基于3D打印的工业机器人比赛项目创新教学案例研究

一、设计思路

1.设计背景

当前，各国综合国力的竞争，说到底是科技创新实力的竞争，是人才的竞争。因此，中国一直采取科教兴国的发展战略。3D One是国内首个面向青少年的三维创意设计软件。基于积木，学生可以使用软件提供的命令和工具，轻松快速地建立模型和创建创意三维实体，可以使学生体验到愉快的创作过程，促进学生的学习主动性和创新思维能力。也符合2016年教育部发布的《教育信息化“十三五”规划》要求，明确指出有效运用信息技术推进“众创空间”建设， 并且可以将3D打印的作品融入到各种创新竞赛中，让孩子们在深层次上快乐地发挥创造能力。实践能力的培养引起了教育领域许多专家、学者和教师的兴趣。如何利用3D打印技术开设课程成为教师和专家讨论的焦点。

广东省创意机器人大赛是广东面对省教育厅广东省港澳中小学推进的科技创新大赛活动。广东科学中心和广东省科技馆研究会共同主办，旨在提高广东粤港澳大湾区、港澳中小学生机器人的创新设计和制作水平，将促进科普教育交流，助力中小学人工智能和编程课程向学校渗透。比赛的主题每年都会不一样。今年大赛的主题是:工业机器人，要求参赛选手按要求自行设计制造工业机器人和传送带，模拟智能工厂的生产过程， 进行产品识别、加工等一系列操作，完成相应任务。

2.设计基础

1)掌握大赛主题。比赛的主题每年都会不一样。如何在比赛中取得优异的成绩，让学生有所收获，是我一直在考虑、关注和不断改变培养模式的重点内容。2020大赛的主题是工业机器人，是面向工业领域的多关节机械手或多自由度机器设备。它可以依靠自身的动力和控制能力自动执行工作，实现各种功能。大赛模拟智能工厂的智能生产流程，要求参赛选手设计制造机器人和传送带， 并根据产品定制的要求进行产品识别、加工等一系列操作。工业机器人的设计目标是提高生产效率。参赛者使用相同的基本材料包，并通过不同的结构设计和控制方法提高生产效率。大赛规则不仅评判参赛作品的创意水平和科学性，也比拼参赛作品的制作效率。

2)师生熟悉竞赛规则。阅读和理解规则是每场比赛的首要任务。广东机器人大赛创意省的比赛规则比较严格，不会以任何理由违反比赛规则，所以如果因为一些小的出差而被取消参赛资格，那就得不偿失了。

3)提高学生的综合创新素养。机器人和信息技术课程都是以实践为主要目的的教育理念。在培养中，强调学生的综合创新素养能力。在培训中，以项目学习为学生的主要模式，让学生通过应用知识和动手操作进行学习，进而加深对学习材料的理解，强调主动建构、合作学习、自主学习和主动参与。

3.活动的主题和对象

1)活动主题

活动主题根据不同的比赛主题设定，如广东省创意机器人大赛2018年是表演机器人，2019年是无人机器人，2020年是工业机器人。每年都会围绕主题对学生进行组装、电路组装、主题外观创作等方面的训练，并将每个竞赛项目进行模块划分，训练分析、征服、掌握每个模块内容的循环模式。

2)对象

培养对象主要是4-6年级的学生。先根据学生平时成绩进行初选，再进行计算机操作的二次筛选。第三次筛选是日常机器人训练，第四次筛选是城市比赛。经过四个阶段的筛选，从1299人中选出4-8人。广东省赛创意机器人培训。

第二，教育目标

因为培养意在提高学生的综合创新素养能力，以项目学习为主要模式，所以从五个方面(S(科学)目标、T(技术)目标、E(工程)目标、A(艺术)目标、M(数学)目标)设计教育目标。以2020年工业机器人大赛为例，为了将整个训练过程与各个学科融合，作者设计了如下学习目标:

s(科学)目标:营造3D打印和机器人学习的氛围，尝试运用技术、工程、艺术、数学等多学科知识进行融合创新，培养学生的团队合作精神。

t(技术)目标:通过训练，让学生了解一些电气元件的名称和电路符号。掌握机器人的基本结构和组成，不看图纸就能快速组装机器人。

e(工科)目标:掌握机器人芯片原理，学会识读电路图，熟练快速地完成电路组装，实现机器人的功能。要求熟练使用3D one软件设计机器人的外观。

a(艺术)目标:从网络、地方文化等途径寻找机器人外观的主题，利用一些回收材料或生活用品，制作具有一定创意和特定功能的装置，提升学生的文化艺术能力。

m(数学)目标:用简单的数学逻辑结构描述解题方法。

第三，表达方法

根据教育的目的和发展性评价的理念，为了提高学生的知识和能力，升华学生的思想，主要有三种训练方法。

1.头脑风暴

收到省级竞赛器材后体内会后，参赛成员将组织一次头脑风暴，让成员根据比赛内容进行讨论和研讨:组装、电路、创意外观、分工等。在正常、和谐、不受限制的氛围中，打破常规，积极思考，畅所欲言，充分表达自己的观点。

2.探索与创新

1)思考如何根据图纸装配工业机器人，如何提高装配速度和精度；

2)掌握每类芯片的逻辑原理，根据电路原理组装电路；

3)确立主题，根据主题内容利用3D打印技术完善创意外观。

3.评估和交流

对自己的作品和获奖作品的外观进行评价和总结，并提出今后的改进方法。

第四，实施过程

1.机械装配

工业机器人的装配主要是动作部件的安装，包括:木支架、横担、碰撞开关、驱动电机、滑轮等。要求学生能熟练组装，不看图纸能在规定时间内快速完成。

2.电路组件

电路是每场比赛的重点和难点。控制电路主要由逻辑芯片组成，按照独立设计的电路，通过杜邦线和面包板连接。首先要求学生掌握逻辑芯片的原理，并能看懂电路图。要求组装的电路完成比赛要求的功能:在规定的时间内，将60个不同颜色的色块排序。检测准确率和工作效率应达到99%。

3.创意外观

在确立主题后，团队成员考虑外观以及场景的哪些部分可以利用3D打印技术进行设计，在完成设计、建模、打印等一系列工作后再对外观和场景进行修饰。

动词 （verb的缩写）教育效果

在学校的支持下，机器人竞赛培训班已经开展了三年，有一批有固定科技兴趣的学生，以此带动和辐射所有学生。虽然是机器人比赛，但不仅仅是机器人学习，还有3D打印技术。基于3D打印的竞赛让学生在先进的制作和学习过程中体验成功的喜悦。学到的内容也可以应用到日常学习和其他竞赛类型中。同时可以提高学生的创造力、设计力、建构力、发现力、合作力和解决问题的能力，这也符合学生的童心和兴趣，促进了学生学习方式的多样化，促使学生自主参与和探索，在参与和探索中有所收获。