以机器人为载体的大学生科技创新能力协同培养

刘保军+周艳明+彭芳+王凡+倪利勇

摘 要 以机器人这一典型机电一体化系统为载体，运用CDIO工程教育理念，通过加强教学改革和创新实验项目、开展CDIO项目式课外科技训练活动、学生参加教师指导团队科研项目、校企合作共建应用研究平台等多种形式，多途径开展协同培养实践，大学生的科技创新能力得到很大提高，取得显著成效。

关键词 机器人；CDIO；科技创新能力；校企合作

中图分类号：G642 文献标识码：B

文章编号：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

创新是民族进步的灵魂。大学生科技创新能力训练是目前我国高校培养大学生创新精神的重要研究课题。本课题以机器人这一典型的机电一体化系统为载体，采用CDIO工程教育理念，通过多环节、多渠道，成功实施大学生科技创新能力的协同培养实践。

2 机器人是大学生科技创新训练的重要载体

机器人是集机械结构、电子技术、计算机软件、自动控制和通信技术等多学科知识和新技术于一体的典型机电一体化系统，形式多样、应用广泛。而对于以应用型技术人才培养为核心任务的应用型大学，其大学生普遍具有思维活跃、喜爱应用实践和动手制作的特点。同时由于机器人自身构造和功能的无限可能性，大学生对机器人充满好奇和喜爱，也都十分渴望拥有自己设计和亲手制作的各类机器人作品。机器人目前已成为机械、自动化、电子、通信、计算机等各学科和专业大学生开展科技创新实践训练的重要载体[1]。

本课题运用由MIT倡导的CDIO工程教育理念，将机器人的理论知识、设计制作和创新构想等众多环节，通过注重实效“以学生为主体”的理论和实验课程教学改革、“教师—科协—学生”合作的大学生课外科技训练实践、学生参与教师科研项目、校企合作共建研究服务平台为工业企业提供应用支持等多渠道来实施协同育人，更好地引导大学生开展广泛而持续性的机器人构思、设计和制作活动，提高广大学生学习兴趣，增强学习动力和信心，助推相关各专业的建设与发展，其目的在于培养出一大批理论扎实、应用实践能力强、拥有创新精神和能力的应用型人才，增强办学特色。

3 基于CDIO理念开展大学生科技创新能力协同培养的实践途径

CDIO（Conceive-Design-Implement-Operation，即构思—设计—实现—运行）国际工程教育理念由麻省理工学院（MIT）和瑞典皇家理工学院等共同发起和倡导，并认为：应为学生提供基于产品开发全周期的重视工程基础的工程教育环境。学生应该在学校、工业和社会环境下，按照一个产品或系统从基本构想、设计、研制实现直到实际运行的完整开发过程这种情境，学会解决问题，并完成特定的工程或项目[2]。

以机器人这一典型机电一体化系统为载体，将CDIO工程教育理念进一步拓宽，运用到大学生科技创新能力的协同育人实践，构成多环节、多渠道的训练和培养途径。

日常教学注重教学改革，开展CDIO项目式创新实验 在平常的理论和实践课堂教学中，教师坚持“以学生为主体”的原则，重视启发式教学、交互式教学、案例教学法、合作学习、项目教学法等教学方法的运用。例如：通过机械设计、工业机器人、机电一体化系统、液压与气动技术、材料成型等课程的课程设计或实验，强化大学生良好的机械设计和制作能力；通过电子技术、传感器、单片机、计算机控制技术等一系列课程的教学改革实践，奠定大学生良好的电路设计和软件编程能力。提高课程实践教学比重，而且更重视实践的内容，通过机电一体化综合实践、自动化制造系统实践、自动化专业综合实践等，以自动巡线机器人、分拣机器人、搬运机器人、表情機器人、篮球机器人等综合性课题设计，由学生组成项目开发小组，学生因此塑造了基本、稳固而系统性的机器人设计开发思想。

实验实训环节是促进大学生理解和消化吸收理论知识、提高动手实践和应用能力的关键环节。就机电类专业而言，除拥有一系列的基础和专业实验室外，还设置了机电综合创新实训室、柔性制造自动化控制生产线实训室、慧鱼机电一体化创新实训室、机器人综合创新设计实训室等综合创新实训空间，同时添置如工程机器人、水中机器人、空中机器人等各类新型机器人设备。丰富的机器人相关实验设备和开放的实验实训管理机制，为大学生开展创新实验提供了条件。

结合CDIO项目式训练理念，实验实训的课内环节鼓励学生自己构思实验实训课题、设计课题内容、引导开展综合性实验项目，课外环节则大力鼓励学生主动发掘社会生活中的实际需求、构思和设计综合创新性应用实践项目并加以实现，从而很好地激发学生的主动性和创新思维，这已成为训练大学生科技创新能力的基础环节[3]。

基于CDIO理念、以机器人为载体的大学生课外科技训练 机器人课外科技竞赛项目通过吸引机械、自动化、电信、计算机学院等相关学科各专业学生开展协作性的设计和制作，并不断改进和完善，形成功能较为完善的机器人科技作品。通过参加各类机器人学科竞赛，在激烈的比赛过程中发现不足并及时调整，争取最好的表现。在机器人设计、制作和竞赛过程中，学生既能充分利用已学理论知识并转化应用到实际的机器人作品设计和制作中，又会遇到各种未学过的知识和技术需要学习和钻研，而遇到各种困难时则需要发现问题、查找问题的根本原因并努力设法解决。由于机器人的技术综合性，整个过程通常由多人组成的不同功能设计小组合作完成，需要学生间和小组间的互相合作和良好的沟通交流。

因而，机器人作品从构思、设计和制作、调试完成到实际参赛时的作品运行或对抗性比赛的完整过程，完全契合目前CDIO“产品开发全生命周期”的工程教育理念。既可以锻炼大学生将理论知识转化为具体应用设计和实践制作的能力，提高发现问题和解决问题的能力，也可以很好地锻炼其团队合作和沟通交流能力，并能通过参加整个过程拓宽视野，结交不同学科和爱好的朋友，更全面地认识和理解机器人[4]。

日常教学不仅注重培养大学生良好的理论和实践基础，而且在教学中渗透各种以机器人为典型载体的各类机电一体化自动化设备的设计思想。与此同时，以大学生参加机器人科技竞赛的作品作为课堂讲解的典型设计案例，较好地丰富了课堂的教学内容，促使更多的学生在搞好平时学习的基础上，更渴望参加到课外的机器人设计和制作实践活动中来。目前在机器人学科竞赛项目指导教师团队的指导下，自动化科技协会每年招新人数屡创新高，吸引力不断增强，成员不仅来自机电、自动化、计算机、电子技术、通信等工科专业，甚至经管、人文、管理等文管类专业的学生也积极参加。

实践证明，通过机器人的课内外科技实践活动，已经培养了一大批理论基础好、实践应用能力强、工程素养良好、富有创新能力的应用型大学生，并逐渐达到“基础广泛、大量培训、选优参赛、以赛促学、以赛促教、以研带赛、教学研赛共赢”的良性循环。

带领学生参加教师团队科研项目训练，提升科技创新能力 机器人指导教师团队目前由学校多个不同专业的教师团队专项负责，以机器人相关各类科技竞赛项目作品的指导训练为基础，引导学生参加教师科研项目训练，如管线巡检机器人研制、消防救援机器人研制、智能轮椅服务机器人研制、注塑机械手控制系统开发、六轴工业机器人控制系统开发等，加强对学生的科技文献查阅能力、方案构思与知识综合运用能力、问题解决能力、团队协作和合作能力的指导和培养，并突出创新能力、实践应用能力的培养和学生的个性化发展，很好地提高了学生的专业技能和钻研深度，拓宽了学生的科研视野，增强了学生的科研态度和职业道德精神。这正符合CDIO培养能力大纲中关于个人专业能力和职业素养、团队合作与交流能力的要求。

实践证明，由来自多个学科、不同专业方向的教师作为机器人团队指导教师，可以显著提高大学生的科技训练指导水平。多学科不同专业的指导教师团队也可以吸引更多不同专业的学生参加到机器人的科技实践活动和教师的科研项目中，有利于师生之间、学生之间的互相交流和技术提高，不断提高机器人的整体设计水平，更有利于通过不同视角的思想交叉碰撞而激发和形成新的创新思维。

由于机器人技术的交叉性和迅速发展，跨学科不同专业的机器人教师团队指导学生开展科研项目训练，已成为培养优秀大学生科技创新能力的重要途径。

校企合作共建机器人研究和服务平台，协同培养应用型人才 重视校企合作，建设深入合作的大学生实践基地，在通常的参观实习活动时，安排学生开展顶岗实习锻炼，甚至为企业的生产制造过程、产品开发与设计提出合理化建议和可行的设计方案，为学生实践能力的提高做好实践环境保障，成为大学生科技创新能力训练的又一重要渠道。由于大学生在机器人普及教育阶段时已经打下良好基础，在机器人科技竞赛方面取得优异成绩，在科研训练上展现出良好的应用能力和创新能力，从事自动化生产技术和机器人应用推广的某知名企业主动与学校开展合作建设中山市工业机器人技术应用推广服务中心；并共同建设校级机器人技术应用和机电研究平台，进一步推动学校的机器人技术教育和应用服务。这为大学生开展CDIO体系中社会环境下的科研训练提供了新途径。

借助机器人技术研究平台和应用服务中心的设备和资源，更多大学生参与工业机器人项目开发，直接为机器人在工业企业的应用提供技术支持服务，有力助推了校企合作共同培养高素质的应用型技术人才。而该合作项目目前已成为创新强校质量工程项目，正有力地推动机器人相关学科和专业的建设和发展，增强大学生科技创新能力的训练，提高应用型人才的培养质量。

4 结语

多年来，以机器人这一涉及多学科不同专业知识和技能的典型产品为载体，运用国际先进的CDIO工程教育理念，通过日常教学改革与创新实验实训环节、大学生课外科技竞赛训练、参加教师科研项目训练、校企合作平台共同培养锻炼等多环节、多途径，开展大学生科技创新能力的协同培养实践，取得良好的成效。

在科技训练实践过程中，逐步探索形成一套行之有效的“基础工程、专项强化、综合训练、自主创新”四阶段、阶梯式的大学生科技创新能力训练体系，对大学生的科技创新能力培养起到良好的保障和推动作用。大学生在校期间以机器人为主要设计和研究载体，获得众多全国性学生科技竞赛一等奖，开展国家和省级大学生创新创业项目，毕业后进入国际知名企业和大型高新技术企业从事相关关键技术开发岗位，在机器人行业成功创业并获得省创新创业资金扶持等，正是本课题成果的有力佐证。参考文獻

[1]张云洲，吴成东，崔建江，等.基于机器人竞赛的大学生创新素质培养与实践[J].电气电子教学学报，2007，29（1）：

116-119.

[2]顾学雍.联结理论与实践的CDIO：清华大学创新性工程教育的探索[J].高等工程教育研究，2009（1）：11-23.

[3]刘保军，刘跃华.CDIO模式下的传感检测技术教改实践[J].中国教育技术装备，2011（6）：48-51.

[4]刘保军，彭芳，黎萍，等.科技竞赛和CDIO模式大学生创新能力培养实践[J].中国教育技术装备，2012（6）：53-54.