基于“CDIO”理念的《机器人技术》课程教学改革与实践.pdf

2023年第08期（2023年08月）No.0 8 2 0 2 385黑河学院学报JOURNAL OF HEIHE UNIVERSITY随着材料学、机械学、计算机软硬件技术、微电子技术、信息技术、人工智能等先进技术的发展，机器人技术也有了质的飞跃。机器人技术在机器人的使用范围里面扮演着越来越重要的角色，是机器人的使用由传统的理念上的工业应用转向人们生活的方方面面，尤其是特种机器人使用越来越广泛，例如，医疗救助、军事军工、家庭服务、娱乐、水下探测等领域。各类机器人也相继出现，如工业机器人、农业机器人、服务机器人、娱乐机器人、军用机器人、水下机器人、仿生机器人等。甘肃农业大学机器人技术课程已经面向机械设计制造及其自动化专业的本科生开设两年，是研究机器人的使用及设计的学科，也是工科类机械设计制造及其自动化专业的一门公共选修课，是一门高度交叉的前沿学科。其先行课程有理论力学、机械设计、机械原理、微机原理、电工电子学等，并且是机械设计制造及其自动化专业学生在学习专业课程后为进一步拓宽和深化专业知识的必备课程。此学科与本专业关系密切，息息相关，同时在工业机器人中有着广泛的应用，并为将来学习和掌握机电一体化与系统设计、制造创造条件，也对学生的各项培养指标都有积极的贡献因子，因此占有十分重要的比重。通过机器人在各行各业的使用，展现了其特有的价值，尤其在重体力工作环境、有害身体健康的工作环境、高危高压的工作环境、劳动力密集使用的工作环境、高新技术企业、现代化无人工厂、环境监测等工作环境。高新技术的发展更是提高机器人使用性能的重要途径。本课程通过理论实践相结合的教学方式，将思政元素融入教学的每一环节，激发学习的兴趣以及掌握先进技术的强烈愿望。调动了学生勇于探索的精神和积极创新的思维。增加了教师的职业荣誉感，实现了师生之间的良好互动，促进了学生技术报国的积极性1。一、机器人技术课程的基本任务与改革机器人技术课程对国内外机器人的起源和发展、不同的种类的技术发展及应用、各种型号机器人的技术特征和指标定义、不同种类的使用价值尤其是市场经济价值，最先进的各项技术指标以及市场的应用情况，机器人的各项组织功能，机器人的发展前景进行详尽讲述，从而提高学生对机器人技术的认识。在甘肃农业大学机械制造课程教学大纲中对本课程的教学任务做出了如下规定：机器人技术课程的任务是使学生掌握工业机器人基本原理、基础知识，熟悉普及化的机器人的各种结构、各关节参数建模的基本方法、特种机器人末端执行机构的应用和基本技术特征、了解各种编程理论和基本方法，掌握工业机器人的基本操作流程和各项规范进行实际操作实验；学生通过理论与实验相结合的技术训练具备了解决工程实践问题的能力；通过机器人技术课程的学习培养学生工匠精神、爱国情怀、自主学习、解决复杂问题的基本素质。结合本课程的特点，还可以培养学生具备应用自己所学和所储备知识的开发和应用，激发兴趣爱好提高学习技能的能力2。本课程教学设计阶段着重于理论与实践相结合的教学模式，将机器人在工业、农业、军事等各领域的技术发展和积极应用在理论课堂的讲授过程中引入，强化学生的学习动力和积极的人生态度。同时，强化思政元素，将新技术对于国家竞争力提升的重要性不断融进课堂，强化学生学习的积极性和主动性。在课堂上通过问题启发、案例展示和问题讨论的方式讲授内容，同时配合互动讨论，强化学习效果。在课下会发布拓展内容作业、课后测试以及实验项目，引导学生自主学习，教师自己也会进行教学反思，修订教学文件，整体上形收稿日期：2 0 2 3-0 6-1 6基金项目：甘肃农业大学人才专项基金“一种面向复杂曲面的机器人工作轨迹优化关键技术研究”(2 0 1 7 R C Z X-2 0)作者简介：张鹏(1 9 8 2)，男，甘肃兰州人，讲师，博士，主要从事机器人轨迹优化技术、旱作农业机械化技术研究。doi：10.3969/j.issn.1674-9499.2023.08.024基于“C DI O”理念的机器人技术课程教学改革与实践张鹏(甘肃农业大学，甘肃 兰州 730070)摘 要：基于“C D I O”下的大学生创新创业教育模式改革思想，通过对机器人技术课程教学的基本任务分析，在加强机器人技术课堂教学环节的过程中引入第二课堂教学模式，解决传统教育模式缺乏对学生创新创业能力培养以及注重理论教学与实践难以相结合的教学问题；引入T RI Z 理论，通过第二课堂的教学实践为在学生创新创业方向发展提供科学有效的创新方法，为大学生创新创业提供必要条件；按照甘肃农业大学2 0 1 9 年春季学期提出的教学过程性考核的要求，依据机器人技术课程教学内容的特点，建立“2+4”多元化考核模式，有效解决本课程考核模式单一化问题，充分调动学生学习过程中的积极性与学习热情。关键词：“C D I O”理念；机器人技术课程；教学改革；教学实践中图分类号：G 6 4 2 文献标志码：A 文章编号：1 6 7 4-9 4 9 9(2 0 2 3)0 8-0 0 8 5-0 42023年第08期（2023年08月）No.0 8 2 0 2 386教育教学研究成从线上到线下，再回到线上的一个循环式混合教学闭环。在新形势下，需要创新创业人才培养模式，任何一种培养模式的改革都离不开课程体系建设的支撑1。因此，为了培养大学生的创新创业意识，机器人技术课程课题组经过讨论，为学生安排讲解国际与国内机器人大赛的各项内容，以及通过比赛的模式来培养新时代大学生积极探索，挑战自我的优秀品质。从传统教育转向创新创业教育，改变传统单一的“知识传授接受知识”教学模式，围绕“创”字确立创新创业的教学模式和教学方法，积极推进创新与创业相结合、创造与创新相结合的人才培养模式3。1.引导学生刻苦读书、求真学问、练真本领重视实践教学，以机器人实践应用为主要教学内容，打破以理论教学为主题的教学思想。倡导学生转变思维、开发新的学习思路和方法、培养技术兴趣和不断革新的思维习惯、敢于否定、积极尝试。以团队创新思维为主导，组织竞赛创新团队，以国内外各项特色机器人大赛为契机，开展技术创新与理论实践研究相结合的课题学习模式。鼓励学生针对不同项目的创新要求自发学习、发散思维、提出各种创新方案，大胆动手尝试，积极进取，各小团队相互竞争，形成大团队内部各小团队之间的竞争模式，带动学生的学习积极性。激发学生对新领域好奇心和学习的主动性。经过两年多的实践教学，发现这种以竞赛项目为学习目标，更加能够激发学生刻苦学习的动力。学生通过自己的努力在比赛过中能够找到自己的优势，同时也能够及时发现自己以及团队的劣势；获奖的小团队能够找到自信，更发现自己的潜能，也能激发未获奖小团队积极努力的精神。教师通过指导学生的创新学习，促使自己能够不断学习，不断地开发自己的潜能，不断地了解市场所需、企业所需、社会所需、行业领域所需，从而能够给自己的教学和研究工作提供更加广阔的平台；通过历次的比赛项目的学习指导，以及比赛现场的亲身体会，不仅可以了解各大院校的学生学习状况，了解学生的创新能力，以及个比赛作品的特色，从而在不断弥补自己教学工作的不足，同时也弥补自己对市场所需的认知，对社会急需的了解，以及对行业内前沿学科发展趋势的判断。目前，通过这种教学模式，培养了六个项目小团队，获得了国家以及省级多项奖励，同时也为团队内即将毕业的学生提供了毕业课题的选择内容和方向，也得到了校内同行的肯定和支持。实践证明，这种教学模式的改革和创新方法是有积极效果的，也得到了学生的积极认可4。2.优化机器人技术课程教学内容，创新教学方法积极引入互联网技术进行课程教学。在机器人技术课程教学实践过程中采用互联网技术进行课程思政教学，在教学内容方面可实现短时间内更新，并可提升学生的求学兴趣。通过雨课堂、等网络教学平台和教学社区。优化课程教学内容的主要特色是将当前国家高校认可的各项比赛项目的内容以及已有学生团队参加过的各项大赛内容引入教学环节。主要方法体现在基于已有的传统课堂和书本教学内容，结合各种机器人大赛的竞赛内容和创新要求，在课堂教学过程中寻找合适的契机，引入教学内容；加入已有学习团队的参赛视频，以及比赛结果，展开课堂或课下讨论，引导学生对机器人大赛的认识，激发学生对大赛的兴趣，拓展学生对机器人各知识点实践应用的视野；同时也为学生积极参与第二课堂的学习，提供必要的参照。在教学环节中，引入国际机器人大赛的参数赛内容以及相应的视频，不仅拓展学生的学习视野，而且通过这一过程可以使学生了解同等学习环节的国际创新特色，有助于进一步拓展学生的学习视野，增加自己的学习的竞争力和积极性5。教学方法特色主要表现在，在第二课堂教学环节提供各项机器人参赛的内容和要求，引导学生寻找自己的优势和劣势，组建优势学习团队，开展以大赛为契机的学习和创新活动。经过近两年的教学努力，已经形成了以不同年级和不同专业的学生组成的优势机器人学习兴趣小组，并成功孵化出六个具有参加国内各项机器人大赛能力的团队。通过教师和学生不断地努力，基本形成以学长(学姐)带学弟(学妹)的学习团队，并不断进步不断创新。3.改善机器人技术课程课堂效果，构建合理评价体系优化课程评价体系，以改进教学设计和实施，同时不断优化考核方法和完成学习的指标数据，不断创新教学和指导方法。随着教育革新的理念不断加强，全新的“CDIO”教育模式已被国内各大高校在教学改革中不断引用。CDIO 的主要内容是四大方面，即构思(Conceive)、设计(Design)、实现(Implement)和运作(Operate)6。在师资队伍建设过程中，理论型和实践型兼顾培养7。教师要在 CDIO 理念下合理设置课程，设计出理论与实践一体化的教学方案8。为了增强学校机械设计制造及其自动化专业学生理论联系实际的能力，激发其对机器人新技术学习的浓厚兴趣，继而具备解决工程实践问题的能力以及强烈的团队合作意识，同时为了加强新时代大学生对机器人技术这门课程的理解，课题组经过研究，基于“CDIO”教育模式在教学方法上对2019年机器人技术课程教学做出重大改革，即在完成基本课堂教学任务的情况下，对在创新上有较好素质、对创业有意愿的学生，设立第二课堂创新创业课程：引入技术创新方法TRIZ理论的机器人大赛案列教学7。学生通过本课程的学习以及对机器人大赛知识的掌握，激发了学生创新情感并增强了创新精神的动力，促使学生积极加入课题组开设的第二课堂学习班机器人大赛训练班。机器人大赛有一个口号：“让思维沸腾起来”。通过国内外的机器人大赛可以看出，机器人技术所涉及的专业领域极其广泛，主要有自动化专业方向、机械设计及自动化、计算机科学与技术、信息工程、工业设计、应用数学和信息与计算科学等专业领域。所以，学生要想取得理想的成绩必须通过各种学习渠道熟练掌握各种相关的知识。通过对机器人机械结构、机器人控制技术、机器人运动学、自动控制原理、智能算法、图像处理及模式识别等基本知识结构的学习掌握，使学生掌握较全面的知识，从而开阔学生的思维。在这一过程中，学生必须通过组队的形式完成自主移动机器人的机械机构设计、执行机构的设计、传感器的选择与应用、特种机构的设计加工与制作，电路系统的搭建，智能算法的编制与调试，使得学生具备良好的自主学习能力及团队协作能力。使得学生具备“用中学、做中学、教中学、思中学”四位一体的学习能力9，从而有效解决了传统课堂教育知识2023年第08期（2023年08月）No.0 8 2 0 2 387教育教学研究单一，方法单一，学生缺乏学习动力的问题。第二课堂的预计教学目标是：通过第二课堂的教学，不断促使学生积极主动的学习，并通过比赛项目的参与，实践自己所学的内容，并强化综合学习能力，提高创新水平。学生通过第二课堂的学习，建立了团队合作以及团队信任，有助于学生适应行业竞争增强工作积极性，有助于提升就业能力，有助于拓展学习空间。教师通过第二课堂的教学，有助于不断提升教学水平，有助于时刻把握行业前沿动向，有助于拓展自己的教学思维，有助于科研能力的增强。同时，第二课堂更加注重建立学生参与效果的反馈机制。学生通过参与第二课堂的学习，以及教学管理机制发现第二课堂的优略，向团队和指导教师提出积极有效的教学和管理改进方案，团队也鼓励每一位成员参与教学管理和更新，从而促使团队不断创新，不断进步。当前第二课堂教学的建立，通过团队全体成员的努力，已经初显成效。教师通过不断实践不断创新，不断改进课程教学内容与教学方法、不断完善第二课堂的教学体系，使得由部分学生参与的第二课堂逐渐过渡到机械制造设计及自动化专业的全部学生参与的一种常态化教学模式，最终实现将创新创业教育与课程体系建设、专业教学、专业实践有机的结合10。二、本课程的基本要求与考核方式的改革在机制课程教学大纲中，对本课程在教学过程中对学生学习机器人技术这门课程提出了相应的要求，即完成本课程的学习，学生应该对机器人所涉及到的各项技术参数和技术指标以及新技术在各种型号的机器人设备和部件中的应用等知识有所了解和掌握，并达到以下目标：1.对相关知识掌握目标一是掌握机器人基础知识，熟悉工业机器人基本结构及工作原理；二是了解机器人领域的最新发展动态和研究方向，掌握新技术和新理论的市场应用实际情况以及相应的经济价值和意义；三是熟悉基本部件在各型号机器人以及各领域机器人的应用，以及相应技术的推广、使用和发展情况。2.能力目标一是可运用机器人完成基本物流工作；二是能根据实际工况编制机器人运动程序；三是能熟练地完成焊接机器人操作和维护；四是学生通过理论与实验相结合的技术训练具备了解决工程实践问题的能力；五是通过本课程的学习培养学生自主学习、解决复杂问题的基本素质11。3.价值目标使学生具有技术报国的决心。运用理论与实践结合的教学方法，全面提升学生创新性思维，勇于挑战，敢于面对技术空白，有决心有能力解决复杂问题。过程性考核方法注重机器人技术教学过程，通过进行教学过程质量评价，及时调整教学进度与教学方法，从而提高教学效果。自从2018年我校实施过程性考核以来，在诸多方面取得了良好的效果，得到了广大师生的认可。基于机器人技术课程培养目标和教学特点，提出“2+4”的多元考核方法，同时附加试卷评定作为最后认定过程性考核是否准确的依据，考核过程如图1所示，其中，机器人技术在实施过程性考核的指标主要如下：实践活动、团队作业、课后作业、课堂笔记。由此可知，学生完成机器人技术课程学习的总成绩由实验成绩、期末考试卷面成绩、过程性考核成绩组成，其中，实验成绩占10%，期末考试卷面吃占40%，过程性考核成绩占50%。但卷面成绩是作为判定学生在完成过程性考核指标的过程是否诚信的唯一判定指标，即如果学生的卷面成绩不达标准就视为其完成过程性考核存在不诚信行为，判定总成绩不合格12。图1 “2+4”多元考核方法三、存在的问题1.机器人技术课堂创新有待提高从国际市场来看，全球机器人行业领先企业更加关注产品的高附加值，搭建云平台，积极着眼智能制造整体解决方案的发展。因此，机器人技术的发展所面向的是多领域全方位的挑战13。所以，需要在教学案例、教学方法等多环节有创新的教学技术手段，使学生全面了解到前沿技术的发展、前沿技术市场应用环境、技术经济价值和潜在技术需求的客户，让学生具备技术转化为市场价值的积极能力，达到事半功倍的教学效果13。第二课堂的教学应该通过以机器人大赛为切入点，不断深入行业需求，如工业机器人、农业机器人等各领域，积极开拓教学内容的广度和深度，加强学生理论与实践相结合的学习能力，使学生更加具备就业和创新的能力。2.需要不断引入与机器人技术发展有关教学资源机器人技术的飞速发展，已近涉及到人类生活和工作的方方面面，为了确保课程教育的目的落到实处，这对教师提出了更严格的要求。首先授课中应该从课程内逐渐延伸到机器人技术的实际情况，提升学生的实践能力。充分发挥信息教学技术的优势，采用互联网进行教学资源的整合，不断提升自身教学工作不足的现象。四、结语在专业化技术领域的教学中，基于CDIO理念下的大学2023年第08期（2023年08月）No.0 8 2 0 2 388教育教学研究T e a c h i n g R e f o r m a n d P r a c t i c e o f “R o b o t i c s”B a s e d o n t h e C o n c e p t o f “C D I O”Zhang Peng(Gansu Agricultural University,Lanzhou 730070,China)Abstract:Based on the education mode of innovation and entrepreneurship for college students under the concept of“CDIO”,this paper analyzes the basic teaching tasks in the course of“Robotics”,and discusses the teaching problems in the traditional education mode,such as failure in cultivating students innovation and entrepreneurship ability and in combining theoretical teaching and practice;for addressing the problems,the second classroom teaching mode is suggested to introduce in the process of strengthening the classroom teaching.With the help of TRIZ theory,the teaching practice of the second classroom can provide scientifi c and eff ective innovation methods and necessary conditions for developing students innovation and entrepreneurship.For eff ectively solving the problem of the single assessment model in the course of“Robotics”and fully mobilizing students enthusiasm and enthusiasm in the learning process,a“2+4”diversifi ed assessment model is established according to the characteristics of teaching contents and teaching requirements of process assessment put forward by Gansu Agricultural University in the spring semester of 2019.Key words:“CDIO”concept;the course of“Robotics”;teaching reform;teaching practice 责任编辑：刘艳萍 生创新创业教育模式改革，是一个任重而道远的任务。本文在加强机器人技术课堂教学环节的过程中通过引入第二课堂激励学生自主学习的动力，激发学生创新创业的热情，鼓励学生积极探索专业技能领域，勇于挑战自我，增强自信。基于学校2021年提出的教学过程考核的要求，在机器人技术教学考核中，提出“2+4”多元化考核模式，笔者通过本学期近1个月的教学实践中，明显反映出该方法能够充分调动学生学习的热情，并能够激励教师主动积极的改进教学方法，从而提高教师教学与学生学习的双重质量。笔者将通过长期的教学实践，合理有效地利用现代教育技术以及现有的教学资源，将CDIO工程教育理念融入机器人技术课程，并将结合甘肃农业大学实际教学情况，在学校提出的过程性考核要求的基础上，通过对教学内容、考核模式进行重新规划设计，以学生为主体，采用启发式教学的形式与学生进行互动，使学生真正地认识、了解、熟悉机器人技术这门课。有效地提高学生学习的主动性和学习兴趣、提升学生的实践动手能力及思维创新能力，旨在真正实现学以致用。参考文献：1于晓文.以创新创业培养模式为导向的机械设计基础课程内容改革的探究C.中共沈阳市委、沈阳市人民政府、国际生产工程院、中国机械工程学会.第十六届沈阳科学学术年会论文集(经管社科).沈阳:沈阳市科学技术协会,2019:3.2毛国涛.关于创新创业人才培养模式的研究J.党史文苑,2010(6).3李济敏,等.基于CDIO工程教育模式的大学生创业训练实践平台构建J.价值工程,2016,35(33).4曹淼孙,梁志星.基于CDIO理念的工程专业教师角色转型J.高等工程教育研究,2012(1).5黄德斌.高职院校创新创业教育融入人才培养实践探索J.现代商贸工业,2018,39(33).6李济敏,等.基于CDIO工程教育模式的大学生创业训练实践平台构建J.价值工程,2016,35(33);曹淼孙,梁志星.基于CDIO理念的工程专业教师角色转型J.高等工程教育研究,2012(1);黄德斌.高职院校创新创业教育融入人才培养实践探索J.现代商贸工业,2018,39(33).7黄明霞.CDIO理念下创新创业教育模式的研究C.中共沈阳市委、沈阳市人民政府、国际生产工程院、中国机械工程学会.第十六届沈阳科学学术年会论文集(经管社科).沈阳:沈阳市科学技术协会,2019:4.8曹淼孙,梁志星.基于CDIO理念的工程专业教师角色转型J.高等工程教育研究,2012(1);黄德斌.高职院校创新创业教育融入人才培养实践探索J.现代商贸工业,2018,39(33);黄明霞.CDIO理念下创新创业教育模式的研究C.中共沈阳市委、沈阳市人民政府、国际生产工程院、中国机械工程学会.第十六届沈阳科学学术年会论文集(经管社科).沈阳:沈阳市科学技术协会,2019:4.9刘东皇,刘宁,刘凡.基于过程性考核的应用型高校专业核心课程考核模式改革探索J.产业与科技论坛,2018,17(15).10伍哲臻.学分制背景下构建课程过程性评价体系的探索J.教育现代化,2017,4(25).11杨包生,李云云.强化过程考核的评价机制探索与改革J.课程教育研究,2015(7).12张淑宁.基于过程性考核的电路课程的教学方法研究J.教育现代化,2019,6(47).13刘彩霞.基于科研项目的课程教学改革与实施探讨以“工业机器人工作站系统集成”课程为例J.装备制造技术,2021(12).A n A n a l y s i s o n t h e C o n s t r u c t i o n o f C u r r i c u l u m S y s t e m f o r t h e Ma j o r G r o u p o f N e w B u s i n e s s D i s c i p l i n e i n A p p l i c a t i o n-O r i e n t e d U n d e r g r a d u a t e U n i v e r s i t i e sChen Ling(Chongqing Institute of Foreign Studies,Chongqing 401120,China)Abstract:With the construction of“the Four New construction”as the guiding ideology,this paper,by making a study on an application-oriented undergraduate university,re-examines the ways of constructing a set of talent training curriculum system for the major group of new business discipline in line with the development needs of the times,which is conducive to the cross-integration of application-oriented talents serving local economic development practice and to forming a solid support.It is hopeful that the exploration can provide a general value of thinking and exploration direction for comprehensively improving business talents comprehensive ability and professional quality.Key words:new business discipline;curriculum system;cultivation system of talents;fi rst-class curriculum;integration of production and education 责任编辑：刘艳萍 形式单一，专业之间存在壁垒，定位重复等多重问题，对应用型高校的高等教育的发展有重要实践探索意义。参考文献：1谢明磊,应用型本科经管类专业群课程体系建设初探J.山东农业工程学院学报,2020(5).2张红伟.蒋明霞.兰利琼.一流课程建设的要义:思想性与学术性J.中国大学教学,2020(12).3郭慧,等.协同视域下面向地方光电产业的新工科人才培养实践创新平台建设以梧州学院为例J.创新创业理论研究与实践,2021(6).4美安德森(Anderson).布卢姆教育目标分类学M.蒋小平,等译.北京:外语教学与研究出版社,2009:77.5美玛丽埃伦韦默.以学习者为中心的教学M.洪岗,译.杭州:浙江大学出版社,2006:25.(上接第 74 页)