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关于机器人项目应用于中职机械基础教学的探索

作者:2017-02-06 15:18文章来源:未知
  机械基础是中职机电专业学生的一门专业基础课,为专业技术课和实训课服务,也是学生职业发展和继续教育不可或缺的基础。本课程理论性强,内容多,难以实施切实有效的创新教学,教学主要采用教师中心教学法,效果难以理想。以“素质为本、技能为准、品德为尚、拓展为强”为主旨,把机器人项目引进机械基础教学中,以探索创新教学。
  1传播CDIO的先进理念
  1.1什么是CDIO
  麻省理工、瑞典皇家工学院等大学得到某基金的资助,探索研究创立了CDIO工程教育理念,并于2004年成立了CDIO组织。我国已有多所大学加入该组织,如清华大学工业工程系,笔者就是在清华国培期间接触了CDIO。CDIO代表构思(Conceive)、设计(Design)、实现(Implement)、运作(Operate)。CDIO的理念不仅继承和发展了欧美20多年来工程教育大改革的理念,更重要的是还提出了系统的能力培养、全面的实施指引(包括培养计划、教学方法、学生考核以及学习构架)以及实施检验的12条标准。CDIO培养大纲将工程毕业生的能力分为工程基础知识、个人能力、人际团队能力和工程系统能力4个层面,要求以综合的培养方式使学生在这四个层面达到预定的目标。
  1.2中职应该学习CDIO工程教育理念和教育模式
  CDIO主要针对培养有专业技能、有社会意识和有企业家敏锐性的工程师,远高于中职的培养目标,不过其中很多理念与模式也适合中职:1)强调“做中学”,在实践中学习;2)要求集成化教学使学生获得专业知识,同时培养个人自身能力、团队合作能力及建造产品和系统的能力;3)要求建立和发展课程之间的关联,使专业目标得到多门课程的共同支持。另外,随着技能人才继续教育的改革(如现在高职的对口招生),越来越多的中职毕业生会经过继续教育或持续发展而加入到工程师队伍,因此,中职也需要有中职特色的CDIO。
  2机器人项目教学过程的实施
  尝试集成化综合教学,学生在项目训练中要进行产品的分析、设计以及考虑设计者的社会责任。同时加强课程间关联,机械基础联合机械制图、车工、钳工等实施本项目,在一年级第二学期末时开展,作为这几门课的大作业或者实操考试,也可作为学生的工程拓展训练。本校一年级学生,每学期有6周左右的实训(普车和钳工),能进行简单加工和修配,而且有计算机基础,能上网搜索和自学新软件的简单操作。本项目以学生为中心,主要采用基于工程项目的项目教学法,同时采用角色扮演法、头脑风暴法等教学法。
  2.1按照项目教学法的流程开展教学
  1)分组。本项目以团队拓展式进行,把学生分成若干小组,每组约10人;教师定出任务和进度,不告诉学生答案,学生可以犯错后换个方案重新开始;各组力求创新设计,杜绝抄袭。
  2)项目任务要求。①提供有限标准件,其他所需构件寻求实训中心加工,设计制造机器人,通过安装Android2.3操作系统的手机完成遥控,分别完成直行、上坡、下台阶、转弯、排爆及携弹至排爆点这一系列动作;②画出机器人装配图和零件图;③撰写项目开发报告、技术报告和团队建设报告共三份报告。实验室提供的标准件有手机、直流电机、舵机、电池、光轴、电控部分以及各种轴承和螺钉等。本项目专用件,学生能加工的自己加工,如车轮、支架、车身板等;不能加工的寻求实训中心教师安排加工,如齿轮、齿条等。
  3)项目实施。每组根据规定的项目进度安排,有计划、有分工地去实施。在实施过程中,定时全班汇报,各组展示阶段成果,比如思维导图、机器人草图等。经过汇报,各组有分享也有对比,可以激发各组之间的文明竞争:快、好、新颖。
  项目实施进度可以分下面几步。①团队建设:名称,口号,宣传画制作,团队分工。②构思:头脑风暴,得出思维导图,主要涉及结构设计、功能动作分析等方面,控制电路设计不做要求。③设计:确定方案,画图,定出材料。④制作、调试:领料,下料,零件制作,局部调试,改进,整机组装与调试。⑤调试、比赛,汇报、答辩。
  4)过程控制。每组配一个教练(带队教师),全班一个总教练掌控全局。每组教练利用Q群或交流软件,跟踪好学生的任务进展及心理变化,适时鼓舞士气。教练不参与解决任务问题,不评论方案优劣,引导学生积极参与、独立解决问题。教练引导学生自由构思,设计时要严谨,对所有方案进行对比、分析,挑出最优的设计,同时各组之间要避免完全雷同。学生考虑问题难免不周全,允许学生犯错,在制作运行中发现并改正。
  如机械手的传动方案,有螺旋传动、曲柄滑块机构、齿轮齿条传动等,选用哪一种?教练引导学生从加工、控制、移动速度等方面来选择。①螺旋传动,考虑到重量问题,螺杆直径受限制,比如选Tr12×3的梯形传动螺纹,一个加工成问题,还有速度——螺距小速度慢。②曲柄滑块机构,加工容易且有快回特性,快回用不到,曲柄转一圈,滑块上下一个往返,机械手移动控制难。③齿轮齿条机构,这是比较合理的传动,容易控制,加工用线切割较容易。学生不一定能考虑到这些问题,如有的小组机械手选用螺旋传动,加工好连上电机一试太慢,不得不放弃;其他组都采用齿轮齿条传动,为另辟蹊径,选用舵机带动机械手转动。
  5)评估。以小组参赛形式评比,机器人结构工艺和排爆实操竞赛成绩、三个报告成绩、图纸平均成绩、汇报答辩成绩等成绩按比例来计算,以决出名次。教练要提醒学生自评:名次不是最重要的,重要的是掌握知识、提高各种能力。
  2.2分析构思采用头脑风暴法,百花齐放,自由飞翔
  本项目的构思任务,头脑风暴是最佳的选择。首先,教练宣布纪律:畅所欲言,禁止评价。学生摆好心态,轻松上阵,通过横向思维、突破思维,得出机械结构设计和功能动作方面尽可能多的构思。如机器人机械手抓举炸弹的过程,其运动有多种形式,如转动、移动、转动加移动等。现以前两种运动形式为例,展示头脑风暴的效果。
  1)机械手转动。首先,动力驱动,可以采用舵机直接驱动或电机驱动。舵机驱动,选用180°、90°还是其他角度的舵机,有待设计环节根据机械手装配高度、运动极限位置进行估算得出。电机驱动,一般要配减速系统,可采用齿轮传动、带传动、链传动等。然后选择机械手转动的中心轴:X轴、Y轴、Z轴。
  2)机械手移动。从电机的转动到机械手的移动,可采用的机构或传动有螺旋传动、曲柄滑块机构、齿轮齿条传动等。
  2.3采用角色扮演法,起到良好的德育效果
  为增加趣味性,也为了培养学生的爱国主义精神、社会责任感及团队意识,小组在实施项目过程中扮演一定的角色,角色设置由学生自己完成,与队名、队徽、宣传画、分工及相对应的团队管理建设一致。如扮演成现代科技武装的和平卫士小分队:世界尚未和平,恐怖组织潜伏,伺机而动,人民的生命受到威胁,炸弹必须马上清除,上坡陡峭,下坡凶险,隧道黑暗,城市森林马路十八弯,养兵千日用兵一时,出发吧,驾驭我们开发制作的机器人,我们是和平卫士!
  3把机器人项目引进机械基础教学的意义
  3.1学生掌握专业知识和专业技能
  本项目增加了学生学习的趣味性,提升付出努力后的成就感。同时理论联系实践,使学生牢固掌握机械基础的三大块内容:机械机构、机械传动、轴系零件。本校用的《机械基础》教材有6个实训模块,本校没安排,内容设置得欠合理,其中减速器装拆模块已经囊括了其他模块关于螺纹、键、齿轮、轴承的实训。学生参加书中安排的实训,只是对连接固定、装配有所认识,而各种机构和各种传动的运动没有得到实践,其他方面的素质也没有提高。另外,本项目关联其他科目一起实施教学,学生对机械制图、钳工、车工等知识技能也有了进一步提高,同时认识到各课程间的关联性。
  3.2提高和锻炼学生的关键就业技能
  CDIO工程毕业生要求达到4个层面能力:工程基础知识、个人能力、人际团队能力和工程系统能力。后面几层可以算就业能力,中职学生除了专业知识和专业技能之外,也应具有就业技能(就业能力)。就业技能目前没有一个标准的定义,不难得出各行各业对就业技能的要求都少不了CDIO的三个核心技能:沟通技能、团队合作技能、解决问题技能。本项目分组进行,全组成员必须团结合作才能完成,期间学生相互之间必须有效沟通才能合作,而且教师只起引导作用,各项工作学生必须自主完成,查资料、构思、设计、加工、装配,各种软件使用,能够培养学生沟通、团队合作、解决问题的综合就业能力。
  3.3以防雷排爆为主题,培养学生的爱国主义精神和社会责任感
  中职学生成长在和平年代,九年义务教育,职校免费,他们得到太容易,缺乏感恩,缺乏爱国主义精神和社会责任感。本着“素质为本,品德为尚”,本项目教学适时融入德育,培养学生的爱国主义精神和社会责任感。
 

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