基于“慧鱼模型”的机器人课程实验教学改革探索

辛　颖　薛　伟　王　剑　狄海庭

【摘要】该文针对机器人课程的教学与实验中存在的不足,以慧鱼模型为教具,探讨了慧鱼模型在机器人课程实验中的应用方案与实践过程,阐述了进行机器人实验改革的一些收获。慧鱼模型在机器人实验教学中的应用,对培养学生创新思维和动手能力提供了一个良好的载体,为大学生的创新教育提供了一条新的途径。

【关键词】慧鱼模型;机器人;实验;改革

【中图分类号】G40-057 【文献标识码】B 【论文编号】1009—8097(2009)07—0138—02

一 前言

近年来,我国的机器人教育有了很大的发展,机器人技术课程逐步成为高校综合性实践课程[1]。在传统的教学方法中,我国机器人教育普遍存在着重视知识传授、轻视能力培养,重视理论教学、轻视实践环节的问题,使得学生只满足于死记硬背知识点,没有注重学生独立动手能力、综合分析问题和解决问题能力的培养[2]。

在实验和实践教学方面,机器人课程的实验教学基本上是围绕基础理论的验证性实验,缺少设计性和综合性实验,不能给学生提供一个创新意识自由发挥的空间。学生很少有机会进行思考和创意,创新意识和创新潜能无法得到充分的培养[3]。

因此,对机器人技术课程的实验教学改革与探索是非常必要的,而德国慧鱼模型的出现,为机器人实验教学改革提供了良好的载体。

二 慧鱼模型简介

慧鱼模型是由德国发明家Arthur Fischer博士在1964年从其专利“六面拼接体”的基础上发明的[3-4]。慧鱼模型是由机械构件、电气构件、传感器、气动构件、电脑控制器及软件所组成的系统[5];模型采用模块式设计,可无限扩充,可反复拆装;产品系统化,种类多样化,可逼真地表现机械系统的构成和控制过程及科学原理,便于对机器人原理、组成、控制的全面认识;以机械传动为核心,融传感器技术、计算机技术、自动控制技术、机器人技术为一体的教学及仿真模型。该智能模型能够展示科学原理和技术过程,紧密联系研究设计和生产实践过程,不断创新,不断发展,学生可以通过自己动手搭建机械、气动、传感器部件,熟悉并掌握机器人产品的结构、工作原理,并可在此基础上利用PLC、计算机接口或单片机接口板进行自动控制,培养学生将所学知识交叉融合、用于解决具体问题的能力,同时培养学生的动手能力、创新能力。该模型也代表了高科技的许多领域,受到国内外各地教育工作者的关注和思考。

三 慧鱼模型在机器人实验教学中的应用方案

东北林业大学工程技术学院2006年购进慧鱼模型,建立机器人创意实验室。结合机器人技术课程的教学安排与慧鱼模型的特点,将机器人实验在内容上分为以下五部分:机器人技术入门实验、移动机器人实验、气动机器人实验、仿生机器人实验和工业机器人实验。实验分为必选和选修两部分内容,将机器人入门实验列为必选实验,机器人基本的实验原理、编程及控制方法在必选实验中得到训练,使学生了解慧鱼机器人的制作与控制过程,激发学生的创新意识;将难度较大的移动机器人实验、气动机器人实验、仿生机器人实验、工业机器人实验列为选修实验,学生可根据兴趣进行选择,通过对各种专用机器人的制作与控制,进一步发挥学生的创新意识,提高学生的动手能力。

每个实验的完成过程大致按三个阶段进行:首先是模仿学习阶段,学生通过对提供的资料、图片、教具进行观察、研究和琢磨,进行自主的学习模仿性实验,获取大量感性认识,根据实验指导书上的提示制作慧鱼机器人,学习各种经典的机构组合方式,结合电脑语言编程,对设计的机器人进行编程和控制;第二阶段是改进阶段,在已制作好的机器人基础上进行改进,使之实现更多地动作,培养想象力和创造力;第三阶段是创新阶段。摆脱实验指导书的束缚,创造出具有新的机构和功能的机器人。

四 移动机器人实验创意组合实践

如何利用慧鱼模型进行机器人的创新实验,如何能使学生的创意得到很好的发挥,是在进行实验课程之前值得认真思考的问题。东北林业大学工程技术机器人创意实验室通过实施模仿、改进和创新三个阶段,完成慧鱼模型组合的三个过程,取得了良好的实践效果。下面以移动机器人创意实验为例,介绍慧鱼模型在进行机器人实验教学改革的实践过程:

1 基本知识的准备。首先引导学生熟悉慧鱼模型的各个模块功能,复习机器人技术、传感器、微机原理和Robo Pro编程等一些基本知识,为进行机器人创意实验设计打下基础。

2 主要实验器材的准备。各实验小组准备慧鱼移动机器人组合包一套、慧鱼专用电源一套、PC机一台、Robo Pro软件一套、智能接口电路板一块。

3 题目拟定。起初学生对慧鱼模型不了解,首先由老师确定题目:运行小车。采用两个传感器检测所行距离,含有一个接触开关和一个脉冲齿轮,脉冲齿轮连接到电机的减速轴上,使得电机开关启动四次。要求学生通过计算所有脉冲边沿,使运行小车能够实现以边长为一米的正方形轨迹行走功能。该题目集机、电、控制、传感技术和机器人技术为一体,构思与组装具有一定的创意。

4 方案的改进阶段。在运行小车制作完成之后,启发学生在此基础上进行改进,制作一个类似于工厂AGV车的追踪轨迹机器人。学生通过了解AGV小车的运行原理,采用黑色胶带作为轨迹,车身下安装光电传感器,当传感器反射出黑线,马达就会做出相应的反应。在实验过程中,应注意轨迹的转弯不能太急,否则机器人会出现因看不到轨迹而频繁偏离轨迹的现象。同时,为了保证传感器功能的准确性,应保证轨迹有足够的亮度。

5 方案的创新阶段。要求学生开动脑筋,依据自己的想法组合出新的移动小车。有的同学根据追踪轨迹机器人的运行原理,又增加了新的功能,设计出寻光避障机器人,该机器人将寻光和避障的功能结合起来。首先,机器人寻找光源,发现光源,进行跟踪,如果探测到妨碍其前进的障碍物,识别障碍的功能将开始起作用,当障碍全部扫光,机器人继续寻找光源前进。该方案将进行寻光功能的光电传感器连接到两个输入端,当模型向左右旋转时,采用接触传感器计算脉冲。该任务主要分成三部分:检测机器人是否看到光源(子程序Light),检测机器人是否碰到障碍(子程序Obstacle),机器人鉴于上述判断功能的相应反应动作(子程序Driving)。该方案的完成不仅锻炼了学生的创新能力和动手技能,同时训练了学生“自顶而下”的编程思想,收到良好的效果。

五 应用慧鱼模型进行机器人实验教学的收获

通过利用慧鱼模型进行机器人实验教学改革,得出一些收获与经验:

1 由于慧鱼模型的自身特点,通过模型的搭建和组装,提供了一种特殊的学习模式,即一边动手制作,一边学习相关知识,在机器人制作过程中,每时每刻都会出现新的问题,明确的目标激发学生主动去寻找答案,培养学生的动手能力、解决实际问题能力和创新设计能力。而且,由于慧鱼模型要求学生完成创意设计,许多内容超出教材甚至超出教师的知识范围,因此必然敦促教师自身的再学习和提高。有了教学实践中师生共同探讨问题的经历,学生有问题愿意找老师答疑和探讨,可形成一种互相学习、互相促进的新型师生关系。

2 在进行慧鱼模型的组装和创意过程中,应以学生动手实践为主,教师为辅。教师不要过多地干预学生的思维,给学生充分思考和创新的空间,尽量创造一个使学生的潜能得以充分发挥的环境,使学生的特长得以展示,能力得以提高,而且逐渐养成“不墨守成规,不拘泥于传统”的思维习惯。

3 教师应用最简洁的方法教会学生使用慧鱼控制软件,避免学生在软件上遇到过多的障碍。由于实验课的课时有限,教师应将准备工作做好做细,将软件的使用方法和要点提前向学生讲授,使学生在软件学习上不要花费太多的时间,重点将程序编制中对学生创新思维和创新能力的培养放在程序的逻辑关系、时间分配和控制方法上。

4 加强慧鱼零件的管理。慧鱼模型在使用的过程中,普遍存在着一个问题:慧鱼构件种类繁多,形状细小,容易出现丢失的现象。在实验课中,如果构件使用不当或管理不严,经常会出现损失和丢失构件的现象,而且有的构件一套组合包中就只有一个,在这种情况下,无法从厂家购买一个或两个单独的构件,可能会出现为购买一个构件而需要购买整套模型的现象。因此,在进行慧鱼创意组合实验课之前,应思考如何有效地管理慧鱼构件的问题。

六 结语

在应用慧鱼模型进行机器人实验教学过程中,学生将综合应用到机械原理、气动技术、电子电路、测试及控制和软件编程等知识,而且慧鱼模型的组建没有特定的标准答案和固定的模式,不受教材制约,不需要反复记忆和练习,因而学生完全在一个开放性的环境中进行自主式的探索和研究,鼓励学生积极思考,开创学生之间、师生之间进行平等讨论的良好环境,可建立自主学习的研究气氛和学习方法。因此,通过采用慧鱼模型对目前机器人技术的实验教学体系进行改革,可以体现“以学生发展为本,以能力发展为主”的现代教育理念,是一条探索培养学生创新能力的有效途径。

参考文献

[1]陆承景.对机器人学科教学目标和内容的实践与思考[J].中国电化教育,2006,12:71-72.

[2]万佑红,蒋国平.机器人教育与大学生创新能力培养的探索[J].电气电子教学学报,2005,27(4):6-8.

[3]肖晓萍,廖青.“慧鱼”教具在大学生创新教育中的探索性研究[J].高教研究,2006,79(2):36-37.

[4]蒋端六.探索型实验带动研究性课程的发展[J].无锡教育学院学报,2001,21(3):63-65.

[5]文沛先,韩满林.慧鱼创新组合实验与培养学生研究性学习的能力[J].常州信息职业技术学院学报,2002,1(2):70-71.