基于CDIO模式下的机器人创新实践教学的探索与研究

毛丽民 杨海萍 李鑫 陈勇

摘  要：文章以CDIO工程的教育改革作为背景，在机器人的创新实践教学方面进行了一些探索与研究，对基于CDIO的机器人创新实践教学体系进行了构建，让学生能够在“做中学、学中做”中，逐渐地提升大学生的创新能力和动手能力，并且进一步地提高学生在运用课题所学的理论知识去分析、解决工程实际问题和工程实践学习这些方面的能力，实现由知识向实践的逐渐转化。

关键词：CDIO模式;机器人;创新实践;教学

中图分类号：G642 文献标志码：A         文章编号：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

機器人融合了计算机编程、控制理论、人工智能和机械科学等很多个学科，在本科阶级的院校中，将与机器人相关的多学科技术应用到教学里，并且培养学生的实践能力、创造能力和分析能力是机器人教学的本质[1]。

伴随着机器人在工业生产的大量应用，对于拥有机器人设备的很多企业来说，非常缺少擅长系统集成应用、机器人设计与开发以及机器人维修维护这些方面的技能型人才。现阶段我国的大部分高校都比较缺乏较完善的关于机器人的教学体系，甚至还有些学校的教学方式十分陈旧，完全不适应市场的需求。作为一所应用型的本科院校，常熟理工学院要想培养出合格的机器人市场的人才，必须探索新的机器人工程教育教学模式，同时密切地关注市场的需求，为企业输出真正有用的机器人工程师[2]。

二、机器人技术创新与实践

目前，全国高校都在致力于研究符合中国实际情况的实践创新型人才的培养模式，在国内高校的工科教育领域中存在一些不合理的地方，主要体现在：在教学过程中重视理论的讲解而忽略实践操作，重视知识学习的解题方法的研究而没有注重创新意识的培养，强调了个人的业务水平却忽视了团队协作的重要性，在专业和课程的设置方面，注重了单门课程的完整性建设，而忽视了课程体系的建立，没有注重课程之间的相关性等。

近年来，工程教育的改革在世界范围内全面开展，从而引起了社会各界的关注，并取得了很多成果，其中CDIO模式引起了的教育界的普遍关注，CDIO代表着构思（Conceive）、设计（Design）、实现（Implement）、运作（Operate）四个过程，在欧美发达国家经过多年的运行，已经形成了较为完善的课程实施的标准和大纲，在多个国家、多个专业的应用中，取得了很好的反响。在国内也引起了很多高校的注意，目前在一些高校已经开始实施[3]。

“基于项目的教学方式”是CDIO工程教学模式的集中概况，具体体现为从实践项目中来到教学项目中去，把实际项目为载体，让学生在学中做，在做中学。本文以CDIO工程项目教学为主线，构建课程之间有机联系的教学体系。“机器人技术创新与实践”是我校机器人工程专业人才培养方案里的集中实践教学环节，机器人涉及多学科，多领域，在学习上会显得杂乱而无序，本文结合CDIO模式的大纲标准，进行课程定位，在教学方法、教学内容和考核方式上进行改革与探索，提升学生创新实践的能力[4]。

三、机器人技术创新与实践

（一）课题研究思路

“机器人技术创新与实践”根据CDIO的模式分为四个学习阶段，分别为构思、设计、实现和运行，如图1所示[5]。

（二）课题研究方法

为提高课堂教学效果，教师在开课前必须事先了解学生的专业基础，根据学院所学专业特点和教学硬件设施的现状，然后对机器人课程教学的方式进行合理的改革，将CDIO的教学模式融入到课堂教学中。

为提高授课质量、能够充分调动学生的学习主动性和实践积极性，本文结合机器人创新实践课程的特征制订了具体的实施方案，如图2所示。

课程具体实施过程包括构思、设计、实现和运行四个阶段。在四个不同的阶段分别提出了不同的任务与要求：

1. 构思阶段：由授课教师进行课题安排，主要对往年的学科竞赛项目进行深度剖析，通过仔细的讲解让学生能够明白如何进行项目的总体安排、如何实现作品方案构思、设计实现、文档写作等，该阶段学生需提交任务书。

2. 设计阶段：由授课教师根据学生的特点进行分组，通常3人左右为一个小组，为便于管理，每组确定一位组长，主要负责项目的进度安排，组员情况检查。该阶段每个小组需提交设计方案，并通过答辩形式，实现方案的论证。

3. 实现阶段：教师提供硬件，学生根据事先确定的设计方案，各小组自行搭建机器人。对搭建出来的机器人进行编程，实现项目要求的控制。该阶段教师根据每个小组的实现过程中出现的情况给予适当的指导。

4. 运行阶段：机器人搭建并完成调试。该阶段学生需提交实物和报告，最后采用学生进行实物演示和老师提问相结合的验收方式。

（三）课题研究时间

“机器人技术创新与实践”课程是面向机器人工程专业的学生，时间跨度为四个学期，具体教学在大学的二年级和三年级进行（如图3所示）。

第一阶段，“机器人工程专业导论”、“控制器编程基础”、“机械基础”、“电路”是该阶段学生已修的与机器人工程专业相关的主要课程。“工程导论”课程主要是培养学生的工程意识，学习工程的相关知识，并通过控制器编程基础这门课，使学生具有一定的写代码的能力。机械基础课程使得学生掌握初步的机械基础知识。电路课程的学习使得学生对电子电路有了初步的认识。

第二阶段，“数字电路与FPGA设计”、“模拟电子技术”是该阶段学生已修的与机器人工程专业相关的主要课程。到该阶段学生应具备电子系统工程知识，具备能够用于以工业机器人为主导的先进生产线系统的硬件设计与开发的能力。

第三阶段，“单片机原理及接口技术”、“自动控制原理”、“数字图像处理与机器视觉”是该阶段学生已修的与机器人工程专业相关的主要课程。学生能够系统地学习微处理器、自动控制技术和机械视觉等专业知识，能够设计针对以机器人为主导的先进生产线系统开发或集成中的复杂工程问题的具体方案，学生能够设计包括硬件电路、程序软件等，具有特定需求的系统。

第四阶段，“现代控制理论”、“工业机器人技术”是该阶段学生已修的与机器人工程专业相关的主要课程。此时学生能够运用所学的知识、专业理论对以工业机器人为主导的生产线系统开发或集成中的关键问题进行分析， 并独立设计仿真或实验方案，安全地开展实验，正确采集和记录数据。

四、课题研究的考核方式

以往开展的学生创新性实践活动主要以验证性的实验为主，综合性和设计性实验都很少，学生的创新实践活动大部分以提交实验报告为主，创新就很难体现了，老师考核也略显单一。本文考核方式显得灵活多样，除了传统的验收，答辩，提交报告等手段之外，如果学生能够达到以下条件可免于答辩，并直接获得优秀的成绩[6]：

1. 对团队所做项目的创新点，能够投稿论文或者申请专利。

2. 团队所做项目，能够申请到省级或国家级的大学生创新训练计划。

3. 将完成的项目参加学科竞赛，获得省级二等奖或国家级三等奖以上者。

学科竞赛项目是经过组委会专家制定，项目具有新颖性，而当前机器人竞赛项目的设置呈现与社会应用价值紧密度增加的趋势，比如家庭助老服务机器人、物流机器人，这些项目的趣味性比传统的项目更能够吸引学生，并激发了学生勇于挑战的勇气。本课题经过实践，也已经取得了一些成果，部分成果如图4所示。

五、结束语

大学生机器人学科竞赛是培养大学生创新实践能力的一个非常有效的平台[6]，机器人竞赛项目需要多学科的知识，也要求学生能够构思机器人方案、设计、实现和运行机器人，是实现CDIO教育理念行之有效的方式，四个阶段不仅要求学生灵活应用所学知识，而且要求学生能够自主探索上课未教的知识，同时和其他同学组建团队共同协作完成。

参考文献：

[1]王国江.基于CDIO的机器人实践教学探索与实践[J].中国电力教育，2014（05）：180-181+185.

[2]李湛，林伟阳，杨学博.机器人教育在自动化专业创新人才培养中的理论与实践[J].黑龙江教育（理论与实践），2018（12）：24-25.

[3]马荣琳，韩耀振，潘为刚，等.应用型地方本科院校机器人工程专业课程体系构建[J].教育现代化，2018，5（30）：100-101+105.

[4]贾翠玲，李宗学，郭长青.机器人创新实践课程改革研究与实践——基于CDIO项目式教学法[J].现代商贸工业，2015，36（19）：156-157.

[5]丁力，叶霞，单文桃，等.应用型本科院校机器人课程改革探索[J].教育教学論坛，2018（45）：153-154.

[6]邹国柱，葛浩.机器人竞赛对创新实践性人才的培养[J].教育现代化，2017，4（36）：40-41.

作者简介：毛丽民（1981-），男，汉族，江苏常熟人，硕士，高级实验师，研究方向：机器人控制技术。