摘要：從將大學生機器人電視大賽的模式引入《機械原理》課程教學入手，闡述了以機器人設(shè)計、制作和比賽為載體，開展以學生為主體的《機械原理》課程的“理論—設(shè)計—制作—比賽”的“四位一體”教學模式的實踐探索。

關(guān)鍵詞：《機械原理》課程；機器人比賽；四位一體；創(chuàng)新教育

隨著社會的進步和科學技術(shù)的發(fā)展，工程技術(shù)的應用對社會經(jīng)濟的發(fā)展和社會進步的推動作用越來越大，而工程技術(shù)教育培養(yǎng)的技術(shù)人才直接決定工程技術(shù)的水平和發(fā)展的速度，決定國家的工業(yè)競爭力。因此，國家特別重視高等工程教育的改革，重視人才培養(yǎng)的質(zhì)量，特別強調(diào)要重點開展“創(chuàng)新型工程科技人才培養(yǎng)的研究”，要解決面向工程實際培養(yǎng)人才的問題。

《機械原理》課程作為一門從基礎(chǔ)理論課過渡到工程專業(yè)應用的技術(shù)基礎(chǔ)課，在培養(yǎng)工程應用型、開發(fā)創(chuàng)新型人才的過程中，將起到導向、鋪墊和塑造構(gòu)型的重要作用。如何使《機械原理》課程在培養(yǎng)工程創(chuàng)新能力的應用型人才方面起到導向作用，如何鋪墊具有解決工程實際問題的基礎(chǔ)知識，如何塑造構(gòu)型創(chuàng)新應用型能力的人才，是《機械原理》課程改革的核心和目標。我們將大學生機器人電視大賽的模式引入課堂，以機器人設(shè)計、制作和比賽為載體，開展《機械原理》課程教學的“四位一體”創(chuàng)新教育模式的實踐探索。

所謂“四位一體”的《機械原理》課程教學模式是指：以學生為主體的“理論——設(shè)計——制作——比賽”四個教學環(huán)節(jié)集于一體，即《機械原理》課程機構(gòu)學的理論教學結(jié)合比賽機器人課題的機構(gòu)學，進行比賽機器人的運動方案設(shè)計和實物樣機制作，并以實物樣機上場運行開展比賽評比。

《機械原理》課程引入機器人設(shè)計、制作和比賽的作用

《機械原理》的內(nèi)容是機構(gòu)學和機械動力學的基本知識、基本理論和基本方法，目的是培養(yǎng)學生具有擬定機械系統(tǒng)運動方案、進行運動學、動力學分析以及設(shè)計機構(gòu)的能力，并通過機構(gòu)設(shè)計、機械系統(tǒng)方案設(shè)計來實現(xiàn)和完成某些特定的功能要求。

近幾年，亞洲廣播電視聯(lián)盟（以下簡稱亞廣聯(lián)）舉辦的大學生機器人電視大賽的題目正是機械設(shè)計類課程教學聯(lián)系工程實際的最好題材，引入這種題材的比賽活動豐富了學生的校園生活，激發(fā)了學生的學習興趣，啟迪了大家的創(chuàng)新意識，培養(yǎng)了學生的創(chuàng)新實踐能力。

首先，來看大學生機器人電視大賽主題的題材特征。每年一屆機器人電視大賽的主題以不同的形式提出。如首屆的主題為“搶攀珠穆朗瑪峰”，第二屆為“太空征服者”，第三屆為“鵲橋相會”，均要求設(shè)計制作具有不同動作功能的移動機器人，執(zhí)行的動作功能對工作載荷的要求不大，但在機器人本體的重量和尺寸的限制下，動作和速度的實現(xiàn)卻是比賽取勝的關(guān)鍵。這種題材主要是系統(tǒng)方案的構(gòu)思設(shè)計以及輕型結(jié)構(gòu)的制作、安裝、調(diào)試和演練。其功能特點既接近于工程實際，但結(jié)構(gòu)特征又不要求太高，具有典型的演練特征。特別適合于大學生的設(shè)計訓練和實踐操作鍛煉。

在內(nèi)容上，設(shè)計和制作的機器人要完成特定的功能動作，如伸縮、舉起、放下、夾、搬運等等。完成這些特定的動作需要設(shè)計制作相應的機構(gòu)，這是將《機械原理》課程的理論知識和工程實際結(jié)合的好項目，是理論知識和方法具體應用的好課題，也是實驗檢驗、實踐鍛煉的好機會。方案設(shè)計、實物制作、安裝調(diào)試不是一個人能完成的，需要一組人的相互配合，共同努力。從比賽形式上看，這是一種公開的機器人競技比賽，具有挑戰(zhàn)性和觀賞性，容易引起大家的興趣和投入。

在評價法則方面，機器人功能展示，公開、透明，只需要專家制定好規(guī)則，比賽由裁判監(jiān)督，杜絕了作弊、偏袒等不正當行為。

全國大學生機器人電視大賽是一個公開、公平、公正的比賽，將大賽的題材引入課堂，開展《機械原理》課程的“理論——設(shè)計——制作——比賽”的“四位一體”的教學模式的實踐，是對實施創(chuàng)新教育、培養(yǎng)創(chuàng)新開拓型的工程技術(shù)應用人才的一個有益的探索。

“四位一體”教學模式的具體實施

將機器人比賽題材引入《機械原理》課，實施“四位一體”的教學模式，一種方法是直接借用大學生機器人電視大賽的主題和規(guī)則，在院內(nèi)開展熱身預賽。另一種方法是自擬形式相近題目進行比賽。

根據(jù)機器人大賽的主題和規(guī)則，需要進行機器人的總體方案設(shè)計。我們首先安排了動員會，向?qū)W生介紹機器人大賽的主題、內(nèi)容以及比賽規(guī)則，要求學生分組進行方案設(shè)計。學生以班級為單位自愿組成小組做方案，設(shè)計方案要求用《機械原理》課程中學過的機構(gòu)運動簡圖表達運動關(guān)系，并畫出結(jié)構(gòu)布置圖，然后對做出的方案進行答辯評審和講評，從中選定構(gòu)造合理、功能實用的方案進入實物制作。進行機器人的方案設(shè)計，可用到的機構(gòu)類型很多，方案組成的關(guān)鍵是要易于實現(xiàn)，實用可靠，快捷巧妙。學生需要綜合運用所學的基礎(chǔ)知識對移動載體、功能執(zhí)行機構(gòu)、運動控制等各部分系統(tǒng)進行設(shè)計。

對設(shè)計方案的答辯評審和講評，是一個具體形象的設(shè)計展示和生動活潑的知識呈現(xiàn)，是對所學的理論知識的深化和鞏固，更是一個將理論付諸實踐的好操練。這個環(huán)節(jié)能充分表現(xiàn)學生對理論知識的學習和掌握情況。

設(shè)計、制作比賽機器人所需要的知識內(nèi)容涉及機械、電子、傳感、控制、驅(qū)動、材料等各方面。具體的工作過程涉及策劃、組織、設(shè)計、制作、調(diào)試與演練等方面的內(nèi)容。我們通過安排第二課堂的課外活動來補充相關(guān)的知識和內(nèi)容，并由學生自己組織團隊，吸收不同專業(yè)的學生共同完成設(shè)計、后期制作和調(diào)試控制。

實物樣機制作需要先提供總體結(jié)構(gòu)布置圖、外觀形式的立體圖，并要求提供功能和運動原理的機構(gòu)簡圖。而且制圖時，學生應盡可能繪制出總體組裝圖及機器人重要部件零件圖。

組織舉辦的學院機器人設(shè)計、制造比賽，充分發(fā)揮我院培養(yǎng)大學生動手動腦的能力。通過開設(shè)第二課堂補充相關(guān)的內(nèi)容，根據(jù)項目設(shè)計需要的知識施教，將課堂書本知識與工程實際、工程應用相結(jié)合，真正體現(xiàn)理論知識學習的工程應用價值，體現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新的實踐操作價值。

在學院組織機器人設(shè)計、制作的預演比賽，既為大學生了解、認識全國大學生機器人電視大賽活動提供了機會，也為我院參加全國大學生機器人電視大賽提供了參考以及經(jīng)驗的積累。

學院連續(xù)開展了幾屆機器人方案設(shè)計、制作比賽。參與活動的學生大都是剛開始接觸《機械原理》課程的二、三年級的大學生，對相關(guān)的專業(yè)知識了解較少，雖然如此，但學生靠著熱情，發(fā)揚拼搏精神和創(chuàng)新精神，不畏艱難，在老師的指導和學院機器人組同學的輔助下，幾個班級的同學都讓自己的設(shè)計方案付諸實施，最終完成實物制作，并進入實戰(zhàn)比賽。參與這種比賽，能夠展示學生的能力，體現(xiàn)我院突出應用技術(shù)的優(yōu)勢。在與名牌大學的競爭中，我院大學生機器人方案設(shè)計隊參加第三屆全國大學生機器人電視大賽獲季軍，打破了名牌大學壟斷機器人大賽三甲的局面。

引入機器人設(shè)計、制作和比賽的教學效果

大學生機器人電視大賽的口號是“讓思維沸騰起來，讓智慧行動起來”。社會需求、工程需要產(chǎn)生驅(qū)動力；競爭、比賽激發(fā)創(chuàng)造力、想象力以及鍛煉了學生的動手能力。在進行活動的過程中，同時開展大學生創(chuàng)新教育系列講座。結(jié)合課堂理論教學主講“創(chuàng)新思想與創(chuàng)新設(shè)計”，聘請有豐富實踐經(jīng)驗的技術(shù)革新能手、高級技師主講“創(chuàng)新實踐與技術(shù)革新”；聘請創(chuàng)造學研究專家主講“創(chuàng)新原理與方法”。

《機械原理》課程教學改革結(jié)合課程的工程應用特點，根據(jù)社會對人才的需求，提出相應的教學內(nèi)容改革和教學方法改革，重點突出工程創(chuàng)新應用設(shè)計能力培養(yǎng)，強調(diào)實踐操作技能訓練。指導教師在教學過程和實踐過程中不斷激發(fā)學生的創(chuàng)新欲望，營造創(chuàng)新環(huán)境，培養(yǎng)創(chuàng)新意識、思維方法和技能。通過分析、綜合，加強學生對機器人機械系統(tǒng)設(shè)計、制作的綜合訓練，對機電結(jié)合的應用訓練。

此項活動使學生受益匪淺，加深了學生對課本知識的理解，在動手動腦的過程中學到了許多書本上學不到的東西，培養(yǎng)了學生的創(chuàng)新設(shè)計能力。學生在掌握基礎(chǔ)理論和專業(yè)知識外，更重要的是加強各種能力的培養(yǎng)，特別是創(chuàng)新思維的訓練以及提出問題、分析問題和解決問題的能力。通過《機械原理》課程教學的創(chuàng)新思想教育，通過結(jié)合機器人方案創(chuàng)新設(shè)計的引導、實踐訓練和實戰(zhàn)比賽，使學生樹立了工程設(shè)計的觀點，建立了創(chuàng)新精神，激發(fā)了創(chuàng)新意識，培養(yǎng)了創(chuàng)新能力。在畢業(yè)設(shè)計的實踐中，很多學生都能深入到工程的實際操作中，利用自己學到的知識，解決生產(chǎn)實踐中出現(xiàn)的具體問題。

《機械原理》課程引入機器人比賽題材的“四位一體”教學模式，將理論教學與工程應用相結(jié)合，體現(xiàn)了理論知識的重要性。學生親自動手設(shè)計和制作，訓練了學生應用基礎(chǔ)方法的動手能力，提高了其設(shè)計和實踐技能。通過對設(shè)計制作實物的調(diào)試和演練，檢驗了學生動手動腦的成果，獲勝的學生獲得了一定的成就感和自信心后，更激發(fā)了其學習和渴求知識的欲望。這種“四位一體”的教學模式極大的調(diào)動了學生主動學習的積極性，調(diào)動了學生勤于思考、勇于實踐、敢于探索和創(chuàng)新的勁頭，為培養(yǎng)有真才實學的創(chuàng)新型人才提供了一條好途徑。

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作者簡介：

李充寧（1953—），男，陜西戶縣人，天津工程師范學院教授，研究方向為機械學。（本文責任編輯：尚傳梅）