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《机械原理》课引入机器人比赛“四位一体”教学模式探索
作者：李充宁 孙 爽 侯杰茹 何永利
关键词：《机械原理》课程；机器人比赛；四位一体；创新教育
随着社会的进步和科学技术的发展，工程技术的应用对社会经济的发展和社会进步的推动作用越来越大，而工程技术教育培养的技术人才直接决定工程技术的水平和发展的速度，决定国家的工业竞争力。因此，国家特别重视高等工程教育的改革，重视人才培养的质量，特别强调要重点开展“创新型工程科技人才培养的研究”，要解决面向工程实际培养人才的问题。
《机械原理》课程作为一门从基础理论课过渡到工程专业应用的技术基础课，在培养工程应用型、开发创新型人才的过程中，将起到导向、铺垫和塑造构型的重要作用。如何使《机械原理》课程在培养工程创新能力的应用型人才方面起到导向作用，如何铺垫具有解决工程实际问题的基础知识，如何塑造构型创新应用型能力的人才，是《机械原理》课程改革的核心和目标。我们将大学生机器人电视大赛的模式引入课堂，以机器人设计、制作和比赛为载体，开展《机械原理》课程教学的“四位一体”创新教育模式的实践探索。
所谓“四位一体”的《机械原理》课程教学模式是指：以学生为主体的“理论——设计——制作——比赛”四个教学环节集于一体，即《机械原理》课程机构学的理论教学结合比赛机器人课题的机构学，进行比赛机器人的运动方案设计和实物样机制作，并以实物样机上场运行开展比赛评比。
《机械原理》课程引入机器人设计、制作和比赛的作用
《机械原理》的内容是机构学和机械动力学的基本知识、基本理论和基本方法，目的是培养学生具有拟定机械系统运动方案、进行运动学、动力学分析以及设计机构的能力，并通过机构设计、机械系统方案设计来实现和完成某些特定的功能要求。
近几年，亚洲广播电视联盟（以下简称亚广联）举办的大学生机器人电视大赛的题目正是机械设计类课程教学联系工程实际的最好题材，引入这种题材的比赛活动丰富了学生的校园生活，激发了学生的学习兴趣，启迪了大家的创新意识，培养了学生的创新实践能力。
首先，来看大学生机器人电视大赛主题的题材特征。每年一届机器人电视大赛的主题以不同的形式提出。如首届的主题为“抢攀珠穆朗玛峰”，第二届为“太空征服者”，第三届为“鹊桥相会”，均要求设计制作具有不同动作功能的移动机器人，执行的动作功能对工作载荷的要求不大，但在机器人本体的重量和尺寸的限制下，动作和速度的实现却是比赛取胜的关键。这种题材主要是系统方案的构思设计以及轻型结构的制作、安装、调试和演练。其功能特点既接近于工程实际，但结构特征又不要求太高，具有典型的演练特征。特别适合于大学生的设计训练和实践操作锻炼。
在内容上，设计和制作的机器人要完成特定的功能动作，如伸缩、举起、放下、夹、搬运等等。完成这些特定的动作需要设计制作相应的机构，这是将《机械原理》课程的理论知识和工程实际结合的好项目，是理论知识和方法具体应用的好课题，也是实验检验、实践锻炼的好机会。方案设计、实物制作、安装调试不是一个人能完成的，需要一组人的相互配合，共同努力。从比赛形式上看，这是一种公开的机器人竞技比赛，具有挑战性和观赏性，容易引起大家的兴趣和投入。
在评价法则方面，机器人功能展示，公开、透明，只需要专家制定好规则，比赛由裁判监督，杜绝了作弊、偏袒等不正当行为。
全国大学生机器人电视大赛是一个公开、公平、公正的比赛，将大赛的题材引入课堂，开展《机械原理》课程的“理论——设计——制作——比赛”的“四位一体”的教学模式的实践，是对实施创新教育、培养创新开拓型的工程技术应用人才的一个有益的探索。
“四位一体”教学模式的具体实施
将机器人比赛题材引入《机械原理》课，实施“四位一体”的教学模式，一种方法是直接借用大学生机器人电视大赛的主题和规则，在院内开展热身预赛。另一种方法是自拟形式相近题目进行比赛。
根据机器人大赛的主题和规则，需要进行机器人的总体方案设计。我们首先安排了动员会，向学生介绍机器人大赛的主题、内容以及比赛规则，要求学生分组进行方案设计。学生以班级为单位自愿组成小组做方案，设计方案要求用《机械原理》课程中学过的机构运动简图表达运动关系，并画出结构布置图，然后对做出的方案进行答辩评审和讲评，从中选定构造合理、功能实用的方案进入实物制作。进行机器人的方案设计，可用到的机构类型很多，方案组成的关键是要易于实现，实用可靠，快捷巧妙。学生需要综合运用所学的基础知识对移动载体、功能执行机构、运动控制等各部分系统进行设计。
对设计方案的答辩评审和讲评，是一个具体形象的设计展示和生动活泼的知识呈现，是对所学的理论知识的深化和巩固，更是一个将理论付诸实践的好操练。这个环节能充分表现学生对理论知识的学习和掌握情况。
设计、制作比赛机器人所需要的知识内容涉及机械、电子、传感、控制、驱动、材料等各方面。具体的工作过程涉及策划、组织、设计、制作、调试与演练等方面的内容。我们通过安排第二课堂的课外活动来补充相关的知识和内容，并由学生自己组织团队，吸收不同专业的学生共同完成设计、后期制作和调试控制。
实物样机制作需要先提供总体结构布置图、外观形式的立体图，并要求提供功能和运动原理的机构简图。而且制图时，学生应尽可能绘制出总体组装图及机器人重要部件零件图。
组织举办的学院机器人设计、制造比赛，充分发挥我院培养大学生动手动脑的能力。通过开设第二课堂补充相关的内容，根据项目设计需要的知识施教，将课堂书本知识与工程实际、工程应用相结合，真正体现理论知识学习的工程应用价值，体现技术创新的实践操作价值。
在学院组织机器人设计、制作的预演比赛，既为大学生了解、认识全国大学生机器人电视大赛活动提供了机会，也为我院参加全国大学生机器人电视大赛提供了参考以及经验的积累。
学院连续开展了几届机器人方案设计、制作比赛。参与活动的学生大都是刚开始接触《机械原理》课程的二、三年级的大学生，对相关的专业知识了解较少，虽然如此，但学生靠着热情，发扬拼搏精神和创新精神，不畏艰难，在老师的指导和学院机器人组同学的辅助下，几个班级的同学都让自己的设计方案付诸实施，最终完成实物制作，并进入实战比赛。参与这种比赛，能够展示学生的能力，体现我院突出应用技术的优势。在与名牌大学的竞争中，我院大学生机器人方案设计队参加第三届全国大学生机器人电视大赛获季军，打破了名牌大学垄断机器人大赛三甲的局面。
引入机器人设计、制作和比赛的教学效果
大学生机器人电视大赛的口号是“让思维沸腾起来，让智慧行动起来”。社会需求、工程需要产生驱动力；竞争、比赛激发创造力、想象力以及锻炼了学生的动手能力。在进行活动的过程中，同时开展大学生创新教育系列讲座。结合课堂理论教学主讲“创新思想与创新设计”，聘请有丰富实践经验的技术革新能手、高级技师主讲“创新实践与技术革新”；聘请创造学研究专家主讲“创新原理与方法”。
《机械原理》课程教学改革结合课程的工程应用特点，根据社会对人才的需求，提出相应的教学内容改革和教学方法改革，重点突出工程创新应用设计能力培养，强调实践操作技能训练。指导教师在教学过程和实践过程中不断激发学生的创新欲望，营造创新环境，培养创新意识、思维方法和技能。通过分析、综合，加强学生对机器人机械系统设计、制作的综合训练，对机电结合的应用训练。
此项活动使学生受益匪浅，加深了学生对课本知识的理解，在动手动脑的过程中学到了许多书本上学不到的东西，培养了学生的创新设计能力。学生在掌握基础理论和专业知识外，更重要的是加强各种能力的培养，特别是创新思维的训练以及提出问题、分析问题和解决问题的能力。通过《机械原理》课程教学的创新思想教育，通过结合机器人方案创新设计的引导、实践训练和实战比赛，使学生树立了工程设计的观点，建立了创新精神，激发了创新意识，培养了创新能力。在毕业设计的实践中，很多学生都能深入到工程的实际操作中，利用自己学到的知识，解决生产实践中出现的具体问题。
《机械原理》课程引入机器人比赛题材的“四位一体”教学模式，将理论教学与工程应用相结合，体现了理论知识的重要性。学生亲自动手设计和制作，训练了学生应用基础方法的动手能力，提高了其设计和实践技能。通过对设计制作实物的调试和演练，检验了学生动手动脑的成果，获胜的学生获得了一定的成就感和自信心后，更激发了其学习和渴求知识的欲望。这种“四位一体”的教学模式极大的调动了学生主动学习的积极性，调动了学生勤于思考、勇于实践、敢于探索和创新的劲头，为培养有真才实学的创新型人才提供了一条好途径。
参考文献：
[1]吴启迪.发展高等工程教育，推动国家创新体系建设[J].高等工程教育研究，2006，（3）：1-3.
[2]崔正昀.探索和实践“四位一体”教学模式[J].天津职业技术师范学院学报，2001，11（4）：40-42.
[3]杨继昌，王贵成.开展“四位一体”综合教学改革的研究及实践[J].中国大学教学，2003，（5）：24-25.
作者简介：
李充宁（1953—），男，陕西户县人，天津工程师范学院教授，研究方向为机械学。（本文责任编辑：尚传梅）