基于CDIO的機器人實踐教學探索與實踐

摘要：機器人平臺是開展工程教育的一個良好載體，有利于學生獲得寬闊的基礎、專業視野和工程實踐能力。以CDIO工程教育改革為背景，對機器人實踐教學的模式和方法進行了探索與實踐，構建了基于CDIO的機器人實踐教學體系。實踐表明，該實踐教學改革模式具有較好的實際效果。

關鍵詞：機器人；實踐教學；CDIO工程教學模式

作者簡介：王國江（1974-），男，河南開封人，成都信息工程學院控制工程學院，副教授。（四川 成都 610225）

基金項目：本文系成都信息工程學院教改項目（項目編號：Y201001）的研究成果。

中圖分類號：G642.423 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）05-0180-02

近年來高等教育教學改革尤其是工程教育改革在世界范圍內全面展開，引起了社會各界的廣泛關注。[1-3]CDIO代表構思（Conceive）、設計（Design）、實現（Implement）、運作（Operate），是近年來國際工程教育改革的最新成果。[4]2008年，成都信息工程學院（以下簡稱“我校”）作為教育部CDIO首批試點高校，在全校進行CDIO教育模式改革，積極探索工程技術人才培養的模式、方法與手段，強化實踐能力的培養。我校在修訂自動化專業本科教學計劃時，設置了CDIO一級項目“機器人設計與實現”，[5]目的是結合我校實際情況，融合CDID教學理念，進一步加強學生實踐和創新能力的訓練，培養具有工程實踐能力和創新精神等綜合素質的自動化應用型人才。

CDIO工程教學模式是“做中學”與“基于項目的教育和學習”的集中概括和抽象表達，它以產品研發到產品運行的生命周期為載體，讓學生以主動的、實踐的、課程之間有機聯系的方式學習工程。[6]CDIO工程教學模式以項目為主線，采用“做中學”的方式，構建模塊化組合，設置了CDIO一級項目、二級項目和三級項目。一級項目是包含本專業主要核心課程和能力要求的項目；二級項目是包含一組相關核心課程、能力要求的項目；三級項目是包括單門課程內為增強該門課程能力與理解而設的項目。[7]“機器人設計與實現”作為我校自動化專業人才培養方案中集中性實踐教學環節里的一級項目，結合CDIO能力大綱和標準，進行了課程定位、教學內容、教學方法和考核方式的教學改革探索與實踐，以促進學生綜合能力的培養。

一、課程建設思路

“機器人設計與實現”一級項目面向自動化專業學生，時間跨度為四個學期，在大學一年級第二學期、二年級和三年級第一學期進行。該階段學生已修的與自動化專業相關的主要課程是“工程導論”、“C語言程序設計”。“工程導論”課程主要是培養學生的工程意識，明確工程師擔當的角色，學習項目設計的相關知識，并通過C語言程序設計，使學生具備一定的軟件編程能力。而在“機器人設計與實現”課程進行期間，學生將相繼學習“傳感器與檢測技術”、“微處理器與微計算機系統”、“自控原理”、“電機與拖動基礎”等專業課程，系統地學習傳感器、控制器、驅動器和執行機構等專業知識。“機器人設計與實現”的實踐項目設置主要是通過對問題的解決，培養學生基本的工程素質和能力；同時給學生創造感知自動化技術、動手實踐、分析思考的機會，激發對自動化主干課程學習的興趣。因此，項目建設目標主要從以下兩個方面考慮：

第一，以機器人為工程素質教育平臺，以實踐項目和任務為載體來組織整個學習和實踐過程，通過基于機器人平臺的多個實踐任務，融合構思、設計與實現，完成機器人設計與實現的全過程，讓學生了解并熟悉“構思—設計—實現—運行”的產品開發模式，初步具備工程設計的基礎能力。

第二，建立實踐教學內容與自動化主干課程之間的聯系，有效激發學生對專業課程的學習興趣。強調學生在工程環境中進行學習，通過認識和分析機器人這一涵蓋了自動化基礎知識和應用的實例產品，了解其內部結構構成與設計思想，從而了解本專業核心知識內容與實際產品的聯系，從設計工程師的角度去面對專業課程的學習，建立所學與所用之間的聯系。

二、建立CDIO模式下實踐教學內容

1.創設針對能力培養不同階段的實踐項目

工程實踐環境和具體實踐項目的建立非常重要，實踐項目的優劣直接影響能否調動學生自主探索的積極性、是否具有可行性等關鍵問題。因此，創造性地設置實踐課題是開展研究型實踐活動、培養學生創新能力的基礎。“機器人設計與實現”項目中按層次創設了移動機器人項目、工業機械臂項目、類人機器人項目以及研究型項目，這些項目又包含了若干項子項目，基本涵蓋了當今機器人研究中的主要方面，使學生能夠依據自己的興趣所在選擇相應的實踐項目。同時，這些項目對于不同層次學習者的實踐內容也有明晰的區分。低年級學生可以選擇移動機器人項目和工業機械臂項目，可以較快速的建立起對典型自動化系統的理解；一些對課程有濃厚興趣、學有余力的學生可以選擇研究型項目，進行更深入的專業研究。另外，每個項目都有一個趣味性的名稱，如移動機器人項目里的子項目“武林高手”、“消防隊員”等，讓學生覺得既有趣又不陌生，從而提高學生的興趣，也給學生以充分的想象和發揮的空間，使他們學會獨立思考、積極創新。

2.實踐教學內容的設計與實施

“機器人設計與實現”一級項目主要分為四個階段，即構思、設計、實現以及運行。在機器人構思階段之前開展相關講座，講座的主要內容有項目總體安排說明、文獻檢索、產品設計、科技文檔寫作等。目的是使學生對項目有一個總體的了解，明確各階段所要完成的任務以及時間節點，并建立起基本的工程設計思想和具備初步的文獻檢索、科技文檔寫作的能力。在不同階段的實踐結束后對學生的要求是：構思階段完成后按組提交設計任務書一篇，設計階段結束后按組完成可行性分析報告、設計資料以及設計方案，并進行小組答辯和集中答辯；實現階段要提交實施計劃、部件測試數據、實物（硬件或程序清單）和調試報告，并進行小組答辯和集中答辯；運行階段要提交運行方案書、實物（硬件或程序清單）運行報告書或整改報告書以及總結論文并進行小組答辯和集中答辯。

三、建立CDIO模式下實踐課程教學方法

1.更新實踐教學觀念

CDIO教學模式與傳統教學模式的區別主要體現在教師教學與學生學習的過程中，體現在知識的獲取方式及技能的訓練方法上。[8，9]“機器人設計與實現”等開放型的項目可以使學生有機會把知識有機的聯系起來，因此，對于學生來講，要學會以探究的方式獲取知識；對于教師來說，需要轉變原有的一些授課習慣性的思想和觀念，要將CDIO精神靈活地貫穿在教學活動當中。從過去的以教師為中心、以課堂為中心、以傳授知識為目的的傳統教育觀念，轉變成“以學生為中心”的新觀念，引導學生主動學習。教師的角色由權威的知識傳授者轉變為課題的開發者和過程的組織者、指導者和參與者。[10]在很多情況下教師要以平等的身份參與學生的實踐活動，構建平等、合作的新型師生關系，真正成為學生的良師益友。教師還要不斷更新知識，開闊視野，形成多元化的知識結構，以滿足新教學法運用的需要。

2.實踐教學模式的設計與實施

結合CDIO教育模式，在實踐教學過程中，以學生為主體，以教師引導、任務牽引為主要教學方法，實行“邊學習、邊研究、邊實踐”的教育過程，建立師生基于任務解決的互動學習方式，將學生從接受型的被動學習引導為探索型、發現型的學習。

在實踐教學中，機器人設計與實現項目以團隊的形式開展工作，每個團隊3～6人。在整個項目實施過程中，給予學生極大的自主性，教師作為項目的組織者、指導者、把關者，起到啟發、難點重點的指導和達成共識的作用。在構思階段，教師鼓勵學生大膽想象，充分發揮學生的創造力和想象能力，但要根據學生所構思項目的實現難度、工作量、可行性、制作成本、創新性等方面與學生共同交流討論，與學生共同確定項目題目及所要實現的目標和任務。在設計、制作及運行階段，學生自主組隊、自主分工，將項目劃分為若干個任務或模塊，并劃分到團隊內的每個同學，團隊必須注重各子模塊設計的同學之間的溝通交流，保證各自任務的順利完成以及系統各部分相互兼容，最終形成一個完整的系統。期間，教師以專題討論和團隊討論的方式介入其中，在學生需要幫助時給予其適當的指點和引導。

3.引導學生對自動化專業主干課程的興趣

在項目實施開展中，還要注重引導學生對自動化主干課程的興趣。機器人技術是綜合了自動控制、計算機、傳感器、人工智能和電子技術等多個學科的技術，也是一個涵蓋自動化基礎知識和應用的實例產品。因此，“機器人設計與實現”一級項目不僅可以使學生對一個產品項目完整地展開構思、設計、實現、運用，系統地完成一個工程實踐，還可以讓學生從解決工程問題的角度對其解剖分析，了解其內部結構構成與設計思想，從而提前了解本專業核心知識內容與實際產品的聯系，從設計工程師的角度去面對即將開始的專業課程學習，建立所學與所用之間的聯系。如機器人的傳感部分涉及到自動化專業的主干課程傳感器與檢測技術、信號與系統等；控制部分涉及到主干課程微處理器與微計算機系統、單片機及其應用、自動控制原理、運動控制系統、可編程控制器等；驅動部分涉及到主干課程運動控制系統、電機與拖動等。因此在這些組成部件的構思與設計中，采取問題引導的方式，設計了一系列由淺入深的問題，使學生了解各主要課程的知識對本專業的作用，激發了學生學習的興趣，在一定程度上建立起與專業相關的整體概念，為畢業實習和畢業設計奠定了基礎。

四、建立CDIO模式下的實踐課程考核方式

合理的課程考核方式可以激發學生學習的積極性。在教學考核中要采用團隊考核和團隊內部考核相結合的方式。在項目實施的每個階段結束后組織團隊答辯，答辯表現決定團隊基準成績。團隊內部考核采用成員互評和指導教師逐個答辯的方式，根據學生互評結果和指導教師考核結果得到每個成員的團隊內部成績，再乘以團隊基準成績既可得到各自的成績。這樣的考核方式使整個實踐教學過程中的每一階段的每個學生都得到了考核，促使每個學生都重視每一階段的實踐環節，從而有效提高了學生的實踐能力。

五、實踐效果

通過“機器人設計與實現”項目的構建與實施，在以下兩個方面收到了明顯的成效：

1.調動了學生自覺學習的積極性，促進了學生對專業課程的學習

一級項目的開展為理論聯系實際提供了結合點，幫助學生樹立了自動化系統的整體實踐觀。另外，一級項目的教學組織方式也大大激勵了學生的學習、實踐和創新熱情，學生學習的主動性有了明顯的提高，課余時間常常看到他們投身于實驗室或圖書館，在學生中樹立了一種認真學習、埋頭實踐的良好風氣。

2.增強了學生的工程師責任與態度，促進了大學生實踐動手能力、工程設計能力以及科技創新能力的培養

“機器人設計與實現”以實踐項目和任務為切入點，引導學生發現、分析和解決實際問題，將學習變為興趣驅動而不是被動地追求分數和應付。在一級項目進行階段，每年都有數千人次的學生有效利用機器人平臺進行工程實踐和創新活動，制作出了聲控智能機器小車、機器人視覺追蹤、花臺自動澆水機器小車等眾多的創新作品，部分作品還受邀在第十一屆中國西部國際博覽會高新技術館參展，獲得了社會各界的廣泛好評與認可；2012年和2013年我校自動化專業學生在全國大學生“飛思卡爾杯”智能汽車競賽、“挑戰杯”中國大學生創業計劃書競賽、“挑戰杯”全國大學生課外學術作品科技作品競賽、全國大學生電子設計大賽中共獲得全國一等獎1項，二等獎6項，三等獎1項；省級一等獎6項，省級二等獎11項。更為可貴的是，通過實踐，一些學生由興趣轉化為創業動力，2013屆自動化學生伍印與其他10位同學一起組建了機器人創業團隊，研發了IOROBOX教育機器人平臺（專利申報中），于2012年年底創建了成都我有科技有限公司，現已經開始了商業化運作。[11]

六、結束語

依托我校“中央與地方共建高校特色優勢學科實驗室”——機器人創新實驗室，5年來的實踐表明，機器人實踐教學在培養自動化專業學生的工程實踐能力、專業綜合應用能力和創新能力等方面具有積極的作用和明顯的效果，今后將進一步深化機器人實踐教學模式的改革，在自動化應用型人才的培養方面起到更積極的作用。

參考文獻：

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[11]張潔，敢拼 敢闖 敢學 敢做[J].成都信息工程學院報，2013，（6）.

（責任編輯：孫晴）