质量。这种数据驱动的教学评估方式可以更加客观地评估课赛融合教学的效果,进一步推动其发展。

综上所述,课赛融合教学模式将成为未来教育的一种重要趋势,将其运用于“机器人技术基础”教学中,可有效培养学生的创新精神和实践能力。

3 课赛融合教学方案实施

以第九届江苏省大学生机械创新设计大赛暨第十届全国大学生机械创新设计大赛为例,详细阐述下科赛融合教学方案实施过程。该届大赛以“自然—和谐”为主题,旨在设计一款能够模仿自然界动物运动形态、功能特点的机械产品。

根据“机器人技术基础”讲解的机械设计方面知识,引导学生设计了一款带有二自由度绳驱动机械臂的旋翼飞行机器人,模拟蜻蜓点水的运动过程。该机器人主要由四旋翼飞行器、二自由度的绳驱动机械臂和吊舱组成。四旋翼飞行器上配备了飞行控制器、电机、桨叶和电调等航空电子设备,而吊舱则用于放置锂电池、水泵、水箱和驱动电机。该旋翼飞行机器人属于串联型机械臂,极其形象地模拟了蜻蜓形态。

本设计采用绳驱动技术设计了机械臂,该设计将直流减速电机放置在基座处,下方电机通过驱动轮上缠绕的两根绳索拉动大臂关节1正反转,上方电机则通过主动轮、导向轮和张紧轮将力矩传递到小臂关节2处,从而实现末端执行器的汲水运动。如此设计的优点是大大减轻了机械臂惯量比,同时将机械臂质量集中至基座处,也减小了机械臂对旋翼飞行器的扰动,利于飞行器的控制。进而,利用机器人技术基础中运动学及动力学知识建立旋翼飞行机器人运动学模型和动力学模型。

同时,设计快速连续非奇异终端滑模控制器来保证机械臂轨迹跟踪控制精度,并将旋翼飞行机器人的三维模型导入Matlab/Simulink中进行可视化仿真。经模型设计与仿真模拟后,搭建了旋翼飞行机器人的样机。其中,机械臂总质量为1.03kg,臂长0.515m。以关节1为例,关节1电机通过柔性联轴器带动主动轮转动,主动轮上绕有两根驱动绳索,分别用于驱动关节1正转及反转。绳索的两端分别固定在主动轮和关节轮上。关节轮2和关节轮1的区别是,在其主动轮和关节轮之间还有若干导向滑轮,主要是用作绳索导向和防止绳索从关节轮上脱离。两个关节轴上分别安装了一个轴套式编码器用于测量关节角度,对每个关节的驱动绳索都设计了一个绳索张紧装置。

五位学生凭借此设计作品获得了江苏赛区三等奖的佳绩。进一步地,为了将学科竞赛的案例引入“机器人技术基础”教学中,这五位学生将比赛要求、样机图片、调试视频、程序代码及技术文档上传至所建立的云机器人平台,供其他学生学习。这里需要补充的是,江苏理工学院机器人工程专业建立的云机器人平台可服务于多门专业基础课、专业核心课及集中实践性环节,任课教师可利用该平台上传与授课内容相关的视频、文档等材料至云端。例如,将中国机器人大赛案例上传并开放给所有学生,在传授机器人技术基础知识之前,可安排学生先行自学云机器人平台的内容。进而,教师在授课过程中以学科竞赛实例为对象,传授求解机器人运动学、动力学、轨迹规划及仿真模拟的知识,提高学生的学习兴趣,夯实学生的理论基础,提高学生的理论水平。学生也能将本门课的技术知识运用到机器人大类的学科竞赛中,做到理论与实践相结合,知行合一。

面向课赛融合的“机器人技术基础”课程改革已在2020级机器人中进行了初步尝试。从课程伊始,安排学生利用课后时间到云机器人平台上(中国大学慕课)自行学习学科竞赛案例,了解机器人的设计、构造、运动模式及控制模式。接着,在后续授课过程中,多以旋翼飞行机器人为例讲解专业核心知识,进一步加深学生对专业知识的学习,以赛促学,提高课程教学质量。根据工程教学认证的要求,机器人技术基础包括三个课程目标,课赛融合指标计入课程目标3中。

4 课赛融合评价机制建立

课赛融合的教学方式必然会打破传统授课模式,所以为保证良好的教学效果,需要制定合理的评价机制。为此,笔者从自身角度出发,并结合江苏理工学院机器人工程专业现状,制定了以下五条建议,即:

(1)明确评价目标和标准。需要确定融合评价的目标和标准,明确课堂教学和比赛的评价内容和权重。

(2)课程与竞赛的衔接。要设计合适的教学活动,将课程内容与比赛任务有机地结合起来,使比赛成为课程教学的延伸和拓展,同时也要确保比赛任务能够达到课程的教学目标。

(3)教师和评委的配合。需要教师多参加学科竞赛的研讨会,根据比赛组委会的技术要求及时修改课赛融合的教学内容和评价标准,确保评价的客观性和公正性。

(4)学生的参与和反馈。要让学生参与评价机制的制定和实施,让他们理解评价标准和目的,自我反思和评价自己的学习和比赛表现,同时也要及时给予学生评价反馈和建议,帮助他们提高自身能力和竞争力。

(5)评价方式和工具。要选择合适的评价方式和工具,如自评、互评、教师评价等,结合现代技术手段,如网络平台、视频回放、数据分析等,全面、多角度地评价学生的表现。

通过以上五方面的考虑,可以初步建立起有效的课赛融合评价机制,既能够促进学生的学习和竞争意识,又能够提高教师的教学效果和评价能力。

结语

本文旨在探究面向课赛融合的“机器人技术基础”课程改革,以提高学生的学习效果和竞争力。在研究中,我们通过文献综述、问题分析、案例研究等方法,深入分析了目前机器人工程专业课程教学中存在的问题和不足,提出了面向课赛融合的教学模式和评价机制,以及相应的教学策略和方法。研究结果表明,课赛融合教学模式能够将课程教学和比赛任务有机地结合起来,使学生在参与比赛的过程中更好地理解和掌握课程内容,同时也能够提高学生的竞争意识和实践能力。评价机制则能够促进学生自我反思和评价,提高他们的学习动力和自我管理能力,同时也能够帮助教师更好地掌握学生的学习情况和表现。研究成果可以为机器人技术基础课程的改革和实践提供借鉴和参考,同时也能够促进教育教学改革的探索和推进。