以機器人為載體的大學(xué)生科技創(chuàng)新能力協(xié)同培養(yǎng)

劉保軍+周艷明+彭芳+王凡+倪利勇

摘 要 以機器人這一典型機電一體化系統(tǒng)為載體，運用CDIO工程教育理念，通過加強教學(xué)改革和創(chuàng)新實驗項目、開展CDIO項目式課外科技訓(xùn)練活動、學(xué)生參加教師指導(dǎo)團隊科研項目、校企合作共建應(yīng)用研究平臺等多種形式，多途徑開展協(xié)同培養(yǎng)實踐，大學(xué)生的科技創(chuàng)新能力得到很大提高，取得顯著成效。

關(guān)鍵詞 機器人；CDIO；科技創(chuàng)新能力；校企合作

中圖分類號：G642 文獻標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2016）22-0049-03

On Collaborative Training of Undergraduate Technology Inno-

vation Ability with Carrier of Robot//LIU Baojun， ZHOU Yanming，

PENG Fang， WANG Fan， NI Liyong

Abstract Taken robot， a typical mechatronical system as the carrier， collaborative training of undergraduate technology innovation ability

is implemented with the idea of CDIO engineering education via mul-

tiple styles and multiple channels such as enhancing teaching reform and creative experiment project， project-based extracurricular tech-nology training activities， participation in teachers science research project and university-enterprise cooperation cultivation， and it is obviously proved that the ability is greatly upgraded.

Key words robot； CDIO； technology innovation ability； university-enterprise cooperation

1 引言

創(chuàng)新是民族進步的靈魂。大學(xué)生科技創(chuàng)新能力訓(xùn)練是目前我國高校培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新精神的重要研究課題。本課題以機器人這一典型的機電一體化系統(tǒng)為載體，采用CDIO工程教育理念，通過多環(huán)節(jié)、多渠道，成功實施大學(xué)生科技創(chuàng)新能力的協(xié)同培養(yǎng)實踐。

2 機器人是大學(xué)生科技創(chuàng)新訓(xùn)練的重要載體

機器人是集機械結(jié)構(gòu)、電子技術(shù)、計算機軟件、自動控制和通信技術(shù)等多學(xué)科知識和新技術(shù)于一體的典型機電一體化系統(tǒng)，形式多樣、應(yīng)用廣泛。而對于以應(yīng)用型技術(shù)人才培養(yǎng)為核心任務(wù)的應(yīng)用型大學(xué)，其大學(xué)生普遍具有思維活躍、喜愛應(yīng)用實踐和動手制作的特點。同時由于機器人自身構(gòu)造和功能的無限可能性，大學(xué)生對機器人充滿好奇和喜愛，也都十分渴望擁有自己設(shè)計和親手制作的各類機器人作品。機器人目前已成為機械、自動化、電子、通信、計算機等各學(xué)科和專業(yè)大學(xué)生開展科技創(chuàng)新實踐訓(xùn)練的重要載體[1]。

本課題運用由MIT倡導(dǎo)的CDIO工程教育理念，將機器人的理論知識、設(shè)計制作和創(chuàng)新構(gòu)想等眾多環(huán)節(jié)，通過注重實效“以學(xué)生為主體”的理論和實驗課程教學(xué)改革、“教師—科協(xié)—學(xué)生”合作的大學(xué)生課外科技訓(xùn)練實踐、學(xué)生參與教師科研項目、校企合作共建研究服務(wù)平臺為工業(yè)企業(yè)提供應(yīng)用支持等多渠道來實施協(xié)同育人，更好地引導(dǎo)大學(xué)生開展廣泛而持續(xù)性的機器人構(gòu)思、設(shè)計和制作活動，提高廣大學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，增強學(xué)習(xí)動力和信心，助推相關(guān)各專業(yè)的建設(shè)與發(fā)展，其目的在于培養(yǎng)出一大批理論扎實、應(yīng)用實踐能力強、擁有創(chuàng)新精神和能力的應(yīng)用型人才，增強辦學(xué)特色。

3 基于CDIO理念開展大學(xué)生科技創(chuàng)新能力協(xié)同培養(yǎng)的實踐途徑

CDIO（Conceive-Design-Implement-Operation，即構(gòu)思—設(shè)計—實現(xiàn)—運行）國際工程教育理念由麻省理工學(xué)院（MIT）和瑞典皇家理工學(xué)院等共同發(fā)起和倡導(dǎo)，并認(rèn)為：應(yīng)為學(xué)生提供基于產(chǎn)品開發(fā)全周期的重視工程基礎(chǔ)的工程教育環(huán)境。學(xué)生應(yīng)該在學(xué)校、工業(yè)和社會環(huán)境下，按照一個產(chǎn)品或系統(tǒng)從基本構(gòu)想、設(shè)計、研制實現(xiàn)直到實際運行的完整開發(fā)過程這種情境，學(xué)會解決問題，并完成特定的工程或項目[2]。

以機器人這一典型機電一體化系統(tǒng)為載體，將CDIO工程教育理念進一步拓寬，運用到大學(xué)生科技創(chuàng)新能力的協(xié)同育人實踐，構(gòu)成多環(huán)節(jié)、多渠道的訓(xùn)練和培養(yǎng)途徑。

日常教學(xué)注重教學(xué)改革，開展CDIO項目式創(chuàng)新實驗 在平常的理論和實踐課堂教學(xué)中，教師堅持“以學(xué)生為主體”的原則，重視啟發(fā)式教學(xué)、交互式教學(xué)、案例教學(xué)法、合作學(xué)習(xí)、項目教學(xué)法等教學(xué)方法的運用。例如：通過機械設(shè)計、工業(yè)機器人、機電一體化系統(tǒng)、液壓與氣動技術(shù)、材料成型等課程的課程設(shè)計或?qū)嶒灒瑥娀髮W(xué)生良好的機械設(shè)計和制作能力；通過電子技術(shù)、傳感器、單片機、計算機控制技術(shù)等一系列課程的教學(xué)改革實踐，奠定大學(xué)生良好的電路設(shè)計和軟件編程能力。提高課程實踐教學(xué)比重，而且更重視實踐的內(nèi)容，通過機電一體化綜合實踐、自動化制造系統(tǒng)實踐、自動化專業(yè)綜合實踐等，以自動巡線機器人、分揀機器人、搬運機器人、表情機器人、籃球機器人等綜合性課題設(shè)計，由學(xué)生組成項目開發(fā)小組，學(xué)生因此塑造了基本、穩(wěn)固而系統(tǒng)性的機器人設(shè)計開發(fā)思想。

實驗實訓(xùn)環(huán)節(jié)是促進大學(xué)生理解和消化吸收理論知識、提高動手實踐和應(yīng)用能力的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。就機電類專業(yè)而言，除擁有一系列的基礎(chǔ)和專業(yè)實驗室外，還設(shè)置了機電綜合創(chuàng)新實訓(xùn)室、柔性制造自動化控制生產(chǎn)線實訓(xùn)室、慧魚機電一體化創(chuàng)新實訓(xùn)室、機器人綜合創(chuàng)新設(shè)計實訓(xùn)室等綜合創(chuàng)新實訓(xùn)空間，同時添置如工程機器人、水中機器人、空中機器人等各類新型機器人設(shè)備。豐富的機器人相關(guān)實驗設(shè)備和開放的實驗實訓(xùn)管理機制，為大學(xué)生開展創(chuàng)新實驗提供了條件。

結(jié)合CDIO項目式訓(xùn)練理念，實驗實訓(xùn)的課內(nèi)環(huán)節(jié)鼓勵學(xué)生自己構(gòu)思實驗實訓(xùn)課題、設(shè)計課題內(nèi)容、引導(dǎo)開展綜合性實驗項目，課外環(huán)節(jié)則大力鼓勵學(xué)生主動發(fā)掘社會生活中的實際需求、構(gòu)思和設(shè)計綜合創(chuàng)新性應(yīng)用實踐項目并加以實現(xiàn)，從而很好地激發(fā)學(xué)生的主動性和創(chuàng)新思維，這已成為訓(xùn)練大學(xué)生科技創(chuàng)新能力的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)[3]。

基于CDIO理念、以機器人為載體的大學(xué)生課外科技訓(xùn)練 機器人課外科技競賽項目通過吸引機械、自動化、電信、計算機學(xué)院等相關(guān)學(xué)科各專業(yè)學(xué)生開展協(xié)作性的設(shè)計和制作，并不斷改進和完善，形成功能較為完善的機器人科技作品。通過參加各類機器人學(xué)科競賽，在激烈的比賽過程中發(fā)現(xiàn)不足并及時調(diào)整，爭取最好的表現(xiàn)。在機器人設(shè)計、制作和競賽過程中，學(xué)生既能充分利用已學(xué)理論知識并轉(zhuǎn)化應(yīng)用到實際的機器人作品設(shè)計和制作中，又會遇到各種未學(xué)過的知識和技術(shù)需要學(xué)習(xí)和鉆研，而遇到各種困難時則需要發(fā)現(xiàn)問題、查找問題的根本原因并努力設(shè)法解決。由于機器人的技術(shù)綜合性，整個過程通常由多人組成的不同功能設(shè)計小組合作完成，需要學(xué)生間和小組間的互相合作和良好的溝通交流。

因而，機器人作品從構(gòu)思、設(shè)計和制作、調(diào)試完成到實際參賽時的作品運行或?qū)剐员荣惖耐暾^程，完全契合目前CDIO“產(chǎn)品開發(fā)全生命周期”的工程教育理念。既可以鍛煉大學(xué)生將理論知識轉(zhuǎn)化為具體應(yīng)用設(shè)計和實踐制作的能力，提高發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力，也可以很好地鍛煉其團隊合作和溝通交流能力，并能通過參加整個過程拓寬視野，結(jié)交不同學(xué)科和愛好的朋友，更全面地認(rèn)識和理解機器人[4]。

日常教學(xué)不僅注重培養(yǎng)大學(xué)生良好的理論和實踐基礎(chǔ)，而且在教學(xué)中滲透各種以機器人為典型載體的各類機電一體化自動化設(shè)備的設(shè)計思想。與此同時，以大學(xué)生參加機器人科技競賽的作品作為課堂講解的典型設(shè)計案例，較好地豐富了課堂的教學(xué)內(nèi)容，促使更多的學(xué)生在搞好平時學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，更渴望參加到課外的機器人設(shè)計和制作實踐活動中來。目前在機器人學(xué)科競賽項目指導(dǎo)教師團隊的指導(dǎo)下，自動化科技協(xié)會每年招新人數(shù)屢創(chuàng)新高，吸引力不斷增強，成員不僅來自機電、自動化、計算機、電子技術(shù)、通信等工科專業(yè)，甚至經(jīng)管、人文、管理等文管類專業(yè)的學(xué)生也積極參加。

實踐證明，通過機器人的課內(nèi)外科技實踐活動，已經(jīng)培養(yǎng)了一大批理論基礎(chǔ)好、實踐應(yīng)用能力強、工程素養(yǎng)良好、富有創(chuàng)新能力的應(yīng)用型大學(xué)生，并逐漸達到“基礎(chǔ)廣泛、大量培訓(xùn)、選優(yōu)參賽、以賽促學(xué)、以賽促教、以研帶賽、教學(xué)研賽共贏”的良性循環(huán)。

帶領(lǐng)學(xué)生參加教師團隊科研項目訓(xùn)練，提升科技創(chuàng)新能力 機器人指導(dǎo)教師團隊目前由學(xué)校多個不同專業(yè)的教師團隊專項負(fù)責(zé)，以機器人相關(guān)各類科技競賽項目作品的指導(dǎo)訓(xùn)練為基礎(chǔ)，引導(dǎo)學(xué)生參加教師科研項目訓(xùn)練，如管線巡檢機器人研制、消防救援機器人研制、智能輪椅服務(wù)機器人研制、注塑機械手控制系統(tǒng)開發(fā)、六軸工業(yè)機器人控制系統(tǒng)開發(fā)等，加強對學(xué)生的科技文獻查閱能力、方案構(gòu)思與知識綜合運用能力、問題解決能力、團隊協(xié)作和合作能力的指導(dǎo)和培養(yǎng)，并突出創(chuàng)新能力、實踐應(yīng)用能力的培養(yǎng)和學(xué)生的個性化發(fā)展，很好地提高了學(xué)生的專業(yè)技能和鉆研深度，拓寬了學(xué)生的科研視野，增強了學(xué)生的科研態(tài)度和職業(yè)道德精神。這正符合CDIO培養(yǎng)能力大綱中關(guān)于個人專業(yè)能力和職業(yè)素養(yǎng)、團隊合作與交流能力的要求。

實踐證明，由來自多個學(xué)科、不同專業(yè)方向的教師作為機器人團隊指導(dǎo)教師，可以顯著提高大學(xué)生的科技訓(xùn)練指導(dǎo)水平。多學(xué)科不同專業(yè)的指導(dǎo)教師團隊也可以吸引更多不同專業(yè)的學(xué)生參加到機器人的科技實踐活動和教師的科研項目中，有利于師生之間、學(xué)生之間的互相交流和技術(shù)提高，不斷提高機器人的整體設(shè)計水平，更有利于通過不同視角的思想交叉碰撞而激發(fā)和形成新的創(chuàng)新思維。

由于機器人技術(shù)的交叉性和迅速發(fā)展，跨學(xué)科不同專業(yè)的機器人教師團隊指導(dǎo)學(xué)生開展科研項目訓(xùn)練，已成為培養(yǎng)優(yōu)秀大學(xué)生科技創(chuàng)新能力的重要途徑。

校企合作共建機器人研究和服務(wù)平臺，協(xié)同培養(yǎng)應(yīng)用型人才 重視校企合作，建設(shè)深入合作的大學(xué)生實踐基地，在通常的參觀實習(xí)活動時，安排學(xué)生開展頂崗實習(xí)鍛煉，甚至為企業(yè)的生產(chǎn)制造過程、產(chǎn)品開發(fā)與設(shè)計提出合理化建議和可行的設(shè)計方案，為學(xué)生實踐能力的提高做好實踐環(huán)境保障，成為大學(xué)生科技創(chuàng)新能力訓(xùn)練的又一重要渠道。由于大學(xué)生在機器人普及教育階段時已經(jīng)打下良好基礎(chǔ)，在機器人科技競賽方面取得優(yōu)異成績，在科研訓(xùn)練上展現(xiàn)出良好的應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力，從事自動化生產(chǎn)技術(shù)和機器人應(yīng)用推廣的某知名企業(yè)主動與學(xué)校開展合作建設(shè)中山市工業(yè)機器人技術(shù)應(yīng)用推廣服務(wù)中心；并共同建設(shè)校級機器人技術(shù)應(yīng)用和機電研究平臺，進一步推動學(xué)校的機器人技術(shù)教育和應(yīng)用服務(wù)。這為大學(xué)生開展CDIO體系中社會環(huán)境下的科研訓(xùn)練提供了新途徑。

借助機器人技術(shù)研究平臺和應(yīng)用服務(wù)中心的設(shè)備和資源，更多大學(xué)生參與工業(yè)機器人項目開發(fā)，直接為機器人在工業(yè)企業(yè)的應(yīng)用提供技術(shù)支持服務(wù)，有力助推了校企合作共同培養(yǎng)高素質(zhì)的應(yīng)用型技術(shù)人才。而該合作項目目前已成為創(chuàng)新強校質(zhì)量工程項目，正有力地推動機器人相關(guān)學(xué)科和專業(yè)的建設(shè)和發(fā)展，增強大學(xué)生科技創(chuàng)新能力的訓(xùn)練，提高應(yīng)用型人才的培養(yǎng)質(zhì)量。

4 結(jié)語

多年來，以機器人這一涉及多學(xué)科不同專業(yè)知識和技能的典型產(chǎn)品為載體，運用國際先進的CDIO工程教育理念，通過日常教學(xué)改革與創(chuàng)新實驗實訓(xùn)環(huán)節(jié)、大學(xué)生課外科技競賽訓(xùn)練、參加教師科研項目訓(xùn)練、校企合作平臺共同培養(yǎng)鍛煉等多環(huán)節(jié)、多途徑，開展大學(xué)生科技創(chuàng)新能力的協(xié)同培養(yǎng)實踐，取得良好的成效。

在科技訓(xùn)練實踐過程中，逐步探索形成一套行之有效的“基礎(chǔ)工程、專項強化、綜合訓(xùn)練、自主創(chuàng)新”四階段、階梯式的大學(xué)生科技創(chuàng)新能力訓(xùn)練體系，對大學(xué)生的科技創(chuàng)新能力培養(yǎng)起到良好的保障和推動作用。大學(xué)生在校期間以機器人為主要設(shè)計和研究載體，獲得眾多全國性學(xué)生科技競賽一等獎，開展國家和省級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目，畢業(yè)后進入國際知名企業(yè)和大型高新技術(shù)企業(yè)從事相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)崗位，在機器人行業(yè)成功創(chuàng)業(yè)并獲得省創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)資金扶持等，正是本課題成果的有力佐證。參考文獻

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[4]劉保軍，彭芳，黎萍，等.科技競賽和CDIO模式大學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)實踐[J].中國教育技術(shù)裝備，2012（6）：53-54.