基于课赛融合的机器人技术基础课程改革研究.pdf

:./.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 摘 要:在新工科背景下针对当前机器人工程专业中学生学习专业知识兴趣不高、利用专业知识解决复杂工程问题能力较差等问题提出了课赛融合的教学改革模式 以江苏理工学院机器人工程专业为例介绍了专业核心课的设置与学科竞赛取得的成果 接着剖析了当前专业课程教学存在问题以及课赛融合教学方式的优点 进而阐述了如何将全国大学生机械创新设计大赛案例融入机器人技术基础的教学环节中 最后建立课赛融合的评价机制进一步保障了课程改革的质量关键词:机器人工程课赛融合课程改革机器人技术基础 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 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 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、邵阳职业技术学院、湖南工商大学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 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 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()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、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()理论与实际存在脱节现象“机器人技术基础”课程教学共有 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()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 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:()激发学生学习的兴趣和动力 学科竞赛可以激发创新教学科技风 年 月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()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()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()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()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 根据文献研究可知课赛融合模式的发展趋势为:()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()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()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 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 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 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/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.臂长.以关节 为例关节 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 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 和关节轮 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 级机器人中进行了初步尝试 从课程伊始安排学生 科技风 年 月创新教学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 中 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:()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()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()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()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()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参考文献:赵海朋张凌燕.“十四五”时期我国机器人产业发展关键在于做好三个“关键”.机器人产业():.赵兰香.立足我国科技创新实践关注科学学研究新需求.科学研究():.吴书新岳冬梅刘永斌等.创新创业教育视角下 沙盘课赛融合课程体系构建 基于“互联网”时代下的教育教学改革.创新创业理论研究与实践():.麻名蕊刘伟.基于课赛融合的单片机课程改革的研究.科技视界():.锁林.基于高职技能竞赛下的管理会计课程“课赛融合”研究.老字号品牌营销():.姜林刘星宝杨俊丰等.“课赛融合”模式在机器学习课程教学中的应用.计算机教育():.丁力叶霞黄明等.应用型本科院校机器人工程专业人才培养模式探索.科技风():.丁力叶霞单文桃等.应用型本科院校机器人课程改革探索.教育教学论坛():.董明海李云汤婧.基于“课赛融合”的“船体/”课程教学改革实践研究.浙江国际海运职业技术学院学报():.姚月樊志王耀环等.“课赛”融合的化工设计类课程教学模式改革实践.中国轻工教育:.张守首张凌涛.课赛融合下的工程团队项目课程教学改革.科技视界():.邹秋梅.“课赛融合”视阈下的大学英语教学改革与探究.海外英语():.张爱东.以赛促教以赛促学课赛融合的研究探索.知识经济():.基金项 目:江 苏 理 工 学 院 教 学 改 革 与 研 究 项 目()江苏高校“青蓝工程”资助作者简介:丁力()男汉族江苏宜兴人博士副教授硕士生导师机器人工程专业系主任从事机器人技术与人工智能技术研究叶霞()女汉族江苏泰州人博士教授硕士生导师机械工程学院院长从事生物表面工程技术研究黄明()男汉族湖北武汉人讲师硕士生导师从事机器人技术研究单文桃()江苏盐城人博士副教授硕士生导师机械工程学院副院长从事高速电主轴研究巢渊()江苏常州人博士副教授硕士生导师从事视觉检测研究创新教学科技风 年 月