毛麗民 楊海萍 李鑫 陳勇

摘? 要：文章以CDIO工程的教育改革作為背景，在機(jī)器人的創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)方面進(jìn)行了一些探索與研究，對(duì)基于CDIO的機(jī)器人創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)體系進(jìn)行了構(gòu)建，讓學(xué)生能夠在“做中學(xué)、學(xué)中做”中，逐漸地提升大學(xué)生的創(chuàng)新能力和動(dòng)手能力，并且進(jìn)一步地提高學(xué)生在運(yùn)用課題所學(xué)的理論知識(shí)去分析、解決工程實(shí)際問題和工程實(shí)踐學(xué)習(xí)這些方面的能力，實(shí)現(xiàn)由知識(shí)向?qū)嵺`的逐漸轉(zhuǎn)化。

關(guān)鍵詞：CDIO模式;機(jī)器人;創(chuàng)新實(shí)踐;教學(xué)

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2096-000X（2020）16-0023-04

Abstract： In this paper， exploration and research on the innovative practical teaching of robots is made based on the educational reform of CDIO project. The innovative practical teaching system of robots based on CDIO is constructed so that students can gradually improve their innovative and practical abilities in "learning by doing" and "learning by doing". Furthermore， it further improves the students' ability to analyze， solve practical engineering problems and learn engineering practice by using the theoretical knowledge they have learned， so as to realize the gradual transformation from knowledge to practice.

Keywords： CDIO model; robot; innovation practice; teaching

一、概述

機(jī)器人融合了計(jì)算機(jī)編程、控制理論、人工智能和機(jī)械科學(xué)等很多個(gè)學(xué)科，在本科階級(jí)的院校中，將與機(jī)器人相關(guān)的多學(xué)科技術(shù)應(yīng)用到教學(xué)里，并且培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力、創(chuàng)造能力和分析能力是機(jī)器人教學(xué)的本質(zhì)[1]。

伴隨著機(jī)器人在工業(yè)生產(chǎn)的大量應(yīng)用，對(duì)于擁有機(jī)器人設(shè)備的很多企業(yè)來說，非常缺少擅長系統(tǒng)集成應(yīng)用、機(jī)器人設(shè)計(jì)與開發(fā)以及機(jī)器人維修維護(hù)這些方面的技能型人才?，F(xiàn)階段我國的大部分高校都比較缺乏較完善的關(guān)于機(jī)器人的教學(xué)體系，甚至還有些學(xué)校的教學(xué)方式十分陳舊，完全不適應(yīng)市場(chǎng)的需求。作為一所應(yīng)用型的本科院校，常熟理工學(xué)院要想培養(yǎng)出合格的機(jī)器人市場(chǎng)的人才，必須探索新的機(jī)器人工程教育教學(xué)模式，同時(shí)密切地關(guān)注市場(chǎng)的需求，為企業(yè)輸出真正有用的機(jī)器人工程師[2]。

二、機(jī)器人技術(shù)創(chuàng)新與實(shí)踐

目前，全國高校都在致力于研究符合中國實(shí)際情況的實(shí)踐創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)模式，在國內(nèi)高校的工科教育領(lǐng)域中存在一些不合理的地方，主要體現(xiàn)在：在教學(xué)過程中重視理論的講解而忽略實(shí)踐操作，重視知識(shí)學(xué)習(xí)的解題方法的研究而沒有注重創(chuàng)新意識(shí)的培養(yǎng)，強(qiáng)調(diào)了個(gè)人的業(yè)務(wù)水平卻忽視了團(tuán)隊(duì)協(xié)作的重要性，在專業(yè)和課程的設(shè)置方面，注重了單門課程的完整性建設(shè)，而忽視了課程體系的建立，沒有注重課程之間的相關(guān)性等。

近年來，工程教育的改革在世界范圍內(nèi)全面開展，從而引起了社會(huì)各界的關(guān)注，并取得了很多成果，其中CDIO模式引起了的教育界的普遍關(guān)注，CDIO代表著構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計(jì)（Design）、實(shí)現(xiàn)（Implement）、運(yùn)作（Operate）四個(gè)過程，在歐美發(fā)達(dá)國家經(jīng)過多年的運(yùn)行，已經(jīng)形成了較為完善的課程實(shí)施的標(biāo)準(zhǔn)和大綱，在多個(gè)國家、多個(gè)專業(yè)的應(yīng)用中，取得了很好的反響。在國內(nèi)也引起了很多高校的注意，目前在一些高校已經(jīng)開始實(shí)施[3]。

“基于項(xiàng)目的教學(xué)方式”是CDIO工程教學(xué)模式的集中概況，具體體現(xiàn)為從實(shí)踐項(xiàng)目中來到教學(xué)項(xiàng)目中去，把實(shí)際項(xiàng)目為載體，讓學(xué)生在學(xué)中做，在做中學(xué)。本文以CDIO工程項(xiàng)目教學(xué)為主線，構(gòu)建課程之間有機(jī)聯(lián)系的教學(xué)體系?！皺C(jī)器人技術(shù)創(chuàng)新與實(shí)踐”是我校機(jī)器人工程專業(yè)人才培養(yǎng)方案里的集中實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，機(jī)器人涉及多學(xué)科，多領(lǐng)域，在學(xué)習(xí)上會(huì)顯得雜亂而無序，本文結(jié)合CDIO模式的大綱標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行課程定位，在教學(xué)方法、教學(xué)內(nèi)容和考核方式上進(jìn)行改革與探索，提升學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐的能力[4]。

三、機(jī)器人技術(shù)創(chuàng)新與實(shí)踐

（一）課題研究思路

“機(jī)器人技術(shù)創(chuàng)新與實(shí)踐”根據(jù)CDIO的模式分為四個(gè)學(xué)習(xí)階段，分別為構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)和運(yùn)行，如圖1所示[5]。

（二）課題研究方法

為提高課堂教學(xué)效果，教師在開課前必須事先了解學(xué)生的專業(yè)基礎(chǔ)，根據(jù)學(xué)院所學(xué)專業(yè)特點(diǎn)和教學(xué)硬件設(shè)施的現(xiàn)狀，然后對(duì)機(jī)器人課程教學(xué)的方式進(jìn)行合理的改革，將CDIO的教學(xué)模式融入到課堂教學(xué)中。

為提高授課質(zhì)量、能夠充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性和實(shí)踐積極性，本文結(jié)合機(jī)器人創(chuàng)新實(shí)踐課程的特征制訂了具體的實(shí)施方案，如圖2所示。

課程具體實(shí)施過程包括構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)和運(yùn)行四個(gè)階段。在四個(gè)不同的階段分別提出了不同的任務(wù)與要求：

1. 構(gòu)思階段：由授課教師進(jìn)行課題安排，主要對(duì)往年的學(xué)科競(jìng)賽項(xiàng)目進(jìn)行深度剖析，通過仔細(xì)的講解讓學(xué)生能夠明白如何進(jìn)行項(xiàng)目的總體安排、如何實(shí)現(xiàn)作品方案構(gòu)思、設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)、文檔寫作等，該階段學(xué)生需提交任務(wù)書。

2. 設(shè)計(jì)階段：由授課教師根據(jù)學(xué)生的特點(diǎn)進(jìn)行分組，通常3人左右為一個(gè)小組，為便于管理，每組確定一位組長，主要負(fù)責(zé)項(xiàng)目的進(jìn)度安排，組員情況檢查。該階段每個(gè)小組需提交設(shè)計(jì)方案，并通過答辯形式，實(shí)現(xiàn)方案的論證。

3. 實(shí)現(xiàn)階段：教師提供硬件，學(xué)生根據(jù)事先確定的設(shè)計(jì)方案，各小組自行搭建機(jī)器人。對(duì)搭建出來的機(jī)器人進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目要求的控制。該階段教師根據(jù)每個(gè)小組的實(shí)現(xiàn)過程中出現(xiàn)的情況給予適當(dāng)?shù)闹笇?dǎo)。

4. 運(yùn)行階段：機(jī)器人搭建并完成調(diào)試。該階段學(xué)生需提交實(shí)物和報(bào)告，最后采用學(xué)生進(jìn)行實(shí)物演示和老師提問相結(jié)合的驗(yàn)收方式。

（三）課題研究時(shí)間

“機(jī)器人技術(shù)創(chuàng)新與實(shí)踐”課程是面向機(jī)器人工程專業(yè)的學(xué)生，時(shí)間跨度為四個(gè)學(xué)期，具體教學(xué)在大學(xué)的二年級(jí)和三年級(jí)進(jìn)行（如圖3所示）。

第一階段，“機(jī)器人工程專業(yè)導(dǎo)論”、“控制器編程基礎(chǔ)”、“機(jī)械基礎(chǔ)”、“電路”是該階段學(xué)生已修的與機(jī)器人工程專業(yè)相關(guān)的主要課程?！肮こ虒?dǎo)論”課程主要是培養(yǎng)學(xué)生的工程意識(shí)，學(xué)習(xí)工程的相關(guān)知識(shí)，并通過控制器編程基礎(chǔ)這門課，使學(xué)生具有一定的寫代碼的能力。機(jī)械基礎(chǔ)課程使得學(xué)生掌握初步的機(jī)械基礎(chǔ)知識(shí)。電路課程的學(xué)習(xí)使得學(xué)生對(duì)電子電路有了初步的認(rèn)識(shí)。

第二階段，“數(shù)字電路與FPGA設(shè)計(jì)”、“模擬電子技術(shù)”是該階段學(xué)生已修的與機(jī)器人工程專業(yè)相關(guān)的主要課程。到該階段學(xué)生應(yīng)具備電子系統(tǒng)工程知識(shí)，具備能夠用于以工業(yè)機(jī)器人為主導(dǎo)的先進(jìn)生產(chǎn)線系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)與開發(fā)的能力。

第三階段，“單片機(jī)原理及接口技術(shù)”、“自動(dòng)控制原理”、“數(shù)字圖像處理與機(jī)器視覺”是該階段學(xué)生已修的與機(jī)器人工程專業(yè)相關(guān)的主要課程。學(xué)生能夠系統(tǒng)地學(xué)習(xí)微處理器、自動(dòng)控制技術(shù)和機(jī)械視覺等專業(yè)知識(shí)，能夠設(shè)計(jì)針對(duì)以機(jī)器人為主導(dǎo)的先進(jìn)生產(chǎn)線系統(tǒng)開發(fā)或集成中的復(fù)雜工程問題的具體方案，學(xué)生能夠設(shè)計(jì)包括硬件電路、程序軟件等，具有特定需求的系統(tǒng)。

第四階段，“現(xiàn)代控制理論”、“工業(yè)機(jī)器人技術(shù)”是該階段學(xué)生已修的與機(jī)器人工程專業(yè)相關(guān)的主要課程。此時(shí)學(xué)生能夠運(yùn)用所學(xué)的知識(shí)、專業(yè)理論對(duì)以工業(yè)機(jī)器人為主導(dǎo)的生產(chǎn)線系統(tǒng)開發(fā)或集成中的關(guān)鍵問題進(jìn)行分析， 并獨(dú)立設(shè)計(jì)仿真或?qū)嶒?yàn)方案，安全地開展實(shí)驗(yàn)，正確采集和記錄數(shù)據(jù)。

四、課題研究的考核方式

以往開展的學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)踐活動(dòng)主要以驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)為主，綜合性和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)都很少，學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)大部分以提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告為主，創(chuàng)新就很難體現(xiàn)了，老師考核也略顯單一。本文考核方式顯得靈活多樣，除了傳統(tǒng)的驗(yàn)收，答辯，提交報(bào)告等手段之外，如果學(xué)生能夠達(dá)到以下條件可免于答辯，并直接獲得優(yōu)秀的成績(jī)[6]：

1. 對(duì)團(tuán)隊(duì)所做項(xiàng)目的創(chuàng)新點(diǎn)，能夠投稿論文或者申請(qǐng)專利。

2. 團(tuán)隊(duì)所做項(xiàng)目，能夠申請(qǐng)到省級(jí)或國家級(jí)的大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃。

3. 將完成的項(xiàng)目參加學(xué)科競(jìng)賽，獲得省級(jí)二等獎(jiǎng)或國家級(jí)三等獎(jiǎng)以上者。

學(xué)科競(jìng)賽項(xiàng)目是經(jīng)過組委會(huì)專家制定，項(xiàng)目具有新穎性，而當(dāng)前機(jī)器人競(jìng)賽項(xiàng)目的設(shè)置呈現(xiàn)與社會(huì)應(yīng)用價(jià)值緊密度增加的趨勢(shì)，比如家庭助老服務(wù)機(jī)器人、物流機(jī)器人，這些項(xiàng)目的趣味性比傳統(tǒng)的項(xiàng)目更能夠吸引學(xué)生，并激發(fā)了學(xué)生勇于挑戰(zhàn)的勇氣。本課題經(jīng)過實(shí)踐，也已經(jīng)取得了一些成果，部分成果如圖4所示。

五、結(jié)束語

大學(xué)生機(jī)器人學(xué)科競(jìng)賽是培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力的一個(gè)非常有效的平臺(tái)[6]，機(jī)器人競(jìng)賽項(xiàng)目需要多學(xué)科的知識(shí)，也要求學(xué)生能夠構(gòu)思機(jī)器人方案、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)和運(yùn)行機(jī)器人，是實(shí)現(xiàn)CDIO教育理念行之有效的方式，四個(gè)階段不僅要求學(xué)生靈活應(yīng)用所學(xué)知識(shí)，而且要求學(xué)生能夠自主探索上課未教的知識(shí)，同時(shí)和其他同學(xué)組建團(tuán)隊(duì)共同協(xié)作完成。

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作者簡(jiǎn)介：毛麗民（1981-），男，漢族，江蘇常熟人，碩士，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，研究方向：機(jī)器人控制技術(shù)。