創新思維與機器人實踐結合的工程教育探索

朱愛斌，李宏偉，毛涵，段玉崗，劉全銘，楊柳

（西安交通大學 機械工程學院，陜西 西安）

一 問題提出

培養創新型人才是時代的迫切需要，也是大學的責任。以往的工程教育活動主要以教師、課堂為中心進行授課，采用固定的講授模式，即使是以創新思維為主要內容的課程，也還是偏重于知識傳授，學生還是被動學習和思考，主動學習和思考、創新思維的實踐活動不夠。學生實踐能力培養較弱，這樣不利于創新人才的培養，影響了人才培養的質量[1]。

高校已經普遍認識到實踐能力對于高素質人才培養的重要性，都在下大力氣建設功能完善的工程教育基地。但是，受傳統應試教育的影響，學生的學習仍以被動接受、應對考試為主，工程教學過程中很多學生自主學習、創新思維、創意實踐的意識淡漠，經過系統的專業課程學習后仍不能具備較強的專業能力和努力探索的創新精神。

相關研究者對于工程教育有了多方面的探索和研究。韓雙淼等研究了國際高等工程教育研究方法與主題的演進[2]，羅嘉慶等以計算機導論課程建設為例，構建面向新工科的新生工程認知體系[3]，王世斌等解析了新工科教育創新發展的三維度結構[4]，李悅池研究了美國“星辰”項目的經驗及啟示提出創新工程教師培養模式[5]，孫婧等分析了我國大學課程研究的知識基礎和熱點問題[6]，李明忠等以戈登獎獲獎項目為例，研究了美國高等工程教育改革的主要特征[7]，蔡新紅等針對工程教育中的電路課程教育，從教學方法、教學內容、教學理念等方面研究了其教學改革方向[8]，陳秀梅等研究和探討了高等工程教育中機械設計制造及其自動化專業的人才需求、學校定位、培養目標等問題[9]。

本文對虛實結合的創新思維和機器人實踐的工程教育新模式進行了探索，以系統創新思維的課堂教育和機器人創客交叉創新實踐教育相結合為培養特色，培養學生的系統創新觀念，指導學生采用創新理論、工具和方法來分析和解決實際問題，最終提高學生的創新思維能力和機器人實踐能力。

二 虛實結合的創新思維工程教育新模式

目前的工程教育主要目標是培養從事一般性設計和制造的工程師，未來目標希望逐步轉變為突出系統設計創新，以培養制造業的領軍人才為長遠目標。以系統創新設計的課堂教育和機器人交叉創新實踐教育相結合為課程特色，培養學生的系統設計創新觀念，指導學生采用創新理論和創新工具等整體方法體系來分析和解決實際問題。

虛實結合的創新思維工程教育新模式如圖1所示，虛實結合的創新思維工程教育新模式的主體是學生和教師，教學環境是課內和課外，教學內容是抽象的理論與具體的實踐。學生的主要活動是課內學習創新理論，課外進行機器人動手實踐，且提出所遇到的問題，與老師進行交流溝通。教師的主要活動是在課內講授抽象的系統創新設計的理論與方法，就學生提出問題進行答疑解惑，課外輔導學生進行機器人創客實踐活動。

圖1 虛實結合的創新思維工程教育新模式

依據上述的虛實結合的創新思維工程教育新模式，開設了面向本校所有學科專業的“創新思維和機器人創客實踐”通識課程，講授系統化創新思維的理論、方法和工具，培養學生的系統設計方法和創新思維；以機器人設計和制作過程為實踐教學對象和內容，提高學生的實踐能力。

（一） 啟發創新思維

授課老師為學生講授系統化創新思維的理論、方法和工具，培養學生的系統設計方法和創新思維，為學生提供創新設計的理論基礎。學生應用所學習的工程創新的系統方法、破壞性創新方法、發明問題解決TRIZ創新方法，針對機器人實踐對象進行需求分析，功能分解，概念設計，同時展開結構設計和分析。

如圖2所示，教師一方面講授相關創新方法，另一方面引導學生對機器人實踐對象進行分析。學生一方面要學習創新思維方法，另一方面需要對機器人實踐對象進行分析，產生的問題及時向老師反饋并得到解答。

圖2 啟發創新思維

（二） 學生動手實踐

教師考慮時間、難度、成本以及學生的接受程度，設計了系統化的對象驅動的動手實踐方案。實踐內容包括基于Arduino控制器的機器人創客系統實踐和3D打印軟件和實踐，以及針對四類實踐對象的課程實踐。

如圖3所示，實踐1為助殘助力上肢假肢/外骨骼創新設計實踐（全部專業）；實踐2為助殘助力下肢假肢/外骨骼創新設計實踐（全部專業）；實踐3為仿生跳躍機器人創新實踐輔導（工科）；實踐4為爬壁/繩/纜/桿機器人創新實踐輔導（工科）。其中機器人創客實踐1,2適合全部專業學生實踐，3,4適合工科學生實踐，老師進行針對性實踐輔導。

圖3 學生動手實踐

學生學習如何選擇材料，運用工具，3D打印及裝配制作出機器人原型，如何使用控制平臺實現機電控制，讓原型完成既定功能和動作。

（三） 創業拓展

為拓展課程的內容，讓學生接觸目前創新創業活動的熱潮，課程專門設置請進來與走出去的教學內容，實現創業拓展。

請進來包括邀請創客空間，企業導師來到課堂分享企業在創新思維和機器人實踐方面的經驗和教訓，以機器人產業高新技術公司案例，如硅谷和中關村等，介紹機器人創新和創業。鼓勵學生學以致用，應用學習的工程創新方案的評價方法，工程創新使能技術，和企業導師一起探討如何針對進行高新技術創業，撰寫創業商業計劃書并進行評估。

走出去包括組織學生到知名創客空間進行機器人創新創業討論交流，并鼓勵參加機器人創客優秀項目路演，參加國際創客節、全國雙創周、絲綢之路機器人創意大賽等活動的項目路演和創業拓展。

三 課程實踐結果與分析

虛實結合的創新思維工程教育新模式以系統創新思維的課堂教育和機器人創客交叉創新實踐教育相結合為課程特色，培養學生的系統創新觀念，指導學生采用創新理論和創新工具等整體方法體系來分析和解決實際問題。

（一） 課程情況與場景展示

本次課程共140名學生參加，其中男生124名，女生16名。學生的年級分布情況如表1所示，其中大一年級的學生最多，總計121人，占比86.43%。

表1 學生年級分布情況

學生的專業涵蓋理、工、文等學科，具體的專業類別分布情況如表2所示。從表中可以看出，學生主要來自于理、工科學生，其中工科學生最多，占比79.29%。

表2 學生專業分布情況

所有學生分成12個小組，每個團隊里都含有不同年級、不同專業的學生，便于后期同學之間的相互協作。各個小組的情況如表3所示。

表3 實踐分組情況

如圖4所示，（a）為系統創新思維課程講解，（b）為學生展示設計的三維模型，（c）為學生制作的機器人實物。

圖4 課程相關圖片

（二） 課程調查與分析

虛實結合的創新思維工程教育新模式目的是為了提高學生的創新思維能力和機器人實踐能力。為了評估該工程教育新模式的效果，對所有參加本課程的140名學生進行了匿名問卷調查。

評價一：學生評價課程

學生對課程內容的前瞻性以及教師課堂案例的啟發性進行打分。滿分為10分，分值越高則表示課程內用越具有前沿性以及課堂案例越具有啟發性。

課程內容的前瞻性打分結果如圖5所示，6分以上的人數占總人數的比例為96.43%，整體的平均得分為8.91分，表明學生認為本課程內容具有良好的前瞻性。

圖5 課程內容的前瞻性

教師課堂案例的啟發性打分結果如圖6所示，6分以上的人數占總人數的比例為99.29%，整體的平均得分為8.82分，表明學生認為教師課堂案例具有很強的啟發性。

圖6 教師課堂案例的啟發性

評價二：學生能力自評

學生對機器人實踐過程中自己所提高的技能進行多選，結果如表4所示，47.14%的學生認為自己的CAD三維設計能力得到了提升，其次是29.29%的學生認為自己的Arduino控制和3D打印能力得到了提高。

表4 實踐技能調查

評價三：綜合能力自評

學生對整個課程中的創新思維能力、動手實踐能力以及協作溝通能力等進行了多項選擇。結果如表5所示，92.14%的學生認為自己的創新思維能力得到提高，90.71%的學生認為自己的實踐能力得到提升，表明提出的創新思維工程教育模式能夠激發學生的創新思維，同時提升學生的機器人實踐能力。

表5 綜合能力調查

四 結語

針對以往創新思維工程教育偏重于知識傳授，學生實踐能力培養較弱的問題，本文提出虛實結合的創新思維工程教育新模式，通過開設面向所有專業學生的通識課程，講授系統化創新思維的理論、方法和工具，培養學生的系統設計方法和創新思維；以機器人設計和制作過程為實踐教學對象和內容。

通過問卷調查對課程效果進行評估，結果顯示，92.14%的學生認為自己的創新思維能力得到提高，90.71%的學生認為自己的實踐能力得到提升，表明提出的創新思維工程教育模式能夠激發學生的創新思維，同時提升學生的機器人實踐能力。