机器人工程专业“CDIOKSQA型”实践教学体系的实证分析研究

桂伟 聂晶晶 周浩

摘要：本文主要从初级认知、中级提升及高級强化等三个阶段探究实施了机器人工程专业“CDIOKSQA型”双主线项目层进式实践教学体系。构建了三级项目化教学，一级项目以建设机器人工作站为主线，贯穿整个教育阶段，二级项目基于实践教学课程群，三级项目基于课程理论实践教学。项目主线式一体化教学，打破了知识边界，有效促进机器人工程专业各模块知识连续性的学习，助推机器人专业学生实践能力的培养。

关键词：双主线项目层进式；项目主线式；CDIOKSQA

1绪论

机器人工程专业双主线项目层进式实践教学，基于CDIO理念，遵循实践教学“从工程中来，到工程中去”，以项目为主线，以学生为中心，以实践为主导，贯彻全过程、全方位“教学做”项目化实践教学的思路，着力解决传统实践教学与理论教学未能有效融合、实践教学模块连续性弱、实验教学知识碎片化、学生抽象理论难以联系工程实践、对系统缺乏整体性认识、缺乏创新实践意识、实验参与的自主性与积极性不高等实践教学问题。

由于机器人是一个复杂系统，涉及的课程知识繁杂，例如，机械设计、夹具设计、机器视觉、路径规划、自动控制和嵌入式系统等。只有通过机器人应用案例作为课程内容引导，串联课程知识点，把整个机器人系统进行拆解，结合每门课程内容进行重点讲解，学生才可以更加透彻理解机器人这个大系统。

2“CDIOKSQA型”实践教学体系实施过程

机器人工程专业双主线项目层进式实践教学体系由三个阶段、五个层级的实践课程群进行组成，每个阶段每个层级课程群的教学内容以“项目引导、学科交叉、夯实基础”为原则，基于“产、学、研、创”的思路，将机器人产品设计项目、教师科研成果有机融入实践教学中，使实践教学贴近机器人项目研发实际需求，引导学生探究，启发学生思考，让学生通过全方位实践训练实现做中学、学中做，循环推进。

机器人教研团队对机器人实践教学体系进行不断的优化设计，并进行了初步实施教学。

2.1初级认知阶段实践教学实施

工业机器人初级阶段主要开展学生基本技能、基本理论的训练，主要包括工业机器人基本技能实践层和工业机器人基本理论实践层两个实践教学层。

其中由“专业认知实习”“制图实践”“工程实训”“电子工艺实训”及“电路分析”等基础课程实验构成的工业机器人基本技能实践课程群，主要培养学生的工程认知能力，帮助学生理解和巩固相应的工程基础知识，初步掌握工程基本技能。

“专业认知实习”教学以机器人产学研中心校企合作项目弧焊机器人工作站、柔性打磨机器人工作站、视觉抓取归类转运机器人工作站、装配机器人工作站、搬运码垛机器人工作站、柔性生产流水线及导览引导智能机器人为对象，给学生演示机器人运动、操控、视觉以及轨迹规划，让学生具有学习兴趣的同时也产生疑惑，例如，机器人控制的本质是什么？机器人数学模型是怎么样？学生带着问题去学习后续课程，可有效提高上课质量与学习效果。

“工程实训”以ABB桌面搬运码垛机器人工作站、安川书法桌面机器人工作站为训练平台及智能娱乐跳舞机器人进行学生组装、搭建和调试能力训练，目标是培养学生安装调试工业机器人及智能机器人能力。

“制图实践”以搬运码垛机器人工作站的夹具零件为测绘画图载体，开展机器人夹具零部件测绘工作，并在CAXA软件中绘制夹具零件图，使学生既掌握CAXA绘图的基本技能，又初步了解机器人末端夹具结构及功用。

“电子工艺实训”以模块化智能循迹机器人为对象，进行电子元器件的识别、电路板的焊接使用基本技能训练，使学生既掌握电子元器件焊接技能，又通过循迹机器人的运动，初步认识智能机器人的设计。

2.2中级提升阶段实践教学实施

由“机械设计基础课程设计”“机器人编程实训”“机械设计基础”课内实验及“机器人工装设计实验”等独立实验课构成的工业机器人工作站机械设计实践课程群，主要培养学生具备利用机械设计常用软件开展机器人工作站机械本体结构设计、工装夹具等非标零部件设计的工程设计，以及机器人工作站运动仿真能力。

“机械设计基础课程设计”改变传统的一级圆柱齿轮减速器设计内容，以机器人产学研中安川六自由度搬运码垛机器人的减速机为设计对象，让同学们根据说明书拆解六自由度工业机器人，了解工业机器人的基本组成后提出工业机器人为什么要这样设计，减速机如何设计选型，以及为什么要用这么大螺钉等问题，以此引出机器人机械设计基础课程设计的课程目标和课程内容，开展六自由度机器人减速机的结构设计。通过机器人减速机设计，既夯实了学生机械设计课程的相关理论相关知识，又提高了学生对于工业机器人核心零部件减速机的结构及功用的掌握。以智能娱乐机器人为设计对象，利用机械设计基本原理与方法，开展娱乐机器人结构优化设计。

“机器人编程实训”借助产学研中心虚拟仿真实验室和搬运码垛机器人工作站项目，开展虚实结合、理实一体的项目化教学。学生在虚拟仿真实验室，先基于RobotStudio仿真软件，分组开展搬运小型纸类包装盒等物体的机器人工作站项目的虚拟仿真系统搭建工作，然后利用产学研中心搬运码垛机器人工作站对虚拟仿真搭建的工作站进行运动规划路径实践验证，通过虚实结合的项目化实践教学，培养学生机器人工作站虚拟仿真设计能力，为后续开展机器人综合设计应用实践项目训练及毕业设计奠定良好基础。

“电气控制课程设计”以驱动六自由度搬运码垛工业机器人作为实践任务对象，基于西门子1200PLC开展机器人工作站电气控制系统设计，通过课程设计学生掌握机器人工作站电气系统设计原理，应用博图软件进行编程仿真、分析和调试仿真结果。掌握使用直流电机、步进电机、伺服电机及特种电机驱动六自由度工业机器人的方法，以及如何根据机器人需求选择合适的电机，为后续开展智能制造综合设计夯实基础。

“单片机技术课程设计”以机器人应用技术实验室的AGV智能搬運机器人为对象，基于STM32单片机开展智能搬运机器人的目标定位、手臂路径与运动规划及移动平台避障软件设计。通过本课程设计，学生掌握基于单片机控制智能机器人运动的设计思路，为后续开展智能机器人综合设计夯实基础。

工业机器人中级阶段实践教学利用智能机器人实践项目，通过课程设计、综合实训课程及独立实验课，指导学生学习使用机器人基本硬件设备，包括电机、单片机及传感器等，掌握控制原理和方法，培养具备利用嵌入式处理器，实现对机器人的传感系统、控制电路、电源管理系统及通信接口电路等硬件系统设计与测试能力。

2.3高级强化阶段实践教学实施

由“生产实习”“毕业实习”“智能制造综合课程设计”“毕业设计”“计算机辅助设计”独立实践课及“MES系统实验”等独立实验课组成的工业机器人综合设计应用实践层主要培养具有智能装备及典型行业自动化生产线的集成设计、技术改造及运行管理的工程应用能力。

高级强化阶段是在完成初级认知、中级提升阶段学习之后，按照学生工业机器人发展方向和岗位能力需求，强化实践动手能力，加深对智能制造行业中工业机器人系统集成应用的理解，并尝试比较复杂的工业机器人工作站系统集成设计。

机器人工程专业的工业机器人方向的“智能制造综合课程设计”是对本专业方向实践技能的综合训练，基于初级认知阶段“专业认知实习”的搬运码垛机器人工作站的认知实训，“工程实训”的搬运码垛机器人工作站的组装实训及中级提升阶段“机械设计基础”的搬运码垛机器人的结构设计训练，“机器人编程实训”的搬运码垛机器人工作站的仿真设计实训，以及“电气控制课程设计”的搬运码垛机器人的电气设计实训进行工业机器人工作站系统集成应用综合设计。该综合课程设计按照设计任务，5人一组设计一个工业机器人工作站，分上、下两段在线上线下混合式教学微课堂平台中进行。

微课堂实践教学上阶段以创新思维培养为主，主要开展机器人机械机构设计，下阶段以培养学生解决工程问题能力为主，综合电气控制、机器视觉及运动规划等技术完成工业机器人工作站系统集成设计项目。

机器人工程专业的智能机器人方向的“智能机器人控制综合课程设计”是对本专业方向实践技能的综合训练，基于初级认知阶段“专业认知实习”的导览引导智能机器人的认知实训、“工程实训”的智能娱乐跳舞机器人的组装实训，以及“电子工艺实训”的智能循迹机器人、中级提升阶段“机械设计基础”的智能娱乐机器人的结构设计训练、“单片机技术课程设计”的AGV智能搬运码垛机器人的软件设计实训进行的智能机器人综合课程设计。该综合课程设计按照设计任务，5人一组设计一个智能机器人，分上下两段在线上线下混合式教学微课堂平台中进行。上阶段以创新思维培养为主，开展机器人结构的创意设计，下阶段以培养学生解决工程问题能力为主，综合智能控制、机器视觉、导航与运动规划等技术完成中高级智能机器人的应用设计项目。

3“CDIOKSQA型”实践教学体系实施效果

机器人工程专业人才培养经历了“211”（2017—2018级）阶段、“211+N”雏形（2019—2020级）和“211+N”（2021级以后）三个阶段，本文对“211+N”人才培养中的“CDIOKSQA型”实践教学体系实施效果开展了调研，从多方面掌握机器人工程专业在实施“CDIOKSQA型”实践教学体系后，学生实践动手能力及综合素质培养的效果。

3.1集中实践教学对职业发展效果

针对“机器人工程专业‘211+N’培养中，哪些集中实践教学环节对自己职业发展最有利”的调查中，58.54%调查学生认为“智能机器人控制综合课程设计”最有利于自己的职业发展，“单片机技术课程设计”排序第二，“智能制造综合课程设计”排序第三，“电子工艺实训”排序最后，如下图所示。

以上数据说明机器人工程专业的两大综合性课程设计实践教学对学生的职业发展能力培养效果最好，学生对于智能机器人方向的综合性实践教学兴趣最大，期望最高，机器人工程专业后续要根据学生的职业发展需求，加强对智能机器人方向硬件及软件建设投入。对于学生反馈的“电子工艺实训”对职业发展最为不好的情况，要剖析本课程教学反馈不好的原因，制订课程教学改革方案，促进课程改革向有利于学生职业发展的方向进行。

3.2“CDIOKSQA型”实践教学体系对综合能力培养效果

针对“机器人工程专业‘211+N’培养中，‘CDIOKSQA型’双主线项目层进式实践教学体系对自己哪些方面能力培养最大”的调查中，24.93%的被调查学生认为对自己的创新实践能力培养作用最大，排在后面的依次是专业基础能力、工程应用能力和职业发展能力。从对学生能力培养的作用程度分析看，双主线项目层进式实践教学体系实现了对学生能力培养的目标要求，特别是实现了对学生创新能力和实践能力培养。只有1.68%的被调查学生认为对于项目管理能力作用最大，排在所有能力作用的最后，说明机器人专业后面还需加强学生项目管理能力的培养，以满足机器人系统集成应用管理岗位能力需求。

结语

机器人工程专业借鉴CDIO工程教育理念，构建的理论及实践课程教学体系，按照一体化课程设计，实施项目化教学。以一级项目建设工业机器人工作站、智能机器人设计项目为主线，贯穿于整个本科教育阶段，通过项目设计将整个课程体系教学有机、系统地结合起来。二级项目是基于理论教学课程群和实践教学课程群，每个课程群都设有一个综合性设计项目。三级项目是基于每门课程的理论实践教学。项目主线式一体化教学，打破了知识的边界，有效促进机器人专业各模块知识连续性的学习，助推机器人专业学生基础能力、工程能力、创新能力及职业职业能力的培养。

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基金项目：1.2018教育部首批“新工科”研究与实践项目“机器人工程专业一主双站式工程实践育人体系构建与实践”（项目序号：18）;2.武汉市市属高校教学研究项目“校企深度融合机制下机器人工程专业实践教学平台构建研究”（项目编号：2019015）;3.教育部产学合作协同育人项目“工科专业《工程实训》线上线下混合式教学体系构建研究”（项目编号：202102292025）

作者简介：桂伟（1980—），男，汉族，湖北黄冈人，硕士研究生，副教授，研究方向：机器人结构优化设计、系统集成技术等。