辛　穎　薛　偉　王　劍　狄海庭

【摘要】該文針對(duì)機(jī)器人課程的教學(xué)與實(shí)驗(yàn)中存在的不足,以慧魚(yú)模型為教具,探討了慧魚(yú)模型在機(jī)器人課程實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用方案與實(shí)踐過(guò)程,闡述了進(jìn)行機(jī)器人實(shí)驗(yàn)改革的一些收獲?；埕~(yú)模型在機(jī)器人實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用,對(duì)培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維和動(dòng)手能力提供了一個(gè)良好的載體,為大學(xué)生的創(chuàng)新教育提供了一條新的途徑。

【關(guān)鍵詞】慧魚(yú)模型;機(jī)器人;實(shí)驗(yàn);改革

【中圖分類(lèi)號(hào)】G40-057 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】B 【論文編號(hào)】1009—8097(2009)07—0138—02

一 前言

近年來(lái),我國(guó)的機(jī)器人教育有了很大的發(fā)展,機(jī)器人技術(shù)課程逐步成為高校綜合性實(shí)踐課程[1]。在傳統(tǒng)的教學(xué)方法中,我國(guó)機(jī)器人教育普遍存在著重視知識(shí)傳授、輕視能力培養(yǎng),重視理論教學(xué)、輕視實(shí)踐環(huán)節(jié)的問(wèn)題,使得學(xué)生只滿足于死記硬背知識(shí)點(diǎn),沒(méi)有注重學(xué)生獨(dú)立動(dòng)手能力、綜合分析問(wèn)題和解決問(wèn)題能力的培養(yǎng)[2]。

在實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐教學(xué)方面,機(jī)器人課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)基本上是圍繞基礎(chǔ)理論的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn),缺少設(shè)計(jì)性和綜合性實(shí)驗(yàn),不能給學(xué)生提供一個(gè)創(chuàng)新意識(shí)自由發(fā)揮的空間。學(xué)生很少有機(jī)會(huì)進(jìn)行思考和創(chuàng)意,創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新潛能無(wú)法得到充分的培養(yǎng)[3]。

因此,對(duì)機(jī)器人技術(shù)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與探索是非常必要的,而德國(guó)慧魚(yú)模型的出現(xiàn),為機(jī)器人實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革提供了良好的載體。

二 慧魚(yú)模型簡(jiǎn)介

慧魚(yú)模型是由德國(guó)發(fā)明家Arthur Fischer博士在1964年從其專(zhuān)利“六面拼接體”的基礎(chǔ)上發(fā)明的[3-4]?；埕~(yú)模型是由機(jī)械構(gòu)件、電氣構(gòu)件、傳感器、氣動(dòng)構(gòu)件、電腦控制器及軟件所組成的系統(tǒng)[5];模型采用模塊式設(shè)計(jì),可無(wú)限擴(kuò)充,可反復(fù)拆裝;產(chǎn)品系統(tǒng)化,種類(lèi)多樣化,可逼真地表現(xiàn)機(jī)械系統(tǒng)的構(gòu)成和控制過(guò)程及科學(xué)原理,便于對(duì)機(jī)器人原理、組成、控制的全面認(rèn)識(shí);以機(jī)械傳動(dòng)為核心,融傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)為一體的教學(xué)及仿真模型。該智能模型能夠展示科學(xué)原理和技術(shù)過(guò)程,緊密聯(lián)系研究設(shè)計(jì)和生產(chǎn)實(shí)踐過(guò)程,不斷創(chuàng)新,不斷發(fā)展,學(xué)生可以通過(guò)自己動(dòng)手搭建機(jī)械、氣動(dòng)、傳感器部件,熟悉并掌握機(jī)器人產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、工作原理,并可在此基礎(chǔ)上利用PLC、計(jì)算機(jī)接口或單片機(jī)接口板進(jìn)行自動(dòng)控制,培養(yǎng)學(xué)生將所學(xué)知識(shí)交叉融合、用于解決具體問(wèn)題的能力,同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力、創(chuàng)新能力。該模型也代表了高科技的許多領(lǐng)域,受到國(guó)內(nèi)外各地教育工作者的關(guān)注和思考。

三 慧魚(yú)模型在機(jī)器人實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用方案

東北林業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院2006年購(gòu)進(jìn)慧魚(yú)模型,建立機(jī)器人創(chuàng)意實(shí)驗(yàn)室。結(jié)合機(jī)器人技術(shù)課程的教學(xué)安排與慧魚(yú)模型的特點(diǎn),將機(jī)器人實(shí)驗(yàn)在內(nèi)容上分為以下五部分:機(jī)器人技術(shù)入門(mén)實(shí)驗(yàn)、移動(dòng)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)、氣動(dòng)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)、仿生機(jī)器人實(shí)驗(yàn)和工業(yè)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)分為必選和選修兩部分內(nèi)容,將機(jī)器人入門(mén)實(shí)驗(yàn)列為必選實(shí)驗(yàn),機(jī)器人基本的實(shí)驗(yàn)原理、編程及控制方法在必選實(shí)驗(yàn)中得到訓(xùn)練,使學(xué)生了解慧魚(yú)機(jī)器人的制作與控制過(guò)程,激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí);將難度較大的移動(dòng)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)、氣動(dòng)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)、仿生機(jī)器人實(shí)驗(yàn)、工業(yè)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)列為選修實(shí)驗(yàn),學(xué)生可根據(jù)興趣進(jìn)行選擇,通過(guò)對(duì)各種專(zhuān)用機(jī)器人的制作與控制,進(jìn)一步發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí),提高學(xué)生的動(dòng)手能力。

每個(gè)實(shí)驗(yàn)的完成過(guò)程大致按三個(gè)階段進(jìn)行:首先是模仿學(xué)習(xí)階段,學(xué)生通過(guò)對(duì)提供的資料、圖片、教具進(jìn)行觀察、研究和琢磨,進(jìn)行自主的學(xué)習(xí)模仿性實(shí)驗(yàn),獲取大量感性認(rèn)識(shí),根據(jù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)上的提示制作慧魚(yú)機(jī)器人,學(xué)習(xí)各種經(jīng)典的機(jī)構(gòu)組合方式,結(jié)合電腦語(yǔ)言編程,對(duì)設(shè)計(jì)的機(jī)器人進(jìn)行編程和控制;第二階段是改進(jìn)階段,在已制作好的機(jī)器人基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn),使之實(shí)現(xiàn)更多地動(dòng)作,培養(yǎng)想象力和創(chuàng)造力;第三階段是創(chuàng)新階段。擺脫實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)的束縛,創(chuàng)造出具有新的機(jī)構(gòu)和功能的機(jī)器人。

四 移動(dòng)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)創(chuàng)意組合實(shí)踐

如何利用慧魚(yú)模型進(jìn)行機(jī)器人的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn),如何能使學(xué)生的創(chuàng)意得到很好的發(fā)揮,是在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)課程之前值得認(rèn)真思考的問(wèn)題。東北林業(yè)大學(xué)工程技術(shù)機(jī)器人創(chuàng)意實(shí)驗(yàn)室通過(guò)實(shí)施模仿、改進(jìn)和創(chuàng)新三個(gè)階段,完成慧魚(yú)模型組合的三個(gè)過(guò)程,取得了良好的實(shí)踐效果。下面以移動(dòng)機(jī)器人創(chuàng)意實(shí)驗(yàn)為例,介紹慧魚(yú)模型在進(jìn)行機(jī)器人實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的實(shí)踐過(guò)程:

1 基本知識(shí)的準(zhǔn)備。首先引導(dǎo)學(xué)生熟悉慧魚(yú)模型的各個(gè)模塊功能,復(fù)習(xí)機(jī)器人技術(shù)、傳感器、微機(jī)原理和Robo Pro編程等一些基本知識(shí),為進(jìn)行機(jī)器人創(chuàng)意實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)。

2 主要實(shí)驗(yàn)器材的準(zhǔn)備。各實(shí)驗(yàn)小組準(zhǔn)備慧魚(yú)移動(dòng)機(jī)器人組合包一套、慧魚(yú)專(zhuān)用電源一套、PC機(jī)一臺(tái)、Robo Pro軟件一套、智能接口電路板一塊。

3 題目擬定。起初學(xué)生對(duì)慧魚(yú)模型不了解,首先由老師確定題目:運(yùn)行小車(chē)。采用兩個(gè)傳感器檢測(cè)所行距離,含有一個(gè)接觸開(kāi)關(guān)和一個(gè)脈沖齒輪,脈沖齒輪連接到電機(jī)的減速軸上,使得電機(jī)開(kāi)關(guān)啟動(dòng)四次。要求學(xué)生通過(guò)計(jì)算所有脈沖邊沿,使運(yùn)行小車(chē)能夠?qū)崿F(xiàn)以邊長(zhǎng)為一米的正方形軌跡行走功能。該題目集機(jī)、電、控制、傳感技術(shù)和機(jī)器人技術(shù)為一體,構(gòu)思與組裝具有一定的創(chuàng)意。

4 方案的改進(jìn)階段。在運(yùn)行小車(chē)制作完成之后,啟發(fā)學(xué)生在此基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn),制作一個(gè)類(lèi)似于工廠AGV車(chē)的追蹤軌跡機(jī)器人。學(xué)生通過(guò)了解AGV小車(chē)的運(yùn)行原理,采用黑色膠帶作為軌跡,車(chē)身下安裝光電傳感器,當(dāng)傳感器反射出黑線,馬達(dá)就會(huì)做出相應(yīng)的反應(yīng)。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,應(yīng)注意軌跡的轉(zhuǎn)彎不能太急,否則機(jī)器人會(huì)出現(xiàn)因看不到軌跡而頻繁偏離軌跡的現(xiàn)象。同時(shí),為了保證傳感器功能的準(zhǔn)確性,應(yīng)保證軌跡有足夠的亮度。

5 方案的創(chuàng)新階段。要求學(xué)生開(kāi)動(dòng)腦筋,依據(jù)自己的想法組合出新的移動(dòng)小車(chē)。有的同學(xué)根據(jù)追蹤軌跡機(jī)器人的運(yùn)行原理,又增加了新的功能,設(shè)計(jì)出尋光避障機(jī)器人,該機(jī)器人將尋光和避障的功能結(jié)合起來(lái)。首先,機(jī)器人尋找光源,發(fā)現(xiàn)光源,進(jìn)行跟蹤,如果探測(cè)到妨礙其前進(jìn)的障礙物,識(shí)別障礙的功能將開(kāi)始起作用,當(dāng)障礙全部掃光,機(jī)器人繼續(xù)尋找光源前進(jìn)。該方案將進(jìn)行尋光功能的光電傳感器連接到兩個(gè)輸入端,當(dāng)模型向左右旋轉(zhuǎn)時(shí),采用接觸傳感器計(jì)算脈沖。該任務(wù)主要分成三部分:檢測(cè)機(jī)器人是否看到光源(子程序Light),檢測(cè)機(jī)器人是否碰到障礙(子程序Obstacle),機(jī)器人鑒于上述判斷功能的相應(yīng)反應(yīng)動(dòng)作(子程序Driving)。該方案的完成不僅鍛煉了學(xué)生的創(chuàng)新能力和動(dòng)手技能,同時(shí)訓(xùn)練了學(xué)生“自頂而下”的編程思想,收到良好的效果。

五 應(yīng)用慧魚(yú)模型進(jìn)行機(jī)器人實(shí)驗(yàn)教學(xué)的收獲

通過(guò)利用慧魚(yú)模型進(jìn)行機(jī)器人實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革,得出一些收獲與經(jīng)驗(yàn):

1 由于慧魚(yú)模型的自身特點(diǎn),通過(guò)模型的搭建和組裝,提供了一種特殊的學(xué)習(xí)模式,即一邊動(dòng)手制作,一邊學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí),在機(jī)器人制作過(guò)程中,每時(shí)每刻都會(huì)出現(xiàn)新的問(wèn)題,明確的目標(biāo)激發(fā)學(xué)生主動(dòng)去尋找答案,培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力、解決實(shí)際問(wèn)題能力和創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力。而且,由于慧魚(yú)模型要求學(xué)生完成創(chuàng)意設(shè)計(jì),許多內(nèi)容超出教材甚至超出教師的知識(shí)范圍,因此必然敦促教師自身的再學(xué)習(xí)和提高。有了教學(xué)實(shí)踐中師生共同探討問(wèn)題的經(jīng)歷,學(xué)生有問(wèn)題愿意找老師答疑和探討,可形成一種互相學(xué)習(xí)、互相促進(jìn)的新型師生關(guān)系。

2 在進(jìn)行慧魚(yú)模型的組裝和創(chuàng)意過(guò)程中,應(yīng)以學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐為主,教師為輔。教師不要過(guò)多地干預(yù)學(xué)生的思維,給學(xué)生充分思考和創(chuàng)新的空間,盡量創(chuàng)造一個(gè)使學(xué)生的潛能得以充分發(fā)揮的環(huán)境,使學(xué)生的特長(zhǎng)得以展示,能力得以提高,而且逐漸養(yǎng)成“不墨守成規(guī),不拘泥于傳統(tǒng)”的思維習(xí)慣。

3 教師應(yīng)用最簡(jiǎn)潔的方法教會(huì)學(xué)生使用慧魚(yú)控制軟件,避免學(xué)生在軟件上遇到過(guò)多的障礙。由于實(shí)驗(yàn)課的課時(shí)有限,教師應(yīng)將準(zhǔn)備工作做好做細(xì),將軟件的使用方法和要點(diǎn)提前向?qū)W生講授,使學(xué)生在軟件學(xué)習(xí)上不要花費(fèi)太多的時(shí)間,重點(diǎn)將程序編制中對(duì)學(xué)生創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)放在程序的邏輯關(guān)系、時(shí)間分配和控制方法上。

4 加強(qiáng)慧魚(yú)零件的管理?；埕~(yú)模型在使用的過(guò)程中,普遍存在著一個(gè)問(wèn)題:慧魚(yú)構(gòu)件種類(lèi)繁多,形狀細(xì)小,容易出現(xiàn)丟失的現(xiàn)象。在實(shí)驗(yàn)課中,如果構(gòu)件使用不當(dāng)或管理不嚴(yán),經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)損失和丟失構(gòu)件的現(xiàn)象,而且有的構(gòu)件一套組合包中就只有一個(gè),在這種情況下,無(wú)法從廠家購(gòu)買(mǎi)一個(gè)或兩個(gè)單獨(dú)的構(gòu)件,可能會(huì)出現(xiàn)為購(gòu)買(mǎi)一個(gè)構(gòu)件而需要購(gòu)買(mǎi)整套模型的現(xiàn)象。因此,在進(jìn)行慧魚(yú)創(chuàng)意組合實(shí)驗(yàn)課之前,應(yīng)思考如何有效地管理慧魚(yú)構(gòu)件的問(wèn)題。

六 結(jié)語(yǔ)

在應(yīng)用慧魚(yú)模型進(jìn)行機(jī)器人實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中,學(xué)生將綜合應(yīng)用到機(jī)械原理、氣動(dòng)技術(shù)、電子電路、測(cè)試及控制和軟件編程等知識(shí),而且慧魚(yú)模型的組建沒(méi)有特定的標(biāo)準(zhǔn)答案和固定的模式,不受教材制約,不需要反復(fù)記憶和練習(xí),因而學(xué)生完全在一個(gè)開(kāi)放性的環(huán)境中進(jìn)行自主式的探索和研究,鼓勵(lì)學(xué)生積極思考,開(kāi)創(chuàng)學(xué)生之間、師生之間進(jìn)行平等討論的良好環(huán)境,可建立自主學(xué)習(xí)的研究氣氛和學(xué)習(xí)方法。因此,通過(guò)采用慧魚(yú)模型對(duì)目前機(jī)器人技術(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系進(jìn)行改革,可以體現(xiàn)“以學(xué)生發(fā)展為本,以能力發(fā)展為主”的現(xiàn)代教育理念,是一條探索培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的有效途徑。

參考文獻(xiàn)

[1]陸承景.對(duì)機(jī)器人學(xué)科教學(xué)目標(biāo)和內(nèi)容的實(shí)踐與思考[J].中國(guó)電化教育,2006,12:71-72.

[2]萬(wàn)佑紅,蔣國(guó)平.機(jī)器人教育與大學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的探索[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào),2005,27(4):6-8.

[3]肖曉萍,廖青.“慧魚(yú)”教具在大學(xué)生創(chuàng)新教育中的探索性研究[J].高教研究,2006,79(2):36-37.

[4]蔣端六.探索型實(shí)驗(yàn)帶動(dòng)研究性課程的發(fā)展[J].無(wú)錫教育學(xué)院學(xué)報(bào),2001,21(3):63-65.

[5]文沛先,韓滿林.慧魚(yú)創(chuàng)新組合實(shí)驗(yàn)與培養(yǎng)學(xué)生研究性學(xué)習(xí)的能力[J].常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2002,1(2):70-71.