創(chuàng)新視角下模塊化機器人工程實踐教學(xué)模式探索

艾偉，席明龍，金俊

（三峽大學(xué) 創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學(xué)院，湖北宜昌 443002）

2017 年，教育部高教司將工程教育新理念作為新工科建設(shè)的重要任務(wù)之一[1]，隨著新工科建設(shè)的推進，高校工程實踐教育迎來新的發(fā)展機遇[2]，創(chuàng)新思維培養(yǎng)成為高校育人工作的重要內(nèi)容。在此背景下，工程教育和創(chuàng)新教育的結(jié)合實現(xiàn)了高校實踐技能培訓(xùn)和創(chuàng)新思維培養(yǎng)的協(xié)同發(fā)展。近年來，三峽大學(xué)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學(xué)院科創(chuàng)基地開設(shè)的工程實踐教學(xué)課程積極轉(zhuǎn)型，逐漸從傳統(tǒng)加工項目向特種加工、智能制造、仿生機器人及虛擬仿真等項目發(fā)展[3]，致力于打造“工創(chuàng)融合”和“思創(chuàng)融合”的一流課程。工程實踐課程為高校實踐教學(xué)的重要載體，高校在創(chuàng)新視角下開展工程實踐課程改革很有必要[4]，工程實踐課程能夠在實踐中有效激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新思維，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，并能夠在實踐中以成果展示衡量創(chuàng)新價值。2022年，三峽大學(xué)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學(xué)院獲批國家級創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學(xué)院。學(xué)院科創(chuàng)基地所開設(shè)的工程實踐課程正在進行大規(guī)模的更新迭代與新項目建設(shè)，機器人作為多專業(yè)融合的實踐課程[5]，在工程實踐綜合能力培養(yǎng)中占據(jù)重要地位，是當(dāng)前三峽大學(xué)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學(xué)院重點支持建設(shè)的“工創(chuàng)融合”課程之一。機器人包含自動控制、智能感知、人機交互、自主定位等多種功能[6]，與當(dāng)前新工科建設(shè)要求有較高的契合度，而模塊化機器人具有伸縮性強、重用性高、可擴展性優(yōu)、應(yīng)用場景廣泛等特點，有利于在該課程實踐技能教學(xué)中鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新能力。

1 創(chuàng)新視域下的工程實踐課程改革方向

1.1 依托課程建立創(chuàng)新生態(tài)系統(tǒng)

三峽大學(xué)開設(shè)的工程訓(xùn)練課程，除了認知類的基礎(chǔ)項目之外，還包括綜合訓(xùn)練、創(chuàng)新訓(xùn)練和素質(zhì)拓展課程，這些課程的改革和建設(shè)大多以創(chuàng)新思維培養(yǎng)為導(dǎo)向，以智能制造平臺為載體。當(dāng)前，三峽大學(xué)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學(xué)院將創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)及“工創(chuàng)融合”一流課程建設(shè)作為重要任務(wù)，全面支持工程實踐課程的“工創(chuàng)融合”“思創(chuàng)融合”，通過課程改革及建設(shè)，結(jié)合學(xué)科競賽和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實踐，致力于建立一套適合三峽大學(xué)的創(chuàng)新生態(tài)系統(tǒng)。通過模塊化機器人課程、創(chuàng)新實踐、創(chuàng)業(yè)計劃、“互聯(lián)網(wǎng) +”大賽等形成完整的實踐學(xué)習(xí)鏈，而課程作為實踐學(xué)習(xí)鏈的源頭，也是創(chuàng)新生態(tài)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，因此，將創(chuàng)新思維融入模塊化機器人實踐課程的改革非常重要。

1.2 創(chuàng)新思維方法的融入

模塊化機器人的課程內(nèi)容除了機器人結(jié)構(gòu)搭建、傳感器數(shù)據(jù)采集、自動控制分析、算法優(yōu)化測試外[7]，還需要將創(chuàng)新思維方法融入課程內(nèi)容，以使工程實踐訓(xùn)練與創(chuàng)新思維培養(yǎng)相互推動。在當(dāng)前的工程實踐課程講授中，教師雖然多次強調(diào)學(xué)生應(yīng)在實踐過程中學(xué)會創(chuàng)新，但是多為引導(dǎo)學(xué)生創(chuàng)新，而沒有對創(chuàng)新方法進行任務(wù)分解，導(dǎo)致學(xué)生難以在工程實踐課程中較好地領(lǐng)悟創(chuàng)新方法。教師需將創(chuàng)新思維融入課程內(nèi)容，使創(chuàng)新思維方法能夠在課程學(xué)習(xí)中得到全方位應(yīng)用，更好地指導(dǎo)學(xué)生在實踐課程中發(fā)散思維、凝練創(chuàng)意、掌握創(chuàng)新方法，真正學(xué)會在實踐過程中挖掘創(chuàng)新點。

1.3 深化多學(xué)科知識融合，拓寬學(xué)生創(chuàng)新視野

機器人涉及電子、機械、控制、計算機及通信等諸多知識[8]，模塊化機器人實踐課程對學(xué)生的知識儲備有較高要求，需要學(xué)生從解決工程實際問題的角度入手，通過團隊合作，掌握知識加工、遷徙與運用方法，提升多專業(yè)融合的實踐技能。學(xué)生對機器人中多學(xué)科知識融合的靈活運用達到一定程度，才能精準挖掘、獲取機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計和控制方法的創(chuàng)新點[9]。在工程實踐教學(xué)改革中，教師要培養(yǎng)學(xué)生掌握扎實的專業(yè)知識，拓寬學(xué)生創(chuàng)新視野，提升創(chuàng)新質(zhì)量。

2 模塊化機器人實踐教學(xué)的優(yōu)勢

2.1 教學(xué)資源的集約型利用

機器人課程的大規(guī)模開展所需設(shè)備資源投入較大，若采購固定功能的機器人，考慮到更新?lián)Q代問題，可能會造成機器人硬件資源的浪費。而模塊化機器人相比于功能固定機器人，最大的優(yōu)點是根據(jù)套件裝配能實現(xiàn)機器人功能的多樣化，從而滿足不同的功能需求。在機器人模型拼裝的過程中，除了使用原有套件外，還可以根據(jù)實際項目需求進行零件自加工，尋找更契合項目需要的零件，這有效增強了機器人教學(xué)的適用性與擴展性。而且相比于整體機器人，模塊化機器人分離程度高，重用性強，即使需要更新迭代，也更容易實現(xiàn)資源的再次利用。

2.2 分層教學(xué)的需要

機器人實踐課程因為多學(xué)科融合程度高，學(xué)生不容易實現(xiàn)對課程知識點的融會貫通[10]，導(dǎo)致學(xué)生出現(xiàn)興趣不高和自信心不足的問題。而模塊化機器人可以實現(xiàn)難度分級，根據(jù)學(xué)生興趣和能力實現(xiàn)分層教學(xué)。采用模塊化機器人，能夠?qū)椖咳蝿?wù)、項目難度進行分解及差異化設(shè)計，學(xué)生根據(jù)自己的專業(yè)能力、專業(yè)需求及興趣等進行機器人模塊選擇和功能定制。這種模塊的差異化選擇不論是從項目難度還是創(chuàng)新程度，都便于實現(xiàn)對學(xué)生的精細化教學(xué)，有效提高了機器人實踐課程的適配性。

2.3 創(chuàng)新思維培養(yǎng)的需要

在模塊化機器人課程中，以解決實際工程或生活問題為出發(fā)點，學(xué)生自主選擇機器人服務(wù)應(yīng)用場景并定義機器人功能。模塊化機器人延展了機器人的設(shè)計性和功能性，為學(xué)生的應(yīng)用創(chuàng)新和設(shè)計創(chuàng)新提供了資源[11-12]，學(xué)生根據(jù)機器人基礎(chǔ)模塊搭建基本功能，采用自加工或者采購方式實現(xiàn)擴展功能，為不同應(yīng)用需求機器人的設(shè)計提供硬件，同時可進行機器人控制算法創(chuàng)新，通過課程中以學(xué)生為主體的功能創(chuàng)新、結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，實現(xiàn)對學(xué)生創(chuàng)新思維的有效培養(yǎng)。

2.4 提升對工程訓(xùn)練體系的認知

三峽大學(xué)工程基礎(chǔ)訓(xùn)練課程內(nèi)容形成了涵蓋加工制造的完整閉環(huán)，設(shè)計—繪圖—制造的環(huán)節(jié)在工程訓(xùn)練課程的各個項目中均有體現(xiàn)，但結(jié)合以往學(xué)生提交的實踐報告及相關(guān)座談會能夠發(fā)現(xiàn)：部分學(xué)生對產(chǎn)品的設(shè)計及工藝流程并不是十分清楚，對多種機械加工方法的實際應(yīng)用場景仍較模糊。因為機器人設(shè)計功能需求的不同，在模塊化組織過程中，學(xué)生需要充分了解機器人的模型結(jié)構(gòu)，了解不同制造方法的作用和優(yōu)勢，根據(jù)項目需求學(xué)習(xí)不同加工工藝及制造方式的特點及具體應(yīng)用場景，有助于提升學(xué)生對三峽大學(xué)工程教學(xué)體系的認知。

3 模塊化機器人實踐教學(xué)的改進方法

根據(jù)創(chuàng)新視角下模塊化機器人實踐教學(xué)的改革方向，為充分發(fā)揮模塊化優(yōu)勢，完成機器人實踐課程的深度改進，本文提出了以下四點改進方法。

3.1 創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)方法的大規(guī)模運用

在模塊化機器人實踐課程中，學(xué)生自主組建學(xué)習(xí)團隊，充分運用創(chuàng)意工具、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)方法等進行創(chuàng)新實踐。將設(shè)計思維理論[13]、TRIZ（發(fā)明問題解決理論）創(chuàng)新方法等用于模塊化機器人的應(yīng)用需求分析、模型設(shè)計優(yōu)化、制造方法分析等，比如借助設(shè)計思維的“機會洞察—需求界定—協(xié)同創(chuàng)意—原型制作—測試總結(jié)”進行創(chuàng)新思維培養(yǎng)，采用TRIZ 方法對模型設(shè)計進行矛盾解決，并對模塊化機器人的材料選擇與加工方法進行優(yōu)劣勢分析。對于創(chuàng)意作品，以創(chuàng)業(yè)視角去優(yōu)化改進，將SWOT（“S”代表優(yōu)勢，“W”代表劣勢，“O”代表機會，“T”代表威脅）分析、精益創(chuàng)業(yè)方法論等引入課程，以產(chǎn)品的標準進行設(shè)計、開發(fā)與測試，不斷迭代作品，充分挖掘作品的創(chuàng)新點。

3.2 教學(xué)方式多樣化

在模塊化機器人實踐課程中，教師應(yīng)將專業(yè)教學(xué)內(nèi)容和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)方法教學(xué)內(nèi)容有機結(jié)合，前者注重學(xué)生對專業(yè)內(nèi)容的理解與專業(yè)技能的訓(xùn)練[14]，后者注重創(chuàng)意的生成。在課程設(shè)計時，兩者采用的教學(xué)方式略有差異：機器人專業(yè)內(nèi)容教學(xué)以項目式和案例式教學(xué)方法為主[7]，以項目和案例為載體，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)機器人常用模塊的使用場景和使用方法；而創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)方法教學(xué)主要采用啟發(fā)式、頭腦風(fēng)暴式、翻轉(zhuǎn)課堂等教學(xué)方式，突出學(xué)生的課堂主體地位，提高學(xué)生的參與度。

3.3 課程評價多元化

模塊化機器人課程的評價不僅關(guān)注學(xué)生的實踐動手能力，更關(guān)注其創(chuàng)新設(shè)計思想和對知識進行加工凝練的能力，原有的僅以實驗作品完成度為主的專業(yè)技能評價模式亟需調(diào)整，在評價時應(yīng)對學(xué)生的創(chuàng)新素養(yǎng)進行重點考量，比如學(xué)生作品的功能需求創(chuàng)新、設(shè)計方案創(chuàng)新、控制方法創(chuàng)新等均應(yīng)納入評價范圍。模塊化機器人實踐包含多個環(huán)節(jié)，應(yīng)對設(shè)計方案、設(shè)計過程、制作等進行過程性評價；除此之外，教師還應(yīng)拓展評價方式，鼓勵、指導(dǎo)學(xué)生作品參與學(xué)科競賽或者創(chuàng)業(yè)競賽，對于實踐成果轉(zhuǎn)化成專利或研究論文的，都應(yīng)給予正向評價激勵。

3.4 依托實驗室建立全域?qū)W習(xí)中心

模塊化機器人的創(chuàng)新設(shè)計需要開放共享的實驗環(huán)境，以完成機器人的需求討論、圖紙設(shè)計、零件加工、模型拼裝、代碼調(diào)試和實戰(zhàn)測試等。三峽大學(xué)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)科創(chuàng)基地建設(shè)了“竹里”致學(xué)中心，配備了基于工程訓(xùn)練大樓的全域?qū)W習(xí)環(huán)境，大部分實驗室全天候開放，對大樓的部分未使用房間和公共區(qū)域也進行了改造，供學(xué)生備賽和科技創(chuàng)新使用，構(gòu)建了多功能育人環(huán)境。

4 結(jié)語

創(chuàng)新視角下的模塊化機器人實踐教學(xué)以學(xué)科融合、“工創(chuàng)融合”為主線，建立適合工程實踐教育的創(chuàng)新生態(tài)系統(tǒng)，依托三峽大學(xué)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育學(xué)院的科創(chuàng)基地全域?qū)W習(xí)中心平臺，充分發(fā)揮創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育優(yōu)勢，大力推行基于工程實踐教育的創(chuàng)新能力培養(yǎng)方案，這既是新時代對三峽大學(xué)工程實踐教學(xué)體系的優(yōu)化和重塑，也是三峽大學(xué)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育發(fā)展新的助力點。