创新视角下模块化机器人工程实践教学模式探索

艾伟，席明龙，金俊

（三峡大学 创新创业学院，湖北宜昌 443002）

2017 年，教育部高教司将工程教育新理念作为新工科建设的重要任务之一[1]，随着新工科建设的推进，高校工程实践教育迎来新的发展机遇[2]，创新思维培养成为高校育人工作的重要内容。在此背景下，工程教育和创新教育的结合实现了高校实践技能培训和创新思维培养的协同发展。近年来，三峡大学创新创业学院科创基地开设的工程实践教学课程积极转型，逐渐从传统加工项目向特种加工、智能制造、仿生机器人及虚拟仿真等项目发展[3]，致力于打造“工创融合”和“思创融合”的一流课程。工程实践课程为高校实践教学的重要载体，高校在创新视角下开展工程实践课程改革很有必要[4]，工程实践课程能够在实践中有效激发学生创新思维，培养学生的创新能力，并能够在实践中以成果展示衡量创新价值。2022年，三峡大学创新创业学院获批国家级创新创业学院。学院科创基地所开设的工程实践课程正在进行大规模的更新迭代与新项目建设，机器人作为多专业融合的实践课程[5]，在工程实践综合能力培养中占据重要地位，是当前三峡大学创新创业学院重点支持建设的“工创融合”课程之一。机器人包含自动控制、智能感知、人机交互、自主定位等多种功能[6]，与当前新工科建设要求有较高的契合度，而模块化机器人具有伸缩性强、重用性高、可扩展性优、应用场景广泛等特点，有利于在该课程实践技能教学中锻炼学生的创新能力。

1 创新视域下的工程实践课程改革方向

1.1 依托课程建立创新生态系统

三峡大学开设的工程训练课程，除了认知类的基础项目之外，还包括综合训练、创新训练和素质拓展课程，这些课程的改革和建设大多以创新思维培养为导向，以智能制造平台为载体。当前，三峡大学创新创业学院将创新创业及“工创融合”一流课程建设作为重要任务，全面支持工程实践课程的“工创融合”“思创融合”，通过课程改革及建设，结合学科竞赛和创新创业实践，致力于建立一套适合三峡大学的创新生态系统。通过模块化机器人课程、创新实践、创业计划、“互联网 +”大赛等形成完整的实践学习链，而课程作为实践学习链的源头，也是创新生态系统的基础，因此，将创新思维融入模块化机器人实践课程的改革非常重要。

1.2 创新思维方法的融入

模块化机器人的课程内容除了机器人结构搭建、传感器数据采集、自动控制分析、算法优化测试外[7]，还需要将创新思维方法融入课程内容，以使工程实践训练与创新思维培养相互推动。在当前的工程实践课程讲授中，教师虽然多次强调学生应在实践过程中学会创新，但是多为引导学生创新，而没有对创新方法进行任务分解，导致学生难以在工程实践课程中较好地领悟创新方法。教师需将创新思维融入课程内容，使创新思维方法能够在课程学习中得到全方位应用，更好地指导学生在实践课程中发散思维、凝练创意、掌握创新方法，真正学会在实践过程中挖掘创新点。

1.3 深化多学科知识融合，拓宽学生创新视野

机器人涉及电子、机械、控制、计算机及通信等诸多知识[8]，模块化机器人实践课程对学生的知识储备有较高要求，需要学生从解决工程实际问题的角度入手，通过团队合作，掌握知识加工、迁徙与运用方法，提升多专业融合的实践技能。学生对机器人中多学科知识融合的灵活运用达到一定程度，才能精准挖掘、获取机器人的结构设计和控制方法的创新点[9]。在工程实践教学改革中，教师要培养学生掌握扎实的专业知识，拓宽学生创新视野，提升创新质量。

2 模块化机器人实践教学的优势

2.1 教学资源的集约型利用

机器人课程的大规模开展所需设备资源投入较大，若采购固定功能的机器人，考虑到更新换代问题，可能会造成机器人硬件资源的浪费。而模块化机器人相比于功能固定机器人，最大的优点是根据套件装配能实现机器人功能的多样化，从而满足不同的功能需求。在机器人模型拼装的过程中，除了使用原有套件外，还可以根据实际项目需求进行零件自加工，寻找更契合项目需要的零件，这有效增强了机器人教学的适用性与扩展性。而且相比于整体机器人，模块化机器人分离程度高，重用性强，即使需要更新迭代，也更容易实现资源的再次利用。

2.2 分层教学的需要

机器人实践课程因为多学科融合程度高，学生不容易实现对课程知识点的融会贯通[10]，导致学生出现兴趣不高和自信心不足的问题。而模块化机器人可以实现难度分级，根据学生兴趣和能力实现分层教学。采用模块化机器人，能够对项目任务、项目难度进行分解及差异化设计，学生根据自己的专业能力、专业需求及兴趣等进行机器人模块选择和功能定制。这种模块的差异化选择不论是从项目难度还是创新程度，都便于实现对学生的精细化教学，有效提高了机器人实践课程的适配性。

2.3 创新思维培养的需要

在模块化机器人课程中，以解决实际工程或生活问题为出发点，学生自主选择机器人服务应用场景并定义机器人功能。模块化机器人延展了机器人的设计性和功能性，为学生的应用创新和设计创新提供了资源[11-12]，学生根据机器人基础模块搭建基本功能，采用自加工或者采购方式实现扩展功能，为不同应用需求机器人的设计提供硬件，同时可进行机器人控制算法创新，通过课程中以学生为主体的功能创新、结构创新，实现对学生创新思维的有效培养。

2.4 提升对工程训练体系的认知

三峡大学工程基础训练课程内容形成了涵盖加工制造的完整闭环，设计—绘图—制造的环节在工程训练课程的各个项目中均有体现，但结合以往学生提交的实践报告及相关座谈会能够发现：部分学生对产品的设计及工艺流程并不是十分清楚，对多种机械加工方法的实际应用场景仍较模糊。因为机器人设计功能需求的不同，在模块化组织过程中，学生需要充分了解机器人的模型结构，了解不同制造方法的作用和优势，根据项目需求学习不同加工工艺及制造方式的特点及具体应用场景，有助于提升学生对三峡大学工程教学体系的认知。

3 模块化机器人实践教学的改进方法

根据创新视角下模块化机器人实践教学的改革方向，为充分发挥模块化优势，完成机器人实践课程的深度改进，本文提出了以下四点改进方法。

3.1 创新创业方法的大规模运用

在模块化机器人实践课程中，学生自主组建学习团队，充分运用创意工具、创新创业方法等进行创新实践。将设计思维理论[13]、TRIZ（发明问题解决理论）创新方法等用于模块化机器人的应用需求分析、模型设计优化、制造方法分析等，比如借助设计思维的“机会洞察—需求界定—协同创意—原型制作—测试总结”进行创新思维培养，采用TRIZ 方法对模型设计进行矛盾解决，并对模块化机器人的材料选择与加工方法进行优劣势分析。对于创意作品，以创业视角去优化改进，将SWOT（“S”代表优势，“W”代表劣势，“O”代表机会，“T”代表威胁）分析、精益创业方法论等引入课程，以产品的标准进行设计、开发与测试，不断迭代作品，充分挖掘作品的创新点。

3.2 教学方式多样化

在模块化机器人实践课程中，教师应将专业教学内容和创新创业方法教学内容有机结合，前者注重学生对专业内容的理解与专业技能的训练[14]，后者注重创意的生成。在课程设计时，两者采用的教学方式略有差异：机器人专业内容教学以项目式和案例式教学方法为主[7]，以项目和案例为载体，引导学生学习机器人常用模块的使用场景和使用方法；而创新创业方法教学主要采用启发式、头脑风暴式、翻转课堂等教学方式，突出学生的课堂主体地位，提高学生的参与度。

3.3 课程评价多元化

模块化机器人课程的评价不仅关注学生的实践动手能力，更关注其创新设计思想和对知识进行加工凝练的能力，原有的仅以实验作品完成度为主的专业技能评价模式亟需调整，在评价时应对学生的创新素养进行重点考量，比如学生作品的功能需求创新、设计方案创新、控制方法创新等均应纳入评价范围。模块化机器人实践包含多个环节，应对设计方案、设计过程、制作等进行过程性评价；除此之外，教师还应拓展评价方式，鼓励、指导学生作品参与学科竞赛或者创业竞赛，对于实践成果转化成专利或研究论文的，都应给予正向评价激励。

3.4 依托实验室建立全域学习中心

模块化机器人的创新设计需要开放共享的实验环境，以完成机器人的需求讨论、图纸设计、零件加工、模型拼装、代码调试和实战测试等。三峡大学创新创业科创基地建设了“竹里”致学中心，配备了基于工程训练大楼的全域学习环境，大部分实验室全天候开放，对大楼的部分未使用房间和公共区域也进行了改造，供学生备赛和科技创新使用，构建了多功能育人环境。

4 结语

创新视角下的模块化机器人实践教学以学科融合、“工创融合”为主线，建立适合工程实践教育的创新生态系统，依托三峡大学创新创业教育学院的科创基地全域学习中心平台，充分发挥创新创业教育优势，大力推行基于工程实践教育的创新能力培养方案，这既是新时代对三峡大学工程实践教学体系的优化和重塑，也是三峡大学创新创业教育发展新的助力点。