四位一体教学_四位一体教学法

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机械原理课程引入机器人比赛题材的“四位一体”教学模式探索

李充宁 侯杰茹 孙爽

（天津工程师范学院，天津 300222）

摘要： 将大学生机器人电视大赛的题材引入机械原理课程教学，采用理论教学结合具体案例、方案设计具有工程意义、实物制作付诸比赛评价，形成以学生为主体的“四位一体”教学模式。机械原理课程教学以这种创新教育模式进行了实践探索，从中得到工程应用的训练和工程创新素质的培养。

关键词： 机械原理；四位一体；机器人比赛；创新教育 中图分类号：G642

前言

随着社会的进步和科学技术的快速发展，工程技术的应用对社会的经济发展和社会进步的推动作用越来越大，因而对工程技术人才的需求越来越紧迫。工程技术教育培养的技术人才直接决定工程技术的水平和发展的速度，决定国家的工业竞争力。因此，国家特别重视高等工程教育的改革，重视人才培养的质量。特别强调要重点开展“创新型工程科技人才培养的研究”，要解决面向工程实际培养人才的问题。

机械原理课程作为一门从基础理论课过渡到工程专业应用的技术基础课，在培养工程应用型、开发创新型人才的过程中，将起到导向、铺垫和塑造构型的重要作用。如何使到机械原理课程在培养工程创新能力的应用型人才起到导向作用，如何铺垫具有解决工程实际问题的基础知识，如何塑造构型创新应用型能力的人才，是机械原理课程改革的核心和目标。我们将大学生机器人电视大赛的题材引入课堂，以机器人设计、制作和比赛为载体，开展机械原理课程教学的“四位一体”创新教育模式的实践探索。

所谓“四位一体”的机械原理课程教学模式是指：以学生为主体的“理论——设计——制作——比赛”四个教学环节集于一体，即机械原理课程机构学的理论教学结合比赛机器人课题的机构学，进行比赛机器人的运动方案设计和实物样机制作，并以实物样机上场运行开展比赛评比。机械原理课程引入机器人设计、制作和比赛的作用

大家知道，机械原理这门课讲的内容是机构学和机械动力学的基本知识、基本理论和基本方法, 培养学生具有拟定机械系统运动方案、进行运动学和动力学分析和设计机构的能力。通过机构设计、机械系统方案设计来实现和完成某些特定的功能要求。

近几年亚广联举办的大学生机器人电视大赛的题目正是机械设计类课程教学联系工程 1 实际的最好题材（这个比赛已经举办五届了），引入这种题材的比赛活动丰富同学们的校园生活，活跃同学们的校园文化，激发同学们的学习兴趣，启迪大家的创新意识，培养了同学们的创新实践能力。

首先来看大学生机器人电视大赛主题的题材特征。每年一届机器人电视大赛的主题以不同的形式提出，如首届的主题为“抢攀珠穆朗玛峰”，第二届为“太空征服者”。第三届为“鹊桥相会”。均要求设计制作具有不同动作功能的移动机器人，执行的动作功能对工作载荷的要求不大，但动作和速度的实现确是比赛取胜的关键，对机器人本体有重量和尺寸的限制条件。这种题材主要是系统方案的构思设计和轻型结构的制作、安装和调试、演练。其功能特点既接近于工程实际，但结构特征又不要求太高，具有典型的演练特征。特别适合于大学生的设计训练和实践操作锻炼。

在内容上要设计和制作的机器人要完成特定的功能动作，如伸缩，举起放下，夹持搬运等等，这需要设计制作相应的机构来完成，是将机械原理的理论知识和工程实际结合的好项目。自行设计和制作，是理论知识和方法具体应用的好课题，是实验检验、实践锻炼的好机会。方案设计、实物制作、安装调试不是一个人能完成的，需要一组人的相互配合，共同努力，最后的评价是集体的创作，所以是团队合作精神的好体现。大学生机器人电视大赛题目不重复，功能有变化，不能照搬、照抄，有创意、有新招、有绝妙，提供了一个探索科技世界、激发创新思维、付诸社会实践、展示智慧与才干的好舞台。

从比赛形式上看，是一种公开的机器人竞技比赛，场面生动活泼，具有挑战性和观赏性，比赛竞争，引人入胜，有吸引力、有刺激作用。容易引起大家的兴趣和投入。

在评价法则方面，机器人功能展示，公开、透明，比拼竞赛，胜负评判，输赢定论，公正、公平。不用靠专家、权威评判高低，只需要专家制定好规则、比赛由裁判监督。易于评判操作，杜绝了作弊、偏袒等不正当行为。

全国大学生机器人电视大赛是一个公开、公平、公正的比赛，其为功能型评价，客观真实，便于评价对比。大赛的题目出自于工程型的游戏，既带有趣味又具有新颖性，其用于比赛的样机不是可以提前预定制作，不是可以仿造制作，接近于工程，又不要求技术含量太高，制作操练性比较强。

将大学生机器人电视大赛的题材引入课堂，开展机械原理课程的“理论——设计——制作——比赛”的“四位一体”教学模式的实践，是对实施创新教育、培养创新开拓型的工程技术应用人才是一个有益的探索。“四位一体”教学模式的具体实施

机械原理课程引入机器人比赛题材的“四位一体”教学模式的具体实施，一种是直接借用大学生机器人电视大赛的主题和规则，在院内开展热身预赛。另一种是自拟形式相近题目的比赛。根据机器人大赛的主题和规则，需要进行机器人的总体方案设计；我们首先安排了动员会，向同学们介绍机器人大赛的主题和有关内容以及比赛规则，要求学生分组进行方案设计。结合比赛主题要求的功能是使项目型组织安排，以具体的案例实施课堂理论教学。机器人方案设计需要机构选型、组合和设计的知识。结合总体方案设计组织和安排课堂教学的内容。并介绍机械系统方案设计的有关理论和方法。

当有知识需求时，学生的学习兴趣非常高，并且表现出极大的积极性和主动性。学生以班级为单位自愿组合小组来做方案，设计方案要求用机械原理学过的机构运动简图表达运动关系，并画出结构布置图。对做出的方案进行答辩评审和讲评。从中选定构造合理、功能实用的方案进入实物制作和参加比赛。

进行机器人的方案设计，可用到的机构类型很多，方案组成很关键的是要易于实现，实用可靠，快捷巧妙。学生需要综合运用所学的基础知识对移动载体、功能执行机构、运动控制等各部分系统进行设计。

通过对设计方案的答辩评审和讲评，是一个具体形象的设计展示和生动活泼的知识表现，对同学们学习的理论知识点是一个深化和巩固，更是一个付诸实际应用的好操练。这个环节能充分表现学生的理论知识的学习状况，也暴露其对理论知识系统性的掌握情况。

比赛机器人的设计、制作相关的知识内容涉及机械、电子、传感、控制、驱动、材料等方面的基础知识。具体的工作过程涉及策划、组织、设计、制作、调试与演练等方面的内容。我们通过安排第二课堂的课外活动来补充相关的知识和内容，并由学生自己组织团队，吸收不同专业的学生组合来完成设计和后期的制作和调试控制。

实物样机制作要求需要先提供总体结构布置图、外观形式的立体图；并要求提供功能和运动原理的机构简图，尽可能绘制总体组装图及机器人重要部件零件图。

机器人制作工作量大，花费时间多。我们利用学院实验室开放提供场地和制作的设备等条件。安排理论课老师与实验指导教师结合指导学生进行的实物制作。学生利用课余时间、周末时间动手制作。同学们对自己的设计方案要付诸实施，有非常高的兴趣和热情，经常加班熬夜。指导老师看着同学们这么辛苦，热情却非常高，不忍心催他们离开，经常陪着他们干到晚上11、12点才离开实验室。

组织举办的院内机器人设计、制造和比赛，充分发挥我院培养大学生动手动脑的优势和特色。配合第一课堂开设第二课堂的活动来补充相关的内容，根据项目设计需要的知识和理论施教，将课堂书本知识与工程实际结合，与工程应用结合，真正体现理论知识学习的工程应用价值，体现技术创新的实践操作价值。

依托学院参加全国大学生机器人电视大赛活动提供的条件，在院内组织的机器人设计、制作和提前的预演比赛，既为动员大学生广泛参加全国大学生机器人电视大赛活动提供了了解、认识的机会，也提供了让大学生表现和进行选拔的条件。此项活动的开展为我院参加全国大学生机器人电视大赛提供了参考和经验积累。

同学们对参加机械原理课程教学的这种创新实践活动积极踊跃，在院内连续组织了几届活动，有结合第五届全国大学生机器人电视大赛主题“修建双子高塔”，开展机器人的方案设计和制作比赛，还有自拟题目的“树立校训”机器人比赛。由于参与活动的同学主要是正在开设“机械原理”课程的2、3年级的大学生，他们对相关的专业知识的学习和训练较少。象那次建塔机器人的设计制作时间比较短、任务重，同学们课程紧，又缺少这方面的经历和锻炼。大学生们靠着热情，发扬拼搏精神和创新的精神，同学们付出了辛苦、汗水、智慧和能力，经历了学习、探索和实践的锻炼，在老师的指导和学院机器人组同学的辅助下，几个班级的同学使得自己的想法得到展示，使自己的设计方案付诸了实施，最终完成实物制作，并进入实战比赛有了出色的表现。引入机器人设计、制作和比赛的教学效果

大学生机器人电视大赛的口号是“让思维沸腾起来，让智慧行动起来”。社会需求、工程需要产生驱动力；竞争、比赛将产生兴趣和热情，开拓创造力，激发想象力，锻炼实际动手能力。同学们对参加机械原理课程教学的创新实践活动积极踊跃，对开展机器人的方案设计和制作有很高的兴趣和激情。由于开设机械原理课程的班级一般是2、3年级的大学生，参与活动的学生对相关专业知识的学习和训练还较少，他们缺少这方面的经历和锻炼。通过这项活动大大激发了大学生们学习和探索的热情，调动了同学们学习相关专业知识的兴趣和积极性。在进行活动的过程中，同时开展对大学生创新教育系列讲座。结合课堂理论教学主讲“创新思想与创新设计”；聘请有丰富实践经验的技术革新能手、高级技师主讲“创新实践与技术革新”；聘请创造学研究专家主讲“创新原理与方法”。

机械原理课程教学改革结合课程的工程应用特点，根据社会的人才需求，提出相应的教学内容改革和教学方法的改革，重点突出工程创新应用设计能力培养，强调实践操作技能训练。指导教师在教学过程和实践过程中不断激发学生的创新欲望，营造创新环境，培养创新意识、思维方法和技能。通过分析、综合，加强学生对机器人机械系统设计、制作的综合训练，对机电结合的应用训练。

由于这种接近工程型的机器人比赛题目技术含量不是太高，工程要求、实践制作能力占的比重较大。我院参与这种比赛能够展示我们动手动脑的特色，体现我院突出应用技术的优势。在与名牌大学的竞争中，我院大学生机器人方案设计队参加第三届全国大学生机器人电视大赛获季军，打破了名牌大学垄断机器人大赛三甲的局面。

此项活动使学生受益非浅，加深了对课本知识的理解与融会贯通，学到了许多书本上所学不到的东西，培养了创新设计能力，学生比较牢固而又全面地掌握基础理论和专业知识外，更重要的是加强学生各种能力的培养，特别是创新思维的训练、提出问题、分析问题和解决具体问题的能力、工程设计能力。参加活动的学生深有体会进行了总结，他们深有感触地讲道：“„纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行‟，在机器人的制作过程中，我们充分的体会到了这句话的真正含义。平时的理论专业课也学得可以，可到了真正具体操作时，4 就出现了很多问题：机构自锁出现死点，齿轮咬死，轮子摩擦系数不足……正是这些我们平时看来不重视，不在意的问题，让我们栽了跟头。在机器人装配安装中，常出现了电器部分与机械部分不搭配，带动不起来的现象。在场每个班的机器人几乎都经历了一两次大修。也正是在这一拆、一装的过程中，教训记住了，经验得到了，理论知识巩固了，解决问题的能力也提高了”。

通过机械原理课程教学的创新思想教育，通过结合机器人方案创新设计的引导和实做训练和实战比赛，使学生树立了工程设计的观点，激发了创新精神，建立了创新意识，培养了创新能力。在毕业设计的实做中，好多学生都能深入工程实际，利用自己学到的知识，创新性的解决了生产实际中的具体问题，收到了较好的效果。

以上活动,除了让学生比较牢固而又全面地掌握基础理论和专业知识外，更重要的是加强学生各种能力的培养，特别是创新思维的训练、提出问题、分析问题和解决具体问题的能力、工程设计能力。结

论

机械原理课程引入机器人比赛题材的“四位一体”教学模式，将理论教学与工程应用相结合，体现了理论知识的重要性。学生亲自动手设计和制作，训练了学生应用基本方法的能力，提高了其设计的能力和实践技能。通过对设计、制作的实物的调试、演练和上场的比赛，检验了结果，获胜的同学获得成就感、自豪感、为取胜的同学看到自己的步骤和弱点，还有不服气的劲头，更激发了其学习和渴求知识、掌握技能的欲望。这种“四位一体”的教学模式极大的促进了学生主动学习、资助学习的积极性，调动了学生勤于思考，勇于实践、敢于探索和创新的劲头。为培养有真才实学的创新型人才提供了一个易于操作的好途径。

参考文献：

[1] 吴启迪.发展高等工程教育，推动国家创新体系建设.高等工程教育研究2006(3)：1-3 [2] 崔正昀.探索和实践“四位一体”教学模式[J].天津职业技术师范学院学报，2001，11(4)：40-42.[3] 杨继昌 王贵成.开展“四位一体”综合教学改革的研究及实践[J].中国大学教学，2003(5)：24-25

通讯作者:李充宁(1953-),男,教授,硕士,主要从事机械学、机械CAD等方面的教学与科研工作 联系电话：022-88181086 电子信箱：lichongning@tute.edu.cn 5