機器人工程專業“CDIOKSQA型”實踐教學體系的實證分析研究

桂偉 聶晶晶 周浩

摘要：本文主要從初級認知、中級提升及高級強化等三個階段探究實施了機器人工程專業“CDIOKSQA型”雙主線項目層進式實踐教學體系。構建了三級項目化教學，一級項目以建設機器人工作站為主線，貫穿整個教育階段，二級項目基于實踐教學課程群，三級項目基于課程理論實踐教學。項目主線式一體化教學，打破了知識邊界，有效促進機器人工程專業各模塊知識連續性的學習，助推機器人專業學生實踐能力的培養。

關鍵詞：雙主線項目層進式；項目主線式；CDIOKSQA

1緒論

機器人工程專業雙主線項目層進式實踐教學，基于CDIO理念，遵循實踐教學“從工程中來，到工程中去”，以項目為主線，以學生為中心，以實踐為主導，貫徹全過程、全方位“教學做”項目化實踐教學的思路，著力解決傳統實踐教學與理論教學未能有效融合、實踐教學模塊連續性弱、實驗教學知識碎片化、學生抽象理論難以聯系工程實踐、對系統缺乏整體性認識、缺乏創新實踐意識、實驗參與的自主性與積極性不高等實踐教學問題。

由于機器人是一個復雜系統，涉及的課程知識繁雜，例如，機械設計、夾具設計、機器視覺、路徑規劃、自動控制和嵌入式系統等。只有通過機器人應用案例作為課程內容引導，串聯課程知識點，把整個機器人系統進行拆解，結合每門課程內容進行重點講解，學生才可以更加透徹理解機器人這個大系統。

2“CDIOKSQA型”實踐教學體系實施過程

機器人工程專業雙主線項目層進式實踐教學體系由三個階段、五個層級的實踐課程群進行組成，每個階段每個層級課程群的教學內容以“項目引導、學科交叉、夯實基礎”為原則，基于“產、學、研、創”的思路，將機器人產品設計項目、教師科研成果有機融入實踐教學中，使實踐教學貼近機器人項目研發實際需求，引導學生探究，啟發學生思考，讓學生通過全方位實踐訓練實現做中學、學中做，循環推進。

機器人教研團隊對機器人實踐教學體系進行不斷的優化設計，并進行了初步實施教學。

2.1初級認知階段實踐教學實施

工業機器人初級階段主要開展學生基本技能、基本理論的訓練，主要包括工業機器人基本技能實踐層和工業機器人基本理論實踐層兩個實踐教學層。

其中由“專業認知實習”“制圖實踐”“工程實訓”“電子工藝實訓”及“電路分析”等基礎課程實驗構成的工業機器人基本技能實踐課程群，主要培養學生的工程認知能力，幫助學生理解和鞏固相應的工程基礎知識，初步掌握工程基本技能。

“專業認知實習”教學以機器人產學研中心校企合作項目弧焊機器人工作站、柔性打磨機器人工作站、視覺抓取歸類轉運機器人工作站、裝配機器人工作站、搬運碼垛機器人工作站、柔性生產流水線及導覽引導智能機器人為對象，給學生演示機器人運動、操控、視覺以及軌跡規劃，讓學生具有學習興趣的同時也產生疑惑，例如，機器人控制的本質是什么？機器人數學模型是怎么樣？學生帶著問題去學習后續課程，可有效提高上課質量與學習效果。

“工程實訓”以ABB桌面搬運碼垛機器人工作站、安川書法桌面機器人工作站為訓練平臺及智能娛樂跳舞機器人進行學生組裝、搭建和調試能力訓練，目標是培養學生安裝調試工業機器人及智能機器人能力。

“制圖實踐”以搬運碼垛機器人工作站的夾具零件為測繪畫圖載體，開展機器人夾具零部件測繪工作，并在CAXA軟件中繪制夾具零件圖，使學生既掌握CAXA繪圖的基本技能，又初步了解機器人末端夾具結構及功用。

“電子工藝實訓”以模塊化智能循跡機器人為對象，進行電子元器件的識別、電路板的焊接使用基本技能訓練，使學生既掌握電子元器件焊接技能，又通過循跡機器人的運動，初步認識智能機器人的設計。

2.2中級提升階段實踐教學實施

由“機械設計基礎課程設計”“機器人編程實訓”“機械設計基礎”課內實驗及“機器人工裝設計實驗”等獨立實驗課構成的工業機器人工作站機械設計實踐課程群，主要培養學生具備利用機械設計常用軟件開展機器人工作站機械本體結構設計、工裝夾具等非標零部件設計的工程設計，以及機器人工作站運動仿真能力。

“機械設計基礎課程設計”改變傳統的一級圓柱齒輪減速器設計內容，以機器人產學研中安川六自由度搬運碼垛機器人的減速機為設計對象，讓同學們根據說明書拆解六自由度工業機器人，了解工業機器人的基本組成后提出工業機器人為什么要這樣設計，減速機如何設計選型，以及為什么要用這么大螺釘等問題，以此引出機器人機械設計基礎課程設計的課程目標和課程內容，開展六自由度機器人減速機的結構設計。通過機器人減速機設計，既夯實了學生機械設計課程的相關理論相關知識，又提高了學生對于工業機器人核心零部件減速機的結構及功用的掌握。以智能娛樂機器人為設計對象，利用機械設計基本原理與方法，開展娛樂機器人結構優化設計。

“機器人編程實訓”借助產學研中心虛擬仿真實驗室和搬運碼垛機器人工作站項目，開展虛實結合、理實一體的項目化教學。學生在虛擬仿真實驗室，先基于RobotStudio仿真軟件，分組開展搬運小型紙類包裝盒等物體的機器人工作站項目的虛擬仿真系統搭建工作，然后利用產學研中心搬運碼垛機器人工作站對虛擬仿真搭建的工作站進行運動規劃路徑實踐驗證，通過虛實結合的項目化實踐教學，培養學生機器人工作站虛擬仿真設計能力，為后續開展機器人綜合設計應用實踐項目訓練及畢業設計奠定良好基礎。

“電氣控制課程設計”以驅動六自由度搬運碼垛工業機器人作為實踐任務對象，基于西門子1200PLC開展機器人工作站電氣控制系統設計，通過課程設計學生掌握機器人工作站電氣系統設計原理，應用博圖軟件進行編程仿真、分析和調試仿真結果。掌握使用直流電機、步進電機、伺服電機及特種電機驅動六自由度工業機器人的方法，以及如何根據機器人需求選擇合適的電機，為后續開展智能制造綜合設計夯實基礎。

“單片機技術課程設計”以機器人應用技術實驗室的AGV智能搬運機器人為對象，基于STM32單片機開展智能搬運機器人的目標定位、手臂路徑與運動規劃及移動平臺避障軟件設計。通過本課程設計，學生掌握基于單片機控制智能機器人運動的設計思路，為后續開展智能機器人綜合設計夯實基礎。

工業機器人中級階段實踐教學利用智能機器人實踐項目，通過課程設計、綜合實訓課程及獨立實驗課，指導學生學習使用機器人基本硬件設備，包括電機、單片機及傳感器等，掌握控制原理和方法，培養具備利用嵌入式處理器，實現對機器人的傳感系統、控制電路、電源管理系統及通信接口電路等硬件系統設計與測試能力。

2.3高級強化階段實踐教學實施

由“生產實習”“畢業實習”“智能制造綜合課程設計”“畢業設計”“計算機輔助設計”獨立實踐課及“MES系統實驗”等獨立實驗課組成的工業機器人綜合設計應用實踐層主要培養具有智能裝備及典型行業自動化生產線的集成設計、技術改造及運行管理的工程應用能力。

高級強化階段是在完成初級認知、中級提升階段學習之后，按照學生工業機器人發展方向和崗位能力需求，強化實踐動手能力，加深對智能制造行業中工業機器人系統集成應用的理解，并嘗試比較復雜的工業機器人工作站系統集成設計。

機器人工程專業的工業機器人方向的“智能制造綜合課程設計”是對本專業方向實踐技能的綜合訓練，基于初級認知階段“專業認知實習”的搬運碼垛機器人工作站的認知實訓，“工程實訓”的搬運碼垛機器人工作站的組裝實訓及中級提升階段“機械設計基礎”的搬運碼垛機器人的結構設計訓練，“機器人編程實訓”的搬運碼垛機器人工作站的仿真設計實訓，以及“電氣控制課程設計”的搬運碼垛機器人的電氣設計實訓進行工業機器人工作站系統集成應用綜合設計。該綜合課程設計按照設計任務，5人一組設計一個工業機器人工作站，分上、下兩段在線上線下混合式教學微課堂平臺中進行。

微課堂實踐教學上階段以創新思維培養為主，主要開展機器人機械機構設計，下階段以培養學生解決工程問題能力為主，綜合電氣控制、機器視覺及運動規劃等技術完成工業機器人工作站系統集成設計項目。

機器人工程專業的智能機器人方向的“智能機器人控制綜合課程設計”是對本專業方向實踐技能的綜合訓練，基于初級認知階段“專業認知實習”的導覽引導智能機器人的認知實訓、“工程實訓”的智能娛樂跳舞機器人的組裝實訓，以及“電子工藝實訓”的智能循跡機器人、中級提升階段“機械設計基礎”的智能娛樂機器人的結構設計訓練、“單片機技術課程設計”的AGV智能搬運碼垛機器人的軟件設計實訓進行的智能機器人綜合課程設計。該綜合課程設計按照設計任務，5人一組設計一個智能機器人，分上下兩段在線上線下混合式教學微課堂平臺中進行。上階段以創新思維培養為主，開展機器人結構的創意設計，下階段以培養學生解決工程問題能力為主，綜合智能控制、機器視覺、導航與運動規劃等技術完成中高級智能機器人的應用設計項目。

3“CDIOKSQA型”實踐教學體系實施效果

機器人工程專業人才培養經歷了“211”（2017—2018級）階段、“211+N”雛形（2019—2020級）和“211+N”（2021級以后）三個階段，本文對“211+N”人才培養中的“CDIOKSQA型”實踐教學體系實施效果開展了調研，從多方面掌握機器人工程專業在實施“CDIOKSQA型”實踐教學體系后，學生實踐動手能力及綜合素質培養的效果。

3.1集中實踐教學對職業發展效果

針對“機器人工程專業‘211+N’培養中，哪些集中實踐教學環節對自己職業發展最有利”的調查中，58.54%調查學生認為“智能機器人控制綜合課程設計”最有利于自己的職業發展，“單片機技術課程設計”排序第二，“智能制造綜合課程設計”排序第三，“電子工藝實訓”排序最后，如下圖所示。

以上數據說明機器人工程專業的兩大綜合性課程設計實踐教學對學生的職業發展能力培養效果最好，學生對于智能機器人方向的綜合性實踐教學興趣最大，期望最高，機器人工程專業后續要根據學生的職業發展需求，加強對智能機器人方向硬件及軟件建設投入。對于學生反饋的“電子工藝實訓”對職業發展最為不好的情況，要剖析本課程教學反饋不好的原因，制訂課程教學改革方案，促進課程改革向有利于學生職業發展的方向進行。

3.2“CDIOKSQA型”實踐教學體系對綜合能力培養效果

針對“機器人工程專業‘211+N’培養中，‘CDIOKSQA型’雙主線項目層進式實踐教學體系對自己哪些方面能力培養最大”的調查中，24.93%的被調查學生認為對自己的創新實踐能力培養作用最大，排在后面的依次是專業基礎能力、工程應用能力和職業發展能力。從對學生能力培養的作用程度分析看，雙主線項目層進式實踐教學體系實現了對學生能力培養的目標要求，特別是實現了對學生創新能力和實踐能力培養。只有1.68%的被調查學生認為對于項目管理能力作用最大，排在所有能力作用的最后，說明機器人專業后面還需加強學生項目管理能力的培養，以滿足機器人系統集成應用管理崗位能力需求。

結語

機器人工程專業借鑒CDIO工程教育理念，構建的理論及實踐課程教學體系，按照一體化課程設計，實施項目化教學。以一級項目建設工業機器人工作站、智能機器人設計項目為主線，貫穿于整個本科教育階段，通過項目設計將整個課程體系教學有機、系統地結合起來。二級項目是基于理論教學課程群和實踐教學課程群，每個課程群都設有一個綜合性設計項目。三級項目是基于每門課程的理論實踐教學。項目主線式一體化教學，打破了知識的邊界，有效促進機器人專業各模塊知識連續性的學習，助推機器人專業學生基礎能力、工程能力、創新能力及職業職業能力的培養。

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基金項目：1.2018教育部首批“新工科”研究與實踐項目“機器人工程專業一主雙站式工程實踐育人體系構建與實踐”（項目序號：18）;2.武漢市市屬高校教學研究項目“校企深度融合機制下機器人工程專業實踐教學平臺構建研究”（項目編號：2019015）;3.教育部產學合作協同育人項目“工科專業《工程實訓》線上線下混合式教學體系構建研究”（項目編號：202102292025）

作者簡介：桂偉（1980—），男，漢族，湖北黃岡人，碩士研究生，副教授，研究方向：機器人結構優化設計、系統集成技術等。