以機器人為載體的大學生科技創新能力協同培養

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為載體，運用CDIO工程教育理念，通過加強教學改革和創新實驗項目、開展CDIO項目式課外科技訓練活動、學生參加教師指導團隊科研項目、校企合作共建應用研究平臺等多種形式，多途徑開展協同培養實踐，大學生的科技創新能力得到很大提高，取得顯著成效。

關鍵詞 機器人；CDIO；科技創新能力；校企合作

中圖分類號：G642 文獻標識碼：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

創新是民族進步的靈魂。大學生科技創新能力訓練是目前我國高校培養大學生創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為載體，采用CDIO工程教育理念，通過多環節、多渠道，成功實施大學生科技創新能力的協同培養實踐。

2 機器人是大學生科技創新訓練的重要載體

機器人是集機械結構、電子技術、計算機軟件、自動控制和通信技術等多學科知識和新技術于一體的典型機電一體化系統，形式多樣、應用廣泛。而對于以應用型技術人才培養為核心任務的應用型大學，其大學生普遍具有思維活躍、喜愛應用實踐和動手制作的特點。同時由于機器人自身構造和功能的無限可能性，大學生對機器人充滿好奇和喜愛，也都十分渴望擁有自己設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、計算機等各學科和專業大學生開展科技創新實踐訓練的重要載體[1]。

本課題運用由MIT倡導的CDIO工程教育理念，將機器人的理論知識、設計制作和創新構想等眾多環節，通過注重實效“以學生為主體”的理論和實驗課程教學改革、“教師—科協—學生”合作的大學生課外科技訓練實踐、學生參與教師科研項目、校企合作共建研究服務平臺為工業企業提供應用支持等多渠道來實施協同育人，更好地引導大學生開展廣泛而持續性的機器人構思、設計和制作活動，提高廣大學生學習興趣，增強學習動力和信心，助推相關各專業的建設與發展，其目的在于培養出一大批理論扎實、應用實踐能力強、擁有創新精神和能力的應用型人才，增強辦學特色。

3 基于CDIO理念開展大學生科技創新能力協同培養的實踐途徑

CDIO（Conceive-Design-Implement-Operation，即構思—設計—實現—運行）國際工程教育理念由麻省理工學院（MIT）和瑞典皇家理工學院等共同發起和倡導，并認為：應為學生提供基于產品開發全周期的重視工程基礎的工程教育環境。學生應該在學校、工業和社會環境下，按照一個產品或系統從基本構想、設計、研制實現直到實際運行的完整開發過程這種情境，學會解決問題，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為載體，將CDIO工程教育理念進一步拓寬，運用到大學生科技創新能力的協同育人實踐，構成多環節、多渠道的訓練和培養途徑。

日常教學注重教學改革，開展CDIO項目式創新實驗 在平常的理論和實踐課堂教學中，教師堅持“以學生為主體”的原則，重視啟發式教學、交互式教學、案例教學法、合作學習、項目教學法等教學方法的運用。例如：通過機械設計、工業機器人、機電一體化系統、液壓與氣動技術、材料成型等課程的課程設計或實驗，強化大學生良好的機械設計和制作能力；通過電子技術、傳感器、單片機、計算機控制技術等一系列課程的教學改革實踐，奠定大學生良好的電路設計和軟件編程能力。提高課程實踐教學比重，而且更重視實踐的內容，通過機電一體化綜合實踐、自動化制造系統實踐、自動化專業綜合實踐等，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計，由學生組成項目開發小組，學生因此塑造了基本、穩固而系統性的機器人設計開發思想。

實驗實訓環節是促進大學生理解和消化吸收理論知識、提高動手實踐和應用能力的關鍵環節。就機電類專業而言，除擁有一系列的基礎和專業實驗室外，還設置了機電綜合創新實訓室、柔性制造自動化控制生產線實訓室、慧魚機電一體化創新實訓室、機器人綜合創新設計實訓室等綜合創新實訓空間，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備。豐富的機器人相關實驗設備和開放的實驗實訓管理機制，為大學生開展創新實驗提供了條件。

結合CDIO項目式訓練理念，實驗實訓的課內環節鼓勵學生自己構思實驗實訓課題、設計課題內容、引導開展綜合性實驗項目，課外環節則大力鼓勵學生主動發掘社會生活中的實際需求、構思和設計綜合創新性應用實踐項目并加以實現，從而很好地激發學生的主動性和創新思維，這已成為訓練大學生科技創新能力的基礎環節[3]。

基于CDIO理念、以機器人為載體的大學生課外科技訓練 機器人課外科技競賽項目通過吸引機械、自動化、電信、計算機學院等相關學科各專業學生開展協作性的設計和制作，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科競賽，在激烈的比賽過程中發現不足并及時調整，爭取最好的表現。在機器人設計、制作和競賽過程中，學生既能充分利用已學理論知識并轉化應用到實際的機器人作品設計和制作中，又會遇到各種未學過的知識和技術需要學習和鉆研，而遇到各種困難時則需要發現問題、查找問題的根本原因并努力設法解決。由于機器人的技術綜合性，整個過程通常由多人組成的不同功能設計小組合作完成，需要學生間和小組間的互相合作和良好的溝通交流。

因而，機器人作品從構思、設計和制作、調試完成到實際參賽時的作品運行或對抗性比賽的完整過程，完全契合目前CDIO“產品開發全生命周期”的工程教育理念。既可以鍛煉大學生將理論知識轉化為具體應用設計和實踐制作的能力，提高發現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，結交不同學科和愛好的朋友，更全面地認識和理解機器人[4]。

日常教學不僅注重培養大學生良好的理論和實踐基礎，而且在教學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備的設計思想。與此同時，以大學生參加機器人科技競賽的作品作為課堂講解的典型設計案例，較好地豐富了課堂的教學內容，促使更多的學生在搞好平時學習的基礎上，更渴望參加到課外的機器人設計和制作實踐活動中來。目前在機器人學科競賽項目指導教師團隊的指導下，自動化科技協會每年招新人數屢創新高，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、通信等工科專業，甚至經管、人文、管理等文管類專業的學生也積極參加。

實踐證明，通過機器人的課內外科技實踐活動，已經培養了一大批理論基礎好、實踐應用能力強、工程素養良好、富有創新能力的應用型大學生，并逐漸達到“基礎廣泛、大量培訓、選優參賽、以賽促學、以賽促教、以研帶賽、教學研賽共贏”的良性循環。

帶領學生參加教師團隊科研項目訓練，提升科技創新能力 機器人指導教師團隊目前由學校多個不同專業的教師團隊專項負責，以機器人相關各類科技競賽項目作品的指導訓練為基礎，引導學生參加教師科研項目訓練，如管線巡檢機器人研制、消防救援機器人研制、智能輪椅服務機器人研制、注塑機械手控制系統開發、六軸工業機器人控制系統開發等，加強對學生的科技文獻查閱能力、方案構思與知識綜合運用能力、問題解決能力、團隊協作和合作能力的指導和培養，并突出創新能力、實踐應用能力的培養和學生的個性化發展，很好地提高了學生的專業技能和鉆研深度，拓寬了學生的科研視野，增強了學生的科研態度和職業道德精神。這正符合CDIO培養能力大綱中關于個人專業能力和職業素養、團隊合作與交流能力的要求。

實踐證明，由來自多個學科、不同專業方向的教師作為機器人團隊指導教師，可以顯著提高大學生的科技訓練指導水平。多學科不同專業的指導教師團隊也可以吸引更多不同專業的學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、學生之間的互相交流和技術提高，不斷提高機器人的整體設計水平，更有利于通過不同視角的思想交叉碰撞而激發和形成新的創新思維。

由于機器人技術的交叉性和迅速發展，跨學科不同專業的機器人教師團隊指導學生開展科研項目訓練，已成為培養優秀大學生科技創新能力的重要途徑。

校企合作共建機器人研究和服務平臺，協同培養應用型人才 重視校企合作，建設深入合作的大學生實踐基地，在通常的參觀實習活動時，安排學生開展頂崗實習鍛煉，甚至為企業的生產制造過程、產品開發與設計提出合理化建議和可行的設計方案，為學生實踐能力的提高做好實踐環境保障，成為大學生科技創新能力訓練的又一重要渠道。由于大學生在機器人普及教育階段時已經打下良好基礎，在機器人科技競賽方面取得優異成績，在科研訓練上展現出良好的應用能力和創新能力，從事自動化生產技術和機器人應用推廣的某知名企業主動與學校開展合作建設中山市工業機器人技術應用推廣服務中心；并共同建設校級機器人技術應用和機電研究平臺，進一步推動學校的機器人技術教育和應用服務。這為大學生開展CDIO體系中社會環境下的科研訓練提供了新途徑。

借助機器人技術研究平臺和應用服務中心的設備和資源，更多大學生參與工業機器人項目開發，直接為機器人在工業企業的應用提供技術支持服務，有力助推了校企合作共同培養高素質的應用型技術人才。而該合作項目目前已成為創新強校質量工程項目，正有力地推動機器人相關學科和專業的建設和發展，增強大學生科技創新能力的訓練，提高應用型人才的培養質量。

4 結語

多年來，以機器人這一涉及多學科不同專業知識和技能的典型產品為載體，運用國際先進的CDIO工程教育理念，通過日常教學改革與創新實驗實訓環節、大學生課外科技競賽訓練、參加教師科研項目訓練、校企合作平臺共同培養鍛煉等多環節、多途徑，開展大學生科技創新能力的協同培養實踐，取得良好的成效。

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

[1]張云洲，吳成東，崔建江，等.基于機器人競賽的大學生創新素質培養與實踐[J].電氣電子教學學報，2007，29（1）：

116-119.

[2]顧學雍.聯結理論與實踐的CDIO：清華大學創新性工程教育的探索[J].高等工程教育研究，2009（1）：11-23.

[3]劉保軍，劉躍華.CDIO模式下的傳感檢測技術教改實踐[J].中國教育技術裝備，2011（6）：48-51.

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