基于慧鱼模型的机电综合实验教学探索与实践

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摘要：高等院校机电综合实验需要学生将所学的机械，计算机及自动控制等知识有机结合，实践性极强。对机电综合实验教学进行了探索与实践，基于慧鱼机器人模型，摸索出了基本实验—综合设计型实验—创新型实验—研究型实验相结合的实验教学体系。实践表示，该体系教学效果良好，具有一定的推广价值。
关键词：慧鱼模型；机电综合；实验教学
一、 引言
机电综合实验涉及机械、电子、计算机、自动控制学科，知识点覆盖全面，对学生的实践能力有很强的提升作用，因而深受欢迎和重视。慧鱼教学创意机器人因其独特的模块化设计特点在国内外广泛用于机械类课程的实验教学。如德国和美国众多高校将慧鱼机器人作为教学机器人用于机械类课程的教学和实验，国内南京理工大学、东北林业大学、西南科技大学、辽宁工业大学和淮阴工学院等高校以实训专周的形式利用慧鱼机器人进行大学生的创新实验。
传统的机电综合实验教学没有成系统，只强调学生对基本分析能力和基本设计能力的训练，导致学生获取的知识都是片面的、有局限的，过于模式化，不成体系，而将慧鱼机器人引入机电综合实验教学，为改革传统的机电综合实验提供了良好的工具。对基于慧鱼模型的机电综合实验教学进行探索与实践也是很有必要的。
二、 慧鱼模型在机电综合实验教学中的应用方案
景德镇陶瓷大学早在2003年就开始购进部分慧鱼模型，供机械设计专业学生选修机器人创新实验，2016年慧鱼模型纳入机电工程坊供机电综合实验用，笔者即进入该实验室工作，指导机电综合创新实验，同时进行实验教学探索和实践。制订了基于慧鱼模型的分层次、模块化和递进式的创新实验教学体系，形成四级阶梯式实验教学构架，即基本实验—综合设计型实验—创新型实验—研究型实验相结合的实验教学体系。
第一个阶段是基本实验阶段，学生的任务是模仿和学习。教师提前开发比较基础的实验项目，编写相应的实验大纲和实验指导书并提供必要的资料、图片和视频，教师对慧鱼模型的基本操作进行讲授，指导学生掌握慧鱼机器人模型的机械原理。学生分组进行实验，通过老师提供的图片、视频资料获得初步的感性认知，然后根据实验指导书的指引，对机械原理教材中的典型机械结构（如齿轮机构、凸轮机构、连杆机构、带传动和链传动机构等）进行组装和拆卸练习，掌握慧鱼机器人模块装拆方法。
第二个阶段是综合设计型实验阶段，由于引入电气控制模块，教师首先要指导学生学习模块控制软件ROBOPro和LLWIN并编写一些简单的控制程序。然后教师要引导学生完成机电综合系统的搭建和控制。教师提供一些机电综合系统（如智能避障小车，工业机械手等）的主体构架，在此基础上，由学生分组讨论传动和控制方案，然后根据方案搭建结构并进行电气控制调试。通过构建这样的机电综合系统，学生参与完成了机电一体化设计的整个过程，本实验阶段包括机构的设计、电路的搭建、传感器的安装、软件的编程等多方面知识，基本覆盖了机电专业主干课程。
第三个阶段是创新型实验阶段。本阶段要求学生完成吸收与创新的过程。跳出实验指导书的框框，对第二阶段搭建好的机电综合系统进行改进，如对工业机械手加入更多的电子元件和控制元件，使之完成更多的动作，或者完全抛开前段搭建好的机电综合系统，重新构建新的机构，创造出具有全新功能的机器人系统。
第四个阶段是研究型实验。由教师根据工程实际或者自己的项目提出具体的工程问题，引导学生构建新的机器人来解决这些问题。学生可以分组针对题目进行方案论证，机械简图绘制、机构结构搭建、控制元件的安装及电气调试等。经过这一阶段的实验，可以培养学生独立解决大型工程实际问题的能力。
三、 方案实施的效果与经验
四级阶梯式实验教学构架，即基本实验—综合设计型实验—创新型实验—研究型实验相结合的实验教学体系自实施以来，成功实现了传统机器人实验教学模式的两个转变。第一个转变是封闭式的机电类实验教学模式向开放式教学模式转变。传统的机电类实验教学一般采用课程附带实验以及实訓专周等封闭式教学模式，方案的实施为机电类实验提供一种开放式的、创新的实验教学模式。第二个转变是机电类实验考核方式的转变。传统机电类实验考核方式是根据学生的实验报告和实验操作给出相应的成绩，形式单一并不能完全反映学生真实成绩。在本方案实施过程中，学生可以自行设计相关的机器人和各类机电系统，对于学生的设计结果，没有标准答案和固定的模式，可以充分发挥学生的创新能力。另外，创新实验可以和科技竞赛相结合，学生在提交作品后，其成绩和学分由作品本身和学生的现场答辩表现决定，跨出了实验指导书的限制，能够更真实地反映学生的能力。
四、 结语
笔者在长期的机电综合实验教学中进行探索，实施了一种四级阶梯式实验教学构架，即基本实验—综合设计型实验—创新型实验—研究型实验相结合的实验教学体系。该体系由浅入深，循序渐进，注重吸引学生参与实验的主动性，逐步提高他们的积极性，在潜移默化中，学生的动手能力，创新能力和团队协作精神都得到了培养。
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作者简介：黄志诚，刘莉娅，江西省景德镇市，景德镇陶瓷大学机械电子工程学院；
黎泽伦，重庆市，重庆科技学院机械与动力工程学院。