基于CDIO模式下的機器人創(chuàng)新實踐教學(xué)的探索與研究

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(xué)方面進(jìn)行了一些探索與研究，對基于CDIO的機器人創(chuàng)新實踐教學(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)新能力和動手能力，并且進(jìn)一步地提高學(xué)生在運用課題所學(xué)的理論知識去分析、解決工程實際問題和工程實踐學(xué)習(xí)這些方面的能力，實現(xiàn)由知識向?qū)嵺`的逐漸轉(zhuǎn)化。

關(guān)鍵詞：CDIO模式;機器人;創(chuàng)新實踐;教學(xué)

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)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(xué)等很多個學(xué)科，在本科階級的院校中，將與機器人相關(guān)的多學(xué)科技術(shù)應(yīng)用到教學(xué)里，并且培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力、創(chuàng)造能力和分析能力是機器人教學(xué)的本質(zhì)[1]。

伴隨著機器人在工業(yè)生產(chǎn)的大量應(yīng)用，對于擁有機器人設(shè)備的很多企業(yè)來說，非常缺少擅長系統(tǒng)集成應(yīng)用、機器人設(shè)計與開發(fā)以及機器人維修維護(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)出合格的機器人市場的人才，必須探索新的機器人工程教育教學(xué)模式，同時密切地關(guān)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(shù)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(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踐操作，重視知識學(xué)習(xí)的解題方法的研究而沒有注重創(chuàng)新意識的培養(yǎng)，強調(diào)了個人的業(yè)務(wù)水平卻忽視了團(tuán)隊協(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（Design）、實現(xiàn)（Implement）、運作（Operate）四個過程，在歐美發(fā)達(dá)國家經(jīng)過多年的運行，已經(jīng)形成了較為完善的課程實施的標(biāo)準(zhǔn)和大綱，在多個國家、多個專業(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)開始實施[3]。

“基于項目的教學(xué)方式”是CDIO工程教學(xué)模式的集中概況，具體體現(xiàn)為從實踐項目中來到教學(xué)項目中去，把實際項目為載體，讓學(xué)生在學(xué)中做，在做中學(xué)。本文以CDIO工程項目教學(xué)為主線，構(gòu)建課程之間有機聯(lián)系的教學(xué)體系?！皺C器人技術(shù)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(xué)環(huán)節(jié)，機器人涉及多學(xué)科，多領(lǐng)域，在學(xué)習(xí)上會顯得雜亂而無序，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)新實踐的能力[4]。

三、機器人技術(shù)創(chuàng)新與實踐

（一）課題研究思路

“機器人技術(shù)創(chuàng)新與實踐”根據(jù)CDIO的模式分為四個學(xué)習(xí)階段，分別為構(gòu)思、設(shè)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(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)特點和教學(xué)硬件設(shè)施的現(xiàn)狀，然后對機器人課程教學(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)動學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性和實踐積極性，本文結(jié)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(gòu)思、設(shè)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(wù)與要求：

1. 構(gòu)思階段：由授課教師進(jìn)行課題安排，主要對往年的學(xué)科競賽項目進(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)行項目的總體安排、如何實現(xiàn)作品方案構(gòu)思、設(shè)計實現(xiàn)、文檔寫作等，該階段學(xué)生需提交任務(wù)書。

2. 設(shè)計階段：由授課教師根據(jù)學(xué)生的特點進(jìn)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(fù)責(zé)項目的進(jìn)度安排，組員情況檢查。該階段每個小組需提交設(shè)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(xué)生根據(jù)事先確定的設(shè)計方案，各小組自行搭建機器人。對搭建出來的機器人進(jìn)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(dāng)?shù)闹笇?dǎo)。

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

（三）課題研究時間

“機器人技術(shù)創(chuàng)新與實踐”課程是面向機器人工程專業(yè)的學(xué)生，時間跨度為四個學(xué)期，具體教學(xué)在大學(xué)的二年級和三年級進(jìn)行（如圖3所示）。

第一階段，“機器人工程專業(yè)導(dǎo)論”、“控制器編程基礎(chǔ)”、“機械基礎(chǔ)”、“電路”是該階段學(xué)生已修的與機器人工程專業(yè)相關(guān)的主要課程。“工程導(dǎo)論”課程主要是培養(yǎng)學(xué)生的工程意識，學(xué)習(xí)工程的相關(guān)知識，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。機械基礎(chǔ)課程使得學(xué)生掌握初步的機械基礎(chǔ)知識。電路課程的學(xué)習(xí)使得學(xué)生對電子電路有了初步的認(rèn)識。

第二階段，“數(shù)字電路與FPGA設(shè)計”、“模擬電子技術(shù)”是該階段學(xué)生已修的與機器人工程專業(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，具備能夠用于以工業(yè)機器人為主導(dǎo)的先進(jìn)生產(chǎn)線系統(tǒng)的硬件設(shè)計與開發(fā)的能力。

第三階段，“單片機原理及接口技術(shù)”、“自動控制原理”、“數(shù)字圖像處理與機器視覺”是該階段學(xué)生已修的與機器人工程專業(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、自動控制技術(shù)和機械視覺等專業(yè)知識，能夠設(shè)計針對以機器人為主導(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(shù)”是該階段學(xué)生已修的與機器人工程專業(yè)相關(guān)的主要課程。此時學(xué)生能夠運用所學(xué)的知識、專業(yè)理論對以工業(yè)機器人為主導(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， 并獨立設(shè)計仿真或?qū)嶒灧桨福踩亻_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(xué)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(shè)計性實驗都很少，學(xué)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(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[6]：

1. 對團(tuán)隊所做項目的創(chuàng)新點，能夠投稿論文或者申請專利。

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

3. 將完成的項目參加學(xué)科競賽，獲得省級二等獎或國家級三等獎以上者。

學(xué)科競賽項目是經(jīng)過組委會專家制定，項目具有新穎性，而當(dāng)前機器人競賽項目的設(shè)置呈現(xiàn)與社會應(yīng)用價值緊密度增加的趨勢，比如家庭助老服務(wù)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(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)生機器人學(xué)科競賽是培養(yǎng)大學(xué)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(xué)科的知識，也要求學(xué)生能夠構(gòu)思機器人方案、設(shè)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(xué)生靈活應(yīng)用所學(xué)知識，而且要求學(xué)生能夠自主探索上課未教的知識，同時和其他同學(xué)組建團(tuán)隊共同協(xié)作完成。

參考文獻(xiàn)：

[1]王國江.基于CDIO的機器人實踐教學(xué)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(xué)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(yīng)用型地方本科院校機器人工程專業(yè)課程體系構(gòu)建[J].教育現(xiàn)代化，2018，5（30）：100-101+105.

[4]賈翠玲，李宗學(xué)，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(xué)法[J].現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè)，2015，36（19）：156-157.

[5]丁力，葉霞，單文桃，等.應(yīng)用型本科院校機器人課程改革探索[J].教育教學(xué)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(shù)。