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“精密机械设计”课程教学改革探索与实践

2024-08-21 28 上传者：管理员

摘要：“精密机械设计”作为一门将制造技术与工业应用紧密结合的课程，旨在培养学生掌握精密机械的设计方法和应用技术。基于电子信息工程与测控技术的基本思想，探索了“精密机械设计”课程的课堂教学、实践创新等环节。通过将六自由度机械臂避障实践融入课堂中，培养学生的科研、实践、创新能力，提高学生解决复杂工程问题的能力，取得了较好的教学效果。

关键词：
六自由度机械臂
教学计划
课程改革
课程设计
路径规划算法
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随着科技的发展与第四次工业革命的深入，人类的生产生活方式向自动化与智能化深刻变革[1]。我国提出了《“十四五”智能制造发展规划》，明确了将精密仪器制造技术与工业、科研实践深度融合的重要性。

“精密机械设计”课程包含机械、电子、物理等知识，具有学科交叉的特征，涵盖了理论知识、实践操作和设计项目等[2-3]，导致教学计划和课程设计存在不匹配的问题。因此探索一种与课程大纲紧密结合，且与工业实践平滑接轨的教学方式势在必行。“精密机械设计”作为众多高校都已开设的传统专业课程，其教学内容受制于理论内容较为陈旧、教材实践与新型工业技术脱轨等现状，同时在自动化与智能化变革的过程中，六自由度机械臂具有广泛的应用。因此笔者决定将课程实验与六自由度机械臂相结合，探寻更有利于提升学生综合实践能力的教学模式。

武汉大学电子信息实验中心集中师资力量，对“精密机械设计”课程目前存在的问题和课程实践项目的安排进行了规划，以学生为中心、以实践为目的，对课程进行改革探索。通过完全由学生参与的大学生创新创业训练项目(以下简称“大创项目”)进行实验，对课程体系与考核计划进行分析，并在完成过程中积累了一些经验。

1、课程安排与解决思路

“精密机械设计”课程是测控技术和仪器专业及电子信息专业的核心课程，旨在培养学生掌握机械设计的基本理论、方法和技能。在教学计划中“精密机械设计”课程为3学分、48学时，且全为理论课学分，容易出现学生仅掌握理论知识，却对实践操作一无所知的情况，具体存在的问题如下。①课程内容更新滞后：随着技术的快速发展，课程内容无法及时更新，无法反映最新的工业标准和工具。②缺乏跨学科整合：课程包含跨学科知识，如计算机科学、电子工程和材料科学等，传统的“机械仪器设计”课程专注于本专业领域，忽视了与其他学科的整合。③缺乏设计工具和软件的应用：现代机械设计依赖于计算机辅助设计(CAD)软件和其他工程软件及Linux教学系统[4]，学生对于使用这些工具缺乏足够的实践。

针对上述问题，“精密机械设计”课程采取如下改革措施。①加强理论与实践的结合，通过实验室实践、项目式学习或者实习机会，让学生将所学知识应用于实际，如借助学生自行探索六自由机械臂，并对于避障算法在RRT算法和人工势场法进行针对性修改，在稳定性、快速性等方面取得了优势。②学生通过多种实验模拟仿真平台的搭建及学习，提高自身的实践水平，同时在模拟仿真实验中对多种仪器的应用有了更加深厚的理解。③增强团队合作训练，通过3人小组项目和团队评估促进学生之间的协作，以小组的形式完成大作业，激发高水平人才的潜能。

2、教学探索

2.1 课程内容

“精密机械设计”课程授课对象为电子信息专业大二学生，学生已具备数据分析能力与C++基础。在前期准备上，课程组通过对大创项目的进度观察，在原有内容基本不变的情况下，增加了实践课学分，设置了4学时的机械臂控制理论学习与8学时的机械臂基础控制实操，在终期大作业前留有2学时的机械臂路径规划算法理论学习、8学时的大作业完成时间和2学时的实践小组大作业展示。教学模式框架如图1所示。

实验教学内容以实操为主、理论为辅，以机械臂的驱动为主线，通过对机械臂工作原理和stm32软件的介绍，帮助学生掌握机械臂的使用方法和相关算法。再结合机械臂基础的路径规划算法(如RRT算法、人工势场法)的介绍[5]，引入开放性实践大作业，让学生在机械臂上自主实现机械臂的避障路径规划，学生借助基础的路径规划算法理论实现机械臂路径规划，也对算法加以创新或融合来提高路径规划效率。学生3人1组合作完成大作业，并进行小组展示。“精密机械设计”课程考查了学生的创新能力与工程能力，在帮助学生全面了解机械臂的基础上，给予学生独立的开发空间，有助于学生项目经验的积累。课程实验框架如图2所示。

图1 “精密仪器设计”数学模式框架

图2 课程实验框架

2.2 案例设计与结果

课程组为探究课程内容的可实现性，选取3名学生为1个小队，以大学生创新创业计划为依托进行课程实践。学生小队分析了RRT算法与人工势场法这两类基础的路径规划算法的不足，具体如下。①RRT算法的生成点是随机的，导致生成点大多数时候是无效点，拖慢算法速度，且容易陷入死循环，成功率较低；②人工势场法的问题在于其规划路径的成功率较低，容易陷入局部最优解的情况，致使路径规划失败[6]。

在此基础上，学生小队提出了一种融合算法，该算法在保留了人工势场法的高适应性与计算快速性的基础上，结合RRT算法的观念，提高了路径规划的成功率、运算效率，同时避免陷入人工势场法的局部最优解困境之中。随机树向外生长时，每次点的选取都有两种可能：第一种可能是向构建的人工势场的合力方向扩展一定步长(人工势场法)，第二种可能是在随机树周围随机取点(RRT算法)，其中第一种可能性大，融合算法流程如图3所示。

在大作业展示中，学生通过对比一系列数据，展示了融合算法的优越性，优越原因是部分势场的加入使点的选取更加具有导向性，减少了原有的RRT算法中随机取点的随机性，在算法层面上使一定数量的“无效路径”消失，使路径总体上向目标方向伸展减少了分支路径的产生。至于部分场景的路径点变化较小，部分场景路径点变化较大，是因为不同场景路径不同，机械臂最优路径长度不同和规划难度差异而导致理想路径点数量不同，融合算法对于不同的场景改善效果不同。

图3 融合算法流程

在改进算法基础上，大创项目小组将创新后的算法导入至机械臂的算法库中。借助六自由度机械臂的配套资料，学生成功地将机械臂与深度相机连接并完成色块夹取与分类摆放等工作。通过此次大创项目的训练，极大程度上锻炼了学生的综合工程能力，提高了学生的综合素养。同时教师还引导学生积极参与各类竞赛，进一步提升工程能力和科创能力。在完成该大创项目后，学生还获得了集成电路创新创业大赛，数学建模等比赛的国家级、省级奖项若干，充分证明了该课程实验设计可以提高学生的实践创新能力。

2.3 课程与思政同行

在新时代高等教育背景下，“精密机械设计”课程致力于将课程思政理念充分融入教育实践。在建设一流“精密机械设计”课程中，课程组深入实施课程的思想政治教育，全面考虑和强化课程的政治教育功能，特别是增加了对国家发展、科技进步和社会责任的讨论[7-8]，让学生在学习设计的过程中，增强对科技强国梦想的认同感和责任感。课程思政设计的关键与第一要义在于找准思想政治教育与相关课程的契合点，建立“生成性”内在契合关系[9]。

通过案例研究、项目实践和课堂讨论，学生能够了解和实践科技创新应用，提高自身技能。课程内容构建如图4所示。“精密机械设计”课程提供了丰富的课程内容资源，包含国内外学科前沿知识、行业应用案例及相关工程技术开发，旨在帮助学生了解前沿技术趋势和行业背景，开阔视野，培养学生根据行业发展不断学习新知识和新技术的能力。

图4 课程内容构建

此外，课程特别强调团队合作和良好道德，通过团队项目和道德讨论，培养学生的团队合作和职业道德，为成为行业领导者打下坚实的基础[10]。“精密机械设计”课程旨在通过这些活动培养学生的自信、自知、自立，以及作为21世纪工程师的核心能力。

3、结语

“精密机械设计”课程教学中，学生充分发挥了自身的主观能动性，利用原有的知识架构结合自身专业知识，对既有知识框架进行了创新，达到了“精密机械设计”课程目标。同时，课程清晰的体系架构和完整的知识体系保证了学生的参与率。然而，“精密机械设计”课程由于相关知识的专业性强，配套软件学习复杂，在教育教学的过程中仍然有一定的提升空间，课程内容上也要经过更多学生和教师的教学实践进行迭代。

参考文献:

[1]潘海生,杨影.加快发展新质生产力背景下职业教育的角色使命与责任担当[J/OL].中国职业技术教育,2024(4):1-8.

[2]陈青,朱佳桂,顾金彤,等.面向产业的“机械设计课程设计”教学改革探索[J].现代制造技术与装备,2023,59(6):222-224.

[3]李公法,陶波,江都,等.精密机械设计实验教学改革[J].中国冶金教育,2023(2):24-26.

[4]杨富春,岳晓明,陈龙.智能制造背景下机械设计基础课程教学改革探索[J].大学教育,2022(7):78-80.

[5]吴旭鹏,贾小林,顾娅军.融合人工势场法的动态快速行进树路径规划算法[J/OL].计算机应用研究,2024(4):1-7.

[6]吴涛,侯劲,李雪梅,等.基于优化人工势场法的局部避障研究[C]//重庆:中国自动化大会论文集,2023:6.

[7]于岩.新一轮审核评估背景下高等教育质量保障体系建设研究[J].教育评论,2024(2):35-41.

[8]李德丽.基于体验式学习的创新创业实验室创新人才培养探索与实践[J].实验室研究与探索,2023,42(11):1-6.

[9]彭琳.高校“课程思政”建设的关键问题与措施[J].山东广播电视大学学报,2019(3):34-36.

[10]尤佳,王宏,薛燕,等.基于“新工科”人才培养的电工电子课程导学体系构建[J].科教导刊,2023(2):44-46.

基金资助:2023年湖北本科高校省级教学改革研究项目(项目编号:2023013); 2023年武汉大学创新创业中心项目(项目编号:202310486070); 2022年武汉大学“教育教学改革”建设引导专项(项目编号:暂无);