基于CDIO理念的“機器人創(chuàng)新設計”課程的開發(fā)與實施

摘要：本文深入分析了傳統教育模式在機器人技術教育領域的局限，提出了一套基于CDIO工程教育理念的課程體系設計、教學方法與評估機制。實踐證明，基于CDIO的機器人創(chuàng)新設計課程能夠顯著提升學生的創(chuàng)新思維、實踐能力、團隊協作及系統運作能力，為培養(yǎng)適應未來需求的工程師提供了有力支持。關鍵詞：機器人；創(chuàng)新設計；工程教育；CDIO理念在當前的教育體系中，機器人課程的教學模式相對單一，并沒有突破傳統的學習方式。學生在這種模式下接收到的知識往往是表層的，學生缺乏深入理解和實際應用的能力，當面對真實世界中的復雜挑戰(zhàn)時，常常感到力不從心，難以將所學理論有效地轉化為解決實際問題的能力。因此，為了培養(yǎng)能夠適應未來社會需求的人才，必須對現有的機器人課程教學模式進行深刻的反思并加以改革。隨著我國產業(yè)轉型與變革的加速，工程教育已成為教育創(chuàng)新的前沿陣地。而“CDIO”這一由麻省理工學院等高校提出的工程教育理念，以其構思（Conceive）、設計（Design）、實現（Implement）和運作（Operate）的完整工程周期為核心，強調通過真實或模擬的工程項目，讓學生成為項目的主角和問題的解決者[1]，在實踐中學習理論知識，培養(yǎng)工程素養(yǎng)和創(chuàng)新能力。CDIO工程教育理念的提出，為傳統機器人課程教學方式改革奠定了理論基礎，注入了新的活力。針對傳統機器人課程普遍存在的理論與實踐脫節(jié)、創(chuàng)新能力不足等問題，本文深入探索并實踐了基于CDIO工程教育模式的創(chuàng)新課程設計。該設計緊密圍繞構思、設計、實現、運作四大核心環(huán)節(jié)，通過精心策劃的案例項目，引導學生全程參與機器人工程項目從研究開發(fā)到運營管理的全過程。此教學模式旨在促進學生主動實踐，同時強化課程間的內在聯系，從而顯著提升學習的創(chuàng)新性、實用性和可持續(xù)性。下面，筆者從課程目標、教學內容、課程實施及教學效果評估這四個方面，對基于CDIO工程教育模式的機器人課程創(chuàng)新設計進行詳細闡述。課程目標的設定“機器人創(chuàng)新設計”課程的目標體系設計緊密圍繞CDIO工程教育理念的“愿景”與“大綱”進行構建，同時融入了對學?，F狀及高中學情的考量，是對CDIO工程教育理念的特定化應用。CDIO的“愿景”就是通過工程產品全生命周期的沉浸式體驗——從構思到設計，再到實施與運行，為學生鋪設一條通往實踐型工程能力的道路。[2]而“機器人創(chuàng)新設計”課程正是這一愿景的生動實踐，課程對CDIO“大綱”中的四大教育目標維度（技術知識與推理能力、專業(yè)技能與職業(yè)態(tài)度、團隊合作與溝通能力、在企業(yè)和社會背景下的綜合應用能力）進行了解讀，還針對高中生的認知水平與成長需求進行了目標取舍與優(yōu)化設計，形成了三個維度的課程培養(yǎng)方向。首先，課程聚焦于“技術知識與學習能力”的培育，這是結合高中生認知特點，對CDIO“大綱”中“技術知識與推理能力”以及“專業(yè)技能與職業(yè)態(tài)度”的綜合、延伸。通過系統化的知識傳授與項目實踐，學生不僅能夠扎實掌握機器人設計的基礎知識與核心技術，還能在解決問題的過程中，自主學習、主動探索，形成持續(xù)學習的能力。其次，課程強調“構思、設計、實施和運行的能力”的綜合培養(yǎng)，這不僅是對高中學段“企業(yè)和社會背景下的綜合應用能力”的轉化與落實，更是CDIO工程教育理念在機器人課程中的具體體現。學生將親身經歷從創(chuàng)意萌芽到產品實現的完整過程，通過真實項目的構思、設計、搭建、調試與運行，不僅鍛煉了工程實踐能力，還深刻理解了真實工程項目的復雜性與系統性。最后，課程高度重視“團隊合作能力與態(tài)度”的塑造，這是對CDIO“大綱”中“團隊合作與溝通能力”的深化與拓展。在跨學科、跨年級的團隊項目中，學生需要學會協作、溝通與領導，共同面對挑戰(zhàn)、解決問題。這一過程不僅增強了學生的團隊意識，還培養(yǎng)了他們的責任感、耐心與毅力，為未來的職業(yè)生涯奠定了堅實的軟技能基礎。針對這三個維度，最終形成了如下課程目標：技術知識與學習能力維度：①親自拆解和重組機器人，掌握機器人的基本構成，并明確辨識出機器人系統中的感知、控制和驅動等關鍵功能模塊；②熟練掌握VJC編程語言及其調試環(huán)境，獨立編寫和調試智能任務程序。構思、設計、實施和運行的能力維度：①從學習生活中尋找真實存在的需解決的問題，進行方案構思、創(chuàng)新設計；②根據項目的具體需求，學習運用各類加工工具，親手制作機器人的結構部件，能選擇合適的傳感器，并進行安裝與調試，形成工程產品；③對工程產品進行測試、運行、優(yōu)化。團隊合作能力與態(tài)度維度：①能展現出參與熱情、領導才能以及對項目成果的貢獻程度；②具有溝通技巧和應對變化的能力；③具有對項目產品的責任感。教學內容的設計1.課程前段培養(yǎng)方向：知識建構與技能打磨①實物拆解與重構學習。引入往屆機器人作品的實物拆解環(huán)節(jié)，鼓勵學生化身“機器人考古學家”，在親手拆解與重組的過程中，觀察機器人的機械結構細節(jié)，并深入分析其設計邏輯與動作協同機制。同時，此過程輔以小組討論，促進學生間的思維碰撞，共同提煉出機器人機械結構設計的關鍵要素與優(yōu)化策略。②傳感器探索與應用。在講解紅外、灰度等典型傳感器的基礎上，設置“傳感器探索挑戰(zhàn)賽”，鼓勵學生自主探究未知傳感器的特性與應用場景。通過動手實驗、數據記錄與分析，讓學生掌握傳感器的測試與使用方法，學會如何根據實際需求選擇合適的傳感器，實現知識的遷移與創(chuàng)新。③控制策略從模仿到創(chuàng)新。以基礎機器人運動程序為例，構建一條從模仿、修改到創(chuàng)新的學習路徑。初期，學生跟隨教師逐步理解程序邏輯；隨后，鼓勵學生根據自身創(chuàng)意修改程序，體驗創(chuàng)新的樂趣；最后，引導學生獨立設計并實現全新的控制策略，全面鍛煉其計算機編程與路徑規(guī)劃能力。此過程強調“做中學”，讓學生在實踐中深化理解，實現知識的有效建構。2.課程后段培養(yǎng)方向：創(chuàng)新實踐與社會責任①真實問題導向的創(chuàng)意設計。鼓勵學生走出課堂，深入生活，尋找并確定一個具有現實意義和社會價值的問題作為設計課題。這一過程旨在培養(yǎng)學生的觀察力、同理心和社會責任感，讓他們意識到技術服務于人的重要性。②機器人創(chuàng)意設計與物化。圍繞選定的問題，學生綜合運用前半段所學知識，進行機器人創(chuàng)意設計。從概念構思、方案論證到物化實現，每一步學生都要團隊協作、集思廣益。通過迭代優(yōu)化設計方案，學生不僅能夠掌握機器人制作的全過程，還能深刻體驗從創(chuàng)意到產品的轉變，培養(yǎng)了創(chuàng)新思維與動手能力。③展示分享與社會責任培養(yǎng)。在完成作品后，組織展示交流會，讓學生分享自己的設計理念、制作過程及成果應用。此環(huán)節(jié)不僅能夠鍛煉學生的表達與溝通能力，還能促進知識與經驗的共享。同時，鼓勵學生思考并討論作品可能帶來的社會影響，引導他們成為有責任感的技術創(chuàng)新者，為社會的可持續(xù)發(fā)展貢獻自己的力量。課程的組織與實施本課程以機器人創(chuàng)新設計選修班學生的實際操作過程為研究焦點，將學生劃分成若干小組，每組由兩名成員組成，并由小組成員共同選舉出一名組長。根據課程框架，整個學習過程被細分為四個主要的教學階段：構思階段、設計階段、實施階段以及運行階段。1.構思（Conceive）在這個階段，教師結合學生已學的機器人知識和當前社會問題，尋找一個真實存在的問題。接著，學生自發(fā)組成多個小組，并在小組內進行頭腦風暴和深入討論，從創(chuàng)新性、可行性等多個角度出發(fā)，提出各自的設計方案。通過充分的討論和交流，最終確定一個最可行的方案作為整個團隊的設計創(chuàng)意。2.設計（Design）在第一階段確定了最佳的設計方案后，學生開始借助手繪或電腦繪圖來表達自己的構思方案。教師對每個項目小組的方案進行督促，并對其進行可行性分析。這一階段的目標是將抽象的創(chuàng)意轉化為具體的可視化設計，為后續(xù)的實施階段打下基礎。3.實施（Implement）在實施階段，指導教師向學生講解機器人設計中的結構件使用要點以及編程軟件的使用方法。學生以小組為單位，綜合考慮制作時間和運行成功率等因素，討論選用合適的硬件及程序算法。在實施過程中，指導教師將對每個項目進行針對性的指導，確保學生能夠順利完成設計任務。4.運作（Operate）在最終階段，每個小組向其他同學和教師介紹各自作品的創(chuàng)新點，并進行實際演示。同時，其他小組的成員和教師對作品進行評分，評估標準包括作品的完整性以及學生在整個項目過程中的參與度等多個方面。經過這四個教學階段的深入學習與實踐，學生們將在機器人設計領域積累寶貴的實戰(zhàn)經驗，不僅能夠激發(fā)創(chuàng)新思維，還能顯著提升團隊合作能力。教學效果的評估基于CDIO工程教育理念的機器人創(chuàng)新設計課程取得了顯著的教學效果：①提升了學生的創(chuàng)新思維。學