創(chuàng)新思維與機(jī)器人實(shí)踐結(jié)合的工程教育探索

朱愛斌，李宏偉，毛涵，段玉崗，劉全銘，楊柳

（西安交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安）

一 問題提出

培養(yǎng)創(chuàng)新型人才是時(shí)代的迫切需要，也是大學(xué)的責(zé)任。以往的工程教育活動(dòng)主要以教師、課堂為中心進(jìn)行授課，采用固定的講授模式，即使是以創(chuàng)新思維為主要內(nèi)容的課程，也還是偏重于知識(shí)傳授，學(xué)生還是被動(dòng)學(xué)習(xí)和思考，主動(dòng)學(xué)習(xí)和思考、創(chuàng)新思維的實(shí)踐活動(dòng)不夠。學(xué)生實(shí)踐能力培養(yǎng)較弱，這樣不利于創(chuàng)新人才的培養(yǎng)，影響了人才培養(yǎng)的質(zhì)量[1]。

高校已經(jīng)普遍認(rèn)識(shí)到實(shí)踐能力對(duì)于高素質(zhì)人才培養(yǎng)的重要性，都在下大力氣建設(shè)功能完善的工程教育基地。但是，受傳統(tǒng)應(yīng)試教育的影響，學(xué)生的學(xué)習(xí)仍以被動(dòng)接受、應(yīng)對(duì)考試為主，工程教學(xué)過程中很多學(xué)生自主學(xué)習(xí)、創(chuàng)新思維、創(chuàng)意實(shí)踐的意識(shí)淡漠，經(jīng)過系統(tǒng)的專業(yè)課程學(xué)習(xí)后仍不能具備較強(qiáng)的專業(yè)能力和努力探索的創(chuàng)新精神。

相關(guān)研究者對(duì)于工程教育有了多方面的探索和研究。韓雙淼等研究了國(guó)際高等工程教育研究方法與主題的演進(jìn)[2]，羅嘉慶等以計(jì)算機(jī)導(dǎo)論課程建設(shè)為例，構(gòu)建面向新工科的新生工程認(rèn)知體系[3]，王世斌等解析了新工科教育創(chuàng)新發(fā)展的三維度結(jié)構(gòu)[4]，李悅池研究了美國(guó)“星辰”項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)及啟示提出創(chuàng)新工程教師培養(yǎng)模式[5]，孫婧等分析了我國(guó)大學(xué)課程研究的知識(shí)基礎(chǔ)和熱點(diǎn)問題[6]，李明忠等以戈登獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)項(xiàng)目為例，研究了美國(guó)高等工程教育改革的主要特征[7]，蔡新紅等針對(duì)工程教育中的電路課程教育，從教學(xué)方法、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)理念等方面研究了其教學(xué)改革方向[8]，陳秀梅等研究和探討了高等工程教育中機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)的人才需求、學(xué)校定位、培養(yǎng)目標(biāo)等問題[9]。

本文對(duì)虛實(shí)結(jié)合的創(chuàng)新思維和機(jī)器人實(shí)踐的工程教育新模式進(jìn)行了探索，以系統(tǒng)創(chuàng)新思維的課堂教育和機(jī)器人創(chuàng)客交叉創(chuàng)新實(shí)踐教育相結(jié)合為培養(yǎng)特色，培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)創(chuàng)新觀念，指導(dǎo)學(xué)生采用創(chuàng)新理論、工具和方法來分析和解決實(shí)際問題，最終提高學(xué)生的創(chuàng)新思維能力和機(jī)器人實(shí)踐能力。

二 虛實(shí)結(jié)合的創(chuàng)新思維工程教育新模式

目前的工程教育主要目標(biāo)是培養(yǎng)從事一般性設(shè)計(jì)和制造的工程師，未來目標(biāo)希望逐步轉(zhuǎn)變?yōu)橥怀鱿到y(tǒng)設(shè)計(jì)創(chuàng)新，以培養(yǎng)制造業(yè)的領(lǐng)軍人才為長(zhǎng)遠(yuǎn)目標(biāo)。以系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的課堂教育和機(jī)器人交叉創(chuàng)新實(shí)踐教育相結(jié)合為課程特色，培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)設(shè)計(jì)創(chuàng)新觀念，指導(dǎo)學(xué)生采用創(chuàng)新理論和創(chuàng)新工具等整體方法體系來分析和解決實(shí)際問題。

虛實(shí)結(jié)合的創(chuàng)新思維工程教育新模式如圖1所示，虛實(shí)結(jié)合的創(chuàng)新思維工程教育新模式的主體是學(xué)生和教師，教學(xué)環(huán)境是課內(nèi)和課外，教學(xué)內(nèi)容是抽象的理論與具體的實(shí)踐。學(xué)生的主要活動(dòng)是課內(nèi)學(xué)習(xí)創(chuàng)新理論，課外進(jìn)行機(jī)器人動(dòng)手實(shí)踐，且提出所遇到的問題，與老師進(jìn)行交流溝通。教師的主要活動(dòng)是在課內(nèi)講授抽象的系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的理論與方法，就學(xué)生提出問題進(jìn)行答疑解惑，課外輔導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行機(jī)器人創(chuàng)客實(shí)踐活動(dòng)。

圖1 虛實(shí)結(jié)合的創(chuàng)新思維工程教育新模式

依據(jù)上述的虛實(shí)結(jié)合的創(chuàng)新思維工程教育新模式，開設(shè)了面向本校所有學(xué)科專業(yè)的“創(chuàng)新思維和機(jī)器人創(chuàng)客實(shí)踐”通識(shí)課程，講授系統(tǒng)化創(chuàng)新思維的理論、方法和工具，培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法和創(chuàng)新思維；以機(jī)器人設(shè)計(jì)和制作過程為實(shí)踐教學(xué)對(duì)象和內(nèi)容，提高學(xué)生的實(shí)踐能力。

（一） 啟發(fā)創(chuàng)新思維

授課老師為學(xué)生講授系統(tǒng)化創(chuàng)新思維的理論、方法和工具，培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法和創(chuàng)新思維，為學(xué)生提供創(chuàng)新設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)。學(xué)生應(yīng)用所學(xué)習(xí)的工程創(chuàng)新的系統(tǒng)方法、破壞性創(chuàng)新方法、發(fā)明問題解決TRIZ創(chuàng)新方法，針對(duì)機(jī)器人實(shí)踐對(duì)象進(jìn)行需求分析，功能分解，概念設(shè)計(jì)，同時(shí)展開結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和分析。

如圖2所示，教師一方面講授相關(guān)創(chuàng)新方法，另一方面引導(dǎo)學(xué)生對(duì)機(jī)器人實(shí)踐對(duì)象進(jìn)行分析。學(xué)生一方面要學(xué)習(xí)創(chuàng)新思維方法，另一方面需要對(duì)機(jī)器人實(shí)踐對(duì)象進(jìn)行分析，產(chǎn)生的問題及時(shí)向老師反饋并得到解答。

圖2 啟發(fā)創(chuàng)新思維

（二） 學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐

教師考慮時(shí)間、難度、成本以及學(xué)生的接受程度，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)化的對(duì)象驅(qū)動(dòng)的動(dòng)手實(shí)踐方案。實(shí)踐內(nèi)容包括基于Arduino控制器的機(jī)器人創(chuàng)客系統(tǒng)實(shí)踐和3D打印軟件和實(shí)踐，以及針對(duì)四類實(shí)踐對(duì)象的課程實(shí)踐。

如圖3所示，實(shí)踐1為助殘助力上肢假肢/外骨骼創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)踐（全部專業(yè)）；實(shí)踐2為助殘助力下肢假肢/外骨骼創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)踐（全部專業(yè)）；實(shí)踐3為仿生跳躍機(jī)器人創(chuàng)新實(shí)踐輔導(dǎo)（工科）；實(shí)踐4為爬壁/繩/纜/桿機(jī)器人創(chuàng)新實(shí)踐輔導(dǎo)（工科）。其中機(jī)器人創(chuàng)客實(shí)踐1,2適合全部專業(yè)學(xué)生實(shí)踐，3,4適合工科學(xué)生實(shí)踐，老師進(jìn)行針對(duì)性實(shí)踐輔導(dǎo)。

圖3 學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐

學(xué)生學(xué)習(xí)如何選擇材料，運(yùn)用工具，3D打印及裝配制作出機(jī)器人原型，如何使用控制平臺(tái)實(shí)現(xiàn)機(jī)電控制，讓原型完成既定功能和動(dòng)作。

（三） 創(chuàng)業(yè)拓展

為拓展課程的內(nèi)容，讓學(xué)生接觸目前創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)活動(dòng)的熱潮，課程專門設(shè)置請(qǐng)進(jìn)來與走出去的教學(xué)內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)業(yè)拓展。

請(qǐng)進(jìn)來包括邀請(qǐng)創(chuàng)客空間，企業(yè)導(dǎo)師來到課堂分享企業(yè)在創(chuàng)新思維和機(jī)器人實(shí)踐方面的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，以機(jī)器人產(chǎn)業(yè)高新技術(shù)公司案例，如硅谷和中關(guān)村等，介紹機(jī)器人創(chuàng)新和創(chuàng)業(yè)。鼓勵(lì)學(xué)生學(xué)以致用，應(yīng)用學(xué)習(xí)的工程創(chuàng)新方案的評(píng)價(jià)方法，工程創(chuàng)新使能技術(shù)，和企業(yè)導(dǎo)師一起探討如何針對(duì)進(jìn)行高新技術(shù)創(chuàng)業(yè)，撰寫創(chuàng)業(yè)商業(yè)計(jì)劃書并進(jìn)行評(píng)估。

走出去包括組織學(xué)生到知名創(chuàng)客空間進(jìn)行機(jī)器人創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)討論交流，并鼓勵(lì)參加機(jī)器人創(chuàng)客優(yōu)秀項(xiàng)目路演，參加國(guó)際創(chuàng)客節(jié)、全國(guó)雙創(chuàng)周、絲綢之路機(jī)器人創(chuàng)意大賽等活動(dòng)的項(xiàng)目路演和創(chuàng)業(yè)拓展。

三 課程實(shí)踐結(jié)果與分析

虛實(shí)結(jié)合的創(chuàng)新思維工程教育新模式以系統(tǒng)創(chuàng)新思維的課堂教育和機(jī)器人創(chuàng)客交叉創(chuàng)新實(shí)踐教育相結(jié)合為課程特色，培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)創(chuàng)新觀念，指導(dǎo)學(xué)生采用創(chuàng)新理論和創(chuàng)新工具等整體方法體系來分析和解決實(shí)際問題。

（一） 課程情況與場(chǎng)景展示

本次課程共140名學(xué)生參加，其中男生124名，女生16名。學(xué)生的年級(jí)分布情況如表1所示，其中大一年級(jí)的學(xué)生最多，總計(jì)121人，占比86.43%。

表1 學(xué)生年級(jí)分布情況

學(xué)生的專業(yè)涵蓋理、工、文等學(xué)科，具體的專業(yè)類別分布情況如表2所示。從表中可以看出，學(xué)生主要來自于理、工科學(xué)生，其中工科學(xué)生最多，占比79.29%。

表2 學(xué)生專業(yè)分布情況

所有學(xué)生分成12個(gè)小組，每個(gè)團(tuán)隊(duì)里都含有不同年級(jí)、不同專業(yè)的學(xué)生，便于后期同學(xué)之間的相互協(xié)作。各個(gè)小組的情況如表3所示。

表3 實(shí)踐分組情況

如圖4所示，（a）為系統(tǒng)創(chuàng)新思維課程講解，（b）為學(xué)生展示設(shè)計(jì)的三維模型，（c）為學(xué)生制作的機(jī)器人實(shí)物。

圖4 課程相關(guān)圖片

（二） 課程調(diào)查與分析

虛實(shí)結(jié)合的創(chuàng)新思維工程教育新模式目的是為了提高學(xué)生的創(chuàng)新思維能力和機(jī)器人實(shí)踐能力。為了評(píng)估該工程教育新模式的效果，對(duì)所有參加本課程的140名學(xué)生進(jìn)行了匿名問卷調(diào)查。

評(píng)價(jià)一：學(xué)生評(píng)價(jià)課程

學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容的前瞻性以及教師課堂案例的啟發(fā)性進(jìn)行打分。滿分為10分，分值越高則表示課程內(nèi)用越具有前沿性以及課堂案例越具有啟發(fā)性。

課程內(nèi)容的前瞻性打分結(jié)果如圖5所示，6分以上的人數(shù)占總?cè)藬?shù)的比例為96.43%，整體的平均得分為8.91分，表明學(xué)生認(rèn)為本課程內(nèi)容具有良好的前瞻性。

圖5 課程內(nèi)容的前瞻性

教師課堂案例的啟發(fā)性打分結(jié)果如圖6所示，6分以上的人數(shù)占總?cè)藬?shù)的比例為99.29%，整體的平均得分為8.82分，表明學(xué)生認(rèn)為教師課堂案例具有很強(qiáng)的啟發(fā)性。

圖6 教師課堂案例的啟發(fā)性

評(píng)價(jià)二：學(xué)生能力自評(píng)

學(xué)生對(duì)機(jī)器人實(shí)踐過程中自己所提高的技能進(jìn)行多選，結(jié)果如表4所示，47.14%的學(xué)生認(rèn)為自己的CAD三維設(shè)計(jì)能力得到了提升，其次是29.29%的學(xué)生認(rèn)為自己的Arduino控制和3D打印能力得到了提高。

表4 實(shí)踐技能調(diào)查

評(píng)價(jià)三：綜合能力自評(píng)

學(xué)生對(duì)整個(gè)課程中的創(chuàng)新思維能力、動(dòng)手實(shí)踐能力以及協(xié)作溝通能力等進(jìn)行了多項(xiàng)選擇。結(jié)果如表5所示，92.14%的學(xué)生認(rèn)為自己的創(chuàng)新思維能力得到提高，90.71%的學(xué)生認(rèn)為自己的實(shí)踐能力得到提升，表明提出的創(chuàng)新思維工程教育模式能夠激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維，同時(shí)提升學(xué)生的機(jī)器人實(shí)踐能力。

表5 綜合能力調(diào)查

四 結(jié)語

針對(duì)以往創(chuàng)新思維工程教育偏重于知識(shí)傳授，學(xué)生實(shí)踐能力培養(yǎng)較弱的問題，本文提出虛實(shí)結(jié)合的創(chuàng)新思維工程教育新模式，通過開設(shè)面向所有專業(yè)學(xué)生的通識(shí)課程，講授系統(tǒng)化創(chuàng)新思維的理論、方法和工具，培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法和創(chuàng)新思維；以機(jī)器人設(shè)計(jì)和制作過程為實(shí)踐教學(xué)對(duì)象和內(nèi)容。

通過問卷調(diào)查對(duì)課程效果進(jìn)行評(píng)估，結(jié)果顯示，92.14%的學(xué)生認(rèn)為自己的創(chuàng)新思維能力得到提高，90.71%的學(xué)生認(rèn)為自己的實(shí)踐能力得到提升，表明提出的創(chuàng)新思維工程教育模式能夠激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維，同時(shí)提升學(xué)生的機(jī)器人實(shí)踐能力。