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，在機器人的創(chuàng)新實踐教學方面進行了一些探索與研究，對基于CDIO的機器人創(chuàng)新實踐教學體系進行了構建，讓學生能夠在“做中學、學中做”中，逐漸地提升大學生的創(chuàng)新能力和動手能力，并且進一步地提高學生在運用課題所學的理論知識去分析、解決工程實際問題和工程實踐學習這些方面的能力，實現(xiàn)由知識向實踐的逐漸轉化。

關鍵詞：CDIO模式;機器人;創(chuàng)新實踐;教學

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：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

機器人融合了計算機編程、控制理論、人工智能和機械科學等很多個學科，在本科階級的院校中，將與機器人相關的多學科技術應用到教學里，并且培養(yǎng)學生的實踐能力、創(chuàng)造能力和分析能力是機器人教學的本質[1]。

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

二、機器人技術創(chuàng)新與實踐

目前，全國高校都在致力于研究符合中國實際情況的實踐創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)模式，在國內高校的工科教育領域中存在一些不合理的地方，主要體現(xiàn)在：在教學過程中重視理論的講解而忽略實踐操作，重視知識學習的解題方法的研究而沒有注重創(chuàng)新意識的培養(yǎng)，強調了個人的業(yè)務水平卻忽視了團隊協(xié)作的重要性，在專業(yè)和課程的設置方面，注重了單門課程的完整性建設，而忽視了課程體系的建立，沒有注重課程之間的相關性等。

近年來，工程教育的改革在世界范圍內全面開展，從而引起了社會各界的關注，并取得了很多成果，其中CDIO模式引起了的教育界的普遍關注，CDIO代表著構思（Conceive）、設計（Design）、實現(xiàn)（Implement）、運作（Operate）四個過程，在歐美發(fā)達國家經過多年的運行，已經形成了較為完善的課程實施的標準和大綱，在多個國家、多個專業(yè)的應用中，取得了很好的反響。在國內也引起了很多高校的注意，目前在一些高校已經開始實施[3]。

“基于項目的教學方式”是CDIO工程教學模式的集中概況，具體體現(xiàn)為從實踐項目中來到教學項目中去，把實際項目為載體，讓學生在學中做，在做中學。本文以CDIO工程項目教學為主線，構建課程之間有機聯(lián)系的教學體系?！皺C器人技術創(chuàng)新與實踐”是我校機器人工程專業(yè)人才培養(yǎng)方案里的集中實踐教學環(huán)節(jié)，機器人涉及多學科，多領域，在學習上會顯得雜亂而無序，本文結合CDIO模式的大綱標準，進行課程定位，在教學方法、教學內容和考核方式上進行改革與探索，提升學生創(chuàng)新實踐的能力[4]。

三、機器人技術創(chuàng)新與實踐

（一）課題研究思路

“機器人技術創(chuàng)新與實踐”根據(jù)CDIO的模式分為四個學習階段，分別為構思、設計、實現(xiàn)和運行，如圖1所示[5]。

（二）課題研究方法

為提高課堂教學效果，教師在開課前必須事先了解學生的專業(yè)基礎，根據(jù)學院所學專業(yè)特點和教學硬件設施的現(xiàn)狀，然后對機器人課程教學的方式進行合理的改革，將CDIO的教學模式融入到課堂教學中。

為提高授課質量、能夠充分調動學生的學習主動性和實踐積極性，本文結合機器人創(chuàng)新實踐課程的特征制訂了具體的實施方案，如圖2所示。

課程具體實施過程包括構思、設計、實現(xiàn)和運行四個階段。在四個不同的階段分別提出了不同的任務與要求：

1. 構思階段：由授課教師進行課題安排，主要對往年的學科競賽項目進行深度剖析，通過仔細的講解讓學生能夠明白如何進行項目的總體安排、如何實現(xiàn)作品方案構思、設計實現(xiàn)、文檔寫作等，該階段學生需提交任務書。

2. 設計階段：由授課教師根據(jù)學生的特點進行分組，通常3人左右為一個小組，為便于管理，每組確定一位組長，主要負責項目的進度安排，組員情況檢查。該階段每個小組需提交設計方案，并通過答辯形式，實現(xiàn)方案的論證。

3. 實現(xiàn)階段：教師提供硬件，學生根據(jù)事先確定的設計方案，各小組自行搭建機器人。對搭建出來的機器人進行編程，實現(xiàn)項目要求的控制。該階段教師根據(jù)每個小組的實現(xiàn)過程中出現(xiàn)的情況給予適當?shù)闹笇А?/p>

4. 運行階段：機器人搭建并完成調試。該階段學生需提交實物和報告，最后采用學生進行實物演示和老師提問相結合的驗收方式。

（三）課題研究時間

“機器人技術創(chuàng)新與實踐”課程是面向機器人工程專業(yè)的學生，時間跨度為四個學期，具體教學在大學的二年級和三年級進行（如圖3所示）。

第一階段，“機器人工程專業(yè)導論”、“控制器編程基礎”、“機械基礎”、“電路”是該階段學生已修的與機器人工程專業(yè)相關的主要課程?！肮こ虒д摗闭n程主要是培養(yǎng)學生的工程意識，學習工程的相關知識，并通過控制器編程基礎這門課，使學生具有一定的寫代碼的能力。機械基礎課程使得學生掌握初步的機械基礎知識。電路課程的學習使得學生對電子電路有了初步的認識。

第二階段，“數(shù)字電路與FPGA設計”、“模擬電子技術”是該階段學生已修的與機器人工程專業(yè)相關的主要課程。到該階段學生應具備電子系統(tǒng)工程知識，具備能夠用于以工業(yè)機器人為主導的先進生產線系統(tǒng)的硬件設計與開發(fā)的能力。

第三階段，“單片機原理及接口技術”、“自動控制原理”、“數(shù)字圖像處理與機器視覺”是該階段學生已修的與機器人工程專業(yè)相關的主要課程。學生能夠系統(tǒng)地學習微處理器、自動控制技術和機械視覺等專業(yè)知識，能夠設計針對以機器人為主導的先進生產線系統(tǒng)開發(fā)或集成中的復雜工程問題的具體方案，學生能夠設計包括硬件電路、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)機器人技術”是該階段學生已修的與機器人工程專業(yè)相關的主要課程。此時學生能夠運用所學的知識、專業(yè)理論對以工業(yè)機器人為主導的生產線系統(tǒng)開發(fā)或集成中的關鍵問題進行分析， 并獨立設計仿真或實驗方案，安全地開展實驗，正確采集和記錄數(shù)據(jù)。

四、課題研究的考核方式

以往開展的學生創(chuàng)新性實踐活動主要以驗證性的實驗為主，綜合性和設計性實驗都很少，學生的創(chuàng)新實踐活動大部分以提交實驗報告為主，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)的驗收，答辯，提交報告等手段之外，如果學生能夠達到以下條件可免于答辯，并直接獲得優(yōu)秀的成績[6]：

1. 對團隊所做項目的創(chuàng)新點，能夠投稿論文或者申請專利。

2. 團隊所做項目，能夠申請到省級或國家級的大學生創(chuàng)新訓練計劃。

3. 將完成的項目參加學科競賽，獲得省級二等獎或國家級三等獎以上者。

學科競賽項目是經過組委會專家制定，項目具有新穎性，而當前機器人競賽項目的設置呈現(xiàn)與社會應用價值緊密度增加的趨勢，比如家庭助老服務機器人、物流機器人，這些項目的趣味性比傳統(tǒng)的項目更能夠吸引學生，并激發(fā)了學生勇于挑戰(zhàn)的勇氣。本課題經過實踐，也已經取得了一些成果，部分成果如圖4所示。

五、結束語

大學生機器人學科競賽是培養(yǎng)大學生創(chuàng)新實踐能力的一個非常有效的平臺[6]，機器人競賽項目需要多學科的知識，也要求學生能夠構思機器人方案、設計、實現(xiàn)和運行機器人，是實現(xiàn)CDIO教育理念行之有效的方式，四個階段不僅要求學生靈活應用所學知識，而且要求學生能夠自主探索上課未教的知識，同時和其他同學組建團隊共同協(xié)作完成。

參考文獻：

[1]王國江.基于CDIO的機器人實踐教學探索與實踐[J].中國電力教育，2014（05）：180-181+185.

[2]李湛，林偉陽，楊學博.機器人教育在自動化專業(yè)創(chuàng)新人才培養(yǎng)中的理論與實踐[J].黑龍江教育（理論與實踐），2018（12）：24-25.

[3]馬榮琳，韓耀振，潘為剛，等.應用型地方本科院校機器人工程專業(yè)課程體系構建[J].教育現(xiàn)代化，2018，5（30）：100-101+105.

[4]賈翠玲，李宗學，郭長青.機器人創(chuàng)新實踐課程改革研究與實踐——基于CDIO項目式教學法[J].現(xiàn)代商貿工業(yè)，2015，36（19）：156-157.

[5]丁力，葉霞，單文桃，等.應用型本科院校機器人課程改革探索[J].教育教學論壇，2018（45）：153-154.

[6]鄒國柱，葛浩.機器人競賽對創(chuàng)新實踐性人才的培養(yǎng)[J].教育現(xiàn)代化，2017，4（36）：40-41.

作者簡介：毛麗民（1981-），男，漢族，江蘇常熟人，碩士，高級實驗師，研究方向：機器人控制技術。