机械专业学业导师教学的探索与实践

夏方方 何泽银 蒋咏志

摘 要：本文结合机械专业的学科特点，以机械专业的二级学科机械设计制造及其自动化专业为出发点，结合目标问题“如何制作一条四足机器狗”，探讨以兴趣为导向的学业导师教学方案。通过机械、制造、设计、自动化4个主要部分描述了四足机器狗的制造方案和制造过程，通过以上的演绎教学使学生建立起对本专业的专业认同，并激发了他们的学业热情和创新能力。

关键词：机械专业 学业导师 四足机器狗 专业认同

Abstract： In this paper， based on the characteristics of the discipline of the Mechanical specialty， starting from the Mechanical Design， Manufacture and Automation major， the secondary discipline of the Mechanical major， and combining with the target question "how to make a quadruped robot dog"， the interest-based teaching scheme of academic tutor is discussed. Through the four main parts of machinery， manufacturing， design and automation， the manufacturing scheme and process of the four-legged robot dog are described. Through the deductive teaching above， students can establish their professional identity and stimulate their academic enthusiasm and innovation ability.

Key Words： Mechanical specialty; Academic tutor; Quadruped robot dog; Professional identity

学业导师制起源很早，其核心内容主要着眼于为学生提供个性化的指导，通过因材施教切实地提高学生的创新能力和综合能力素质[1]。学业导师制不同于传统的班主任制度和辅导员制度，其强调以个性化学业指导为核心，以师生面对面沟通为主要方式，通过对学生进行学业规划与指导，在思想上、专业上、学术上、就业上因材施教，提高学生的综合素质，这同时也契合了高等教育对培养创新型人才的新时代要求[2]。为推进人才培养质量的持续提升，适应新时代对高水平人才的迫切需要，学业导师制在各高校愈来愈得到相关单位的高度重视，并根据学校的实际情况，出台了一系列相关文件对学业导师的职责进行规范化和制度化。

除了为学生提供个性化的指导，学业导师更重要的任务是培养学生对本专业的专业认同感。所谓专业认同是指学生对本专业的情感认同、对本专业的热爱程度，是一种自我动态的心理感受。其表现为学生是否立志从事本专业相关的工作、是否对专业学习抱有积极主动的心理、是否在本专业学习过程中体验到意义感、是否愿意把本专业作为长期的职业规划目标等。对于刚入学的大学生，此时他们刚从应试学习进入专业学习，需要有学业导师引导他们培养自主学习的习惯。但由于缺乏对专业课的整体把握，不知道专业课的具体应用，学生往往会感到各种专业课枯燥乏味、孤立毫无联系，进一步丧失了对专业学习的兴趣，更甚者丧失了对专业的认同。学业导师作为学生专业的引路人更应该言传身教以调动学生兴趣为目标为学生绘制整个专业学习的蓝图，在整体上为学生展示专业的前景和发展方向。

高水平创新型人才是实现中华民族伟大复兴的重要支撑和持久动力，本科生学业导师作为初入学大学生理论知识与技能教育的资深引导者，肩负着为国家培养自我价值充分实现的社会主义接班人的任务[3]。本文从机械专业的学科特点出发，以培养高水平创新型人才为目标，探讨学业导师如何以兴趣爱好为指引，培养大学生的自主学习能力与专业认同。

2 学业导师的定位

学业导师制也称本科生导师制，其定位是为本科生提供学业咨询与学业规划，是一种师生双方形成深入互动、积极发展的导学关系。学业导师需要在思想上引导学生树立正确的学习态度，倡导终身学习的理念，引导学生热爱学习、热爱学术;在专业上辅导学生尽快适应专业知识的学习，培养学生的学业兴趣和学术热情;在学术方面对学生进行学术熏陶，指引学生了解新理论、新方法，激发学生的学术潜力;在就业上帮扶学生制定个人职业规划，为学生传达最新就业动态与市场需求[4]。通过学业导师的言传身教，因材施教，有利于增强学生的学习动机与信心，提高学业成绩。另一方面，作为初入学的大学新生，由于刚转入专业学习缺乏专业学习的适应性与自我学习的技巧，往往会感到迷茫和不知所措，丧失对专业学习的热情与兴趣。而学业导师作为资深的引导者不仅可以在学业上给予支撑，而且还可以满足学生的社会心理归属需求，可以大大缓解学生的焦虑和学业压力[5]。此外，学业导师作为专业学习的成功示范可以充分发挥榜样的力量，激发学生对自我的认同和专业的认同。

为此，学业导师在教学实践中应以兴趣为导向，增加学生对专业的认同，而不应只是专业知识的填灌。学业导师应结合自身的学术背景为学生描绘更加系统的学术蓝图，建立整体的专业认同，激发学生的学业兴趣，逐渐培养学生立志终身学习的学业追求[6]。

3 针對机械专业学业导师的教学实践环节

本文以机械专业的二级学科——机械设计制造及其自动化专业为例，阐述学业导师的教学职责。为了激发学生的学业热情可以向学生展示四足机器狗的运动控制，学生由于可以现场零距离接触四足机器狗，更能激发他们的创作热情和兴趣。通过向学生讲解如何通过学习本专业知识独自创造自己的机器狗，以此激发他们对本专业的专业认同。同时也向学生描绘了一个专业蓝图，使他们学习本专业相关课程时不再感到零散，而是具有系统性的。

如图1所示，机械设计制造及其自动化可以大体上分为机械部分，即如何把材料转变成机械构件或组件;设计部分，即如何把构件或组件组合成可以运动的部件;制造部分，即如何制造出所需要的构件或组件;自动化部分，即如何使机械结构自动运行起来。

3.1 机械部分

通过展示四足机器狗向学生讲解打造机器狗的第一步，即生产出机器狗所需要的零件。而为了解答如何从合金材料制作机器狗所需要的零件，此时需要引入金属工艺学，引起学生对不同金属材料的冶炼、铸造、锻压、热处理等金属加工工艺的兴趣。接下来假设学生已经具备金属工艺学知识，明白了金属材料如何制作成为机器狗所需要的零件，此时需要回答怎么描述机器狗的零件，只有对零件进行准确表达才能生产出合格的零件。而要准确表达零件则需要机械制图的知识，此时向学生介绍机械制图的知识，包括怎么使用纸、笔在白纸上表达三维的机器狗零件，如何使用计算机辅助设计工具绘制二维的机器狗零件。最后通过计算机辅助设计工具向学生展示三维的零件绘制，以及如何由三维零件装配成为一个机器狗。通过以上机械部分的演绎教学，给学生描绘了为何要学习机械部分的专业课以及学习机械类的专业课有什么应用。

3.2 设计部分

学生已经知道了如何制作机器狗所需要的零件以及如何描述机器狗所需要的零件，接下来就要考虑应该怎么组合零件才能保证机械部件可以运动起来不会出现自锁。这时向学生介绍机械原理的相关知识，包括自由度、转动副的相关知识，通过讲解机械原理让学生明白要使得机械部件能够运动所满足的基本条件，以及如何设计机械机构以满足所需要的运动需求。此时假设学生已经明白机械机构设计的基本原理，这时需要向学生解释机械的运动方式、力和能量的传递方式分析和计算，介绍机械设计的相关流程，如机构的运动学设计，怎么通过运动学计算确定各运动机构的运动参数;机构的动力学计算，如何结合运动学计算得到的参数，进一步计算各主要零部件的载荷大小和特征;主要零部件的校核，如何结合计算得到的运动学、动力学参数校核主要零部件的强度和疲劳寿命，这里鼓励学生深入学习理论力学和材料力学等基础学科。通过机械设计部分相关知识的介绍，引导学生对机械设计部分的兴趣。

3.3 制造部分

现在学生已经了解怎么制造机器狗的零件，以及在理论上了解了机器狗运动起来所需要的运动机构以及机械设计部分相关的专业知识，下一步需要了解的是如何真正制作出一条机器狗。这时可以向学生展示机械加工的相关专业知识，介绍机械制造工艺学，例如铸造、锻造、冲压、铣削、焊接等常用的加工工艺，并以四足机器狗为例解释不同工艺的区别与选择。最后向学生介绍数控车床的相关知识，例如，如何用数控车床加工出四足机器狗所需要的金属零件、数控车床的加工过程、怎么编写数控车床的代码等，通过数控车床的相关知识介绍让学生可以更直观地感受机械制造的过程，引导学生对机械制造工艺学的兴趣。接着介绍加工出的零件如何装配成所需要的机器狗，介绍互换性的相关概念，向学生解释引入公差与配合的原因与重要意义，引导学生对互换性概念的理解，接着阐述基本的测量原理和测量方法，引导学生了解粗糙度和尺寸链在保证装配精度中的重要意义，加深学生对互换性相关专业课的重视。

3.4 自动化部分

经过以上的介绍，学生已经了解如何制作出机器狗的本体结构，现在所缺的就是机器狗的大脑，即如何实现自动化部分。这里首先要向学生介绍自动化算法的载体——芯片的相关知识，而如何理解芯片的运行原理，则需要鼓励学生深入学习模拟电路和数字电路的知识。学业导师可以通过从简单的开关电路原理向学生描绘出复杂的芯片电路是如何一步步从简单电路演变出来的。通过由学生熟悉的开关电路出发一步步演绎出芯片电路，使得学生对芯片不再畏惧和陌生，可以大大激发学生的创造激情和创新精神。

学生了解了芯片电路，则可以继续向学生介绍微机原理的相关知识，可以从嵌入式单品机开始介绍，这样学生在学习单片机相关知识的同时也可以低成本做出自己感兴趣的电子产品，激发学生的创造热情，以此会进一步激发学生深入学习电子电路相关知识的浓厚学术追求。介绍微机原理的同时，可以展示机器狗所采用的控制芯片，包括基于Arm架构的电机控制芯片、上层基于x86架构的Upboard板，并介绍之间的区别，系统介绍如何从机器狗的大脑发送指令给关节电机最终完成机器狗的运动。

接下来是软件部分，自动化控制算法需要通过编程语言转变成代码的方式才能完成自动控制，为此，引导学生学习计算机的语言，可以从C语言、C++语言出发，讲述学习该语言的重要性和必要性。接下来是自动控制算法部分，给学生讲述自动控制算法的基本原理，特别是反馈的思想，介绍以传递函数为基础的经典控制理论。以典型的控制算法——PID算法为例，介绍其算法的基本思想，介绍算法的数学建模过程。可以通过计算机辅助设计工具Simulink建立PID算法仿真模型向学生直观展示控制算法的建模、仿真过程，引导学生对自动控制理论的学习兴趣。经典的控制理论是单输入单输出系统，而多输入多输出系统的数学建模需要现代控制理论的学习，通过对现代控制理论的介绍，鼓励学生自主学研更深的控制理论。

3.5 其他

四足机器狗的运动部件是通过电机转动实现的，通过向学生介绍电机运动的基本原理以及电机驱动的基本原理，引导学生学习电机相关的专业知识。四足机器狗运动模块采用的是直流无刷电机，而学生接触比较多的是小型的直流有刷电机，以此为例向学生介绍常见的直流有刷电机、直流无刷电机、交流电机、永磁同步电机等原理和结构的区别。接下来介绍不同电机的驱动方法，由于四足机器狗采用的是直流无刷电机，因此向学生重点介绍驱动直流无刷电机的典型算法——FOC（磁场定向控制）算法的原理。通过电机相关知识的介绍，鼓励学生自己制作电机的相关驱动电路并编写相关的控制代码完成对多电机组成的系统进行复杂的运动控制。此外，需要向学生介绍计算机组成原理的知识、操作系统的知识，特别是linux操作系统的相关知识、计算机网络的相关知识以及编译原理的相关知识。

4 结语

本文基于机械设计制造及其自动化的专业背景作为出发点，结合如何制作一条四足机器狗作为目标，演绎了学业导师如何以学生的兴趣为导向激发学生的专业学习热情。通过对机器狗系统进行分解，向学生展示了机械设计制造及其自动化专业的相关专业课在制作一个实际的自动化机械中的作用。通过以上分解，使得学生对孤零零的专业课不再陌生，而把孤立、枯燥的专业课学习纳入整个系统学业，即制作一条四足机械狗的目标中。传统以考试为目标的专业学习，学生往往认为专业课过时或者不知道如何应用，这种以清晰目标为导向的专业学习更能激发学生的学习热情，并且会针对自己的知识盲区进行主动的学习，毫无疑问这种学习效率更高，对学业水平的提高效果更明显。

学业导师作为专业学习的成功示范，不仅积累了丰富的专业知识，而且知识体系更系统，在学生进行相关专业学习前，应向学生展示一幅系统的专业蓝图，向他们清晰地描绘出想要完成一件相关专业的作品需要学习什么和学习这些专业课有什么用，要用全局的眼光给学生展示各专业课的联系与前景。相比于传统的填灌式教学方法，这种以清晰目标为导向的学习路线，实践证明更能激发学生的学习热情和创新精神，有利于学生学业的整体提高。

参考文献

[1] 左潞，戴鹏展，樊舒婕，等.高校本科班导师工作细节与技巧[J].科技创新导报，2020，7（8）：216-219.

[2] 黄立.高职创新创业教育的主要模式与存在的问题[J].科技创新导报，2020， 17（18）：196-197.

[3] 王穎，王笑宇.本科新生导师制对大学生的影响路径及实施效果研究[J].教育研究，2019（1）：26-34.

[4] 董弯.创新创业教育下地方本科学业导师制发展研究——以安康学院为例[J].文化创新比较研究，2020，4（12）：108-109.

[5] 罗雪妍.浅析研究生导师在培养研究过程中面临的压力[J].科技资讯，2021， 19（5）：129-131.

[6] 韩翼，胡筱菲，曹兵，等.师徒关系对工作绩效的影响机制研究——基于自我扩张理论的视角[J].珞珈管理评论，2018（2）：62-73.

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