基于CDIO教育理念的机器人工程专业人才培养模式探索
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作者:涂细凯 李佳璐 王一举
摘 要 机器人工程专业是在目前新工科背景下应用而生的新型应用型专业，从CDIO教育理念的角度，将学生学习的主动性作为出发点，并对机器人工程专业人才需求进行了分析，结合行业需求以及人才需求，对机器人工程专业人才培养模式进行了探究，在掌握基础专业知识的前提下，从项目实践中进一步促进学生自主学习能力、创新能力，激发学生的学习兴趣，从而培养更具有行业竞争力的创新型人才。
关键词 机器人工程 新工科 人才培养 CDIO教育理念
中图分类号：G642 文献标识码：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2020.02.012
Exploration on the Training Mode of Robot Engineering Professionals
Based on CDIO Education Concept
TU Xikai[1]， LI Jialu[2]， WANG Yiju[1]
（[1]School of Mechanical Engineering， Hubei University of Technology， Wuhan， Hubei 430068;
[2]School of Industrial Design， Hubei University of Technology， Wuhan， Hubei 430068）
Abstract The robot engineering major is a new application-oriented specialty developed under the background of new engineering. From the perspective of CDIO education concept， the initiative of student learning is taken as the starting point， and the needs of robot engineering professionals are analyzed， combined with industry needs and Talent demand， explore the training mode of robot engineering professionals. Under the premise of mastering basic professional knowledge， further promote students' independent learning ability and innovation ability from project practice， and stimulate students' interest in learning， so as to cultivate more competitive industries. Innovative talent.
Keywords robot engineering; new engineering; talent cultivation; CDIO Education Concept
0 概述
机器人工程专业是在新工科的背景下兴起的一个多学科交叉融合的新专业。它是在机械工程、控制科学与工程、电子信息与电气工程、计算机科学等学科的基础上建立起来的，同时与国家建设需求、国际发展趋势和未来挑战相互交叉共融发展。[1]响应国家发展趋势以及行业人才需求，湖北工业大学机械工程学院与2018年成立机器人工程系，机器人工程专业包括工业机械臂、外骨骼机器人、智能小车以及无人飞行器，形成了完整的外形结构设计、电子电路设计、嵌入式开发、控制系统研发教学平台，学校有多功能教学平台，可进行工业/服务机器人的结构设计、智能控制理论及控制系统开发与应用、云平台与云控制的设计开发、嵌入式与软件设计开发、机器视觉设计与处理以及机器人运动学/动力学分析的教学活动。
CDIO是经过多年的国际工程教育改革的最新成果展示。CDIO缩写的含义分别是：构思（Conceive）、设计（Design）、实现（Implement）和运作（Operate），其最显著的优势是提出了便于實际操作的12条标准，其中包括了能力培养、全面实施和检验测评等方面。[2]以学生为中心，为了激发学生学习的积极性和主动性，以项目为载体，通过项目实践，与基础专业课程有机的结合。CDIO培养大纲从工程基础知识、个人能力、人际团队能力和工程系统能力四个层面来衡量工程毕业生的能力，这种对工程专业人才能力的划分同样适用于机器人工程专业人才的培养模式，因此基于CDIO教育理念的新人才培养模式探索有助于加快我院机器人工程专业人才培养的建设。
1 机器人工程专业人才需求分析
机器人作为一个复杂的工程系统，需要综合运用多学科交叉知识和技术，包括机械、电子、控制和通信等基础理论知识和技能，涉及合理的机械结构、灵敏的感知认知、准确的动作控制以及和谐的人机交互等。
（1）国家建设需求。中国目前已经是机械工程制造大国，但与欧美、日韩等国家相比仍存在一定差距，接下来会向高技术，智能化的制造强国迈进，需要更加精密的加工技术手段以及高素质复合应用型人才，工业机器人、人工智能也是今后的发展趋势。 （2）行业发展需求。到2020年，在信息技术产业、智能装备、无人驾驶和机器人、新材料等专业的人才缺口将会增加，到2025年，高档数控机床和机器人专业人才缺口将达到450万人。教育部发布的《制造业人才发展规划指南》[3]中指出，到2025年高档数控机床和机器人领域所需人才总量将超过900万人，人才缺口将达到约450万人。不论是在智能机器人本体的设计研发及制造、还是在无人驾驶汽车等新兴领域、智能制造业领域从事软硬件等技术开发、产品测试等方面都需要复合型专业技术人才。
2 基于CDIO理念的创新人才培育方案
机器人工程是一门应用实践性较强的专业，以学生为中心，为了激发学生的兴趣和积极性，从基础知识和专业知识能力的培养，再到通过实际项目和比赛对综合实践创新能力的培养，锻炼了学生的自主学习的积极性以及拥有专业的技术知识以及实践能力。
2.1 技术知识和推理能力培养
機器人工程专业作为一门跨学科实践应用较强的新工科专业，从CDIO工程教育理念出发，以学生兴趣为主体，以项目为依托，培养学生的实践应用能力。第一学期首先进行通识教育必须课程的学习，其中包括计算机及网络应用基础、机器人工程导论、C语言程序设计等课程的学习。让学生先对机器人工程专业有大致的理解与认识，并且掌握基础知识有利于日后学习的侧重。第二学期主要进行学科基础课程的学习，如电路基础模拟电子技术基础自动控制原理和机电传动与控制等。第三学期主要学习专业核心课程，如应用机器人学、机器人结构设计和机器人操作系统等。以学生为主体，通过课程中的教学演示，试验演示等教学方法，设置问题引导学生进行积极的思考，使学生对基础知识有更加深入的理解与认识，从而培养学生的创新意识、团队协作能力和自主学习能力等。在教学设施方面学院可以引进高端的设备和软件，可以在计算机上模拟教学，开阔学生视野，培养学生学习兴趣和创新能力。
2.2 综合实践能力的培养
每学期在基础知识学习的基础上，融合基础实践、专业实践、综合实践以及短学期实践课程的学习。从基础实践层层递进逐步培养学生的自学能力，团队协作能力和协调能力。加强学生的实习动手能力，从实际项目出发，从“做中学”，以学生为整个实践课程的主体，老师起引导辅助作用，引导学生独立思考自主学习。对不同学生采用不同的引导式教学，确保不同层次和不同兴趣的学生在各种实践课程中都可以达到最佳的专业技能训练与实际动手操作。充分发挥学生自主学习的积极性。在短学期实践中，以项目和机器人擂台赛为载体，鼓励学生通过小组自由组合的形式，提高学生的沟通交流能力以及团队协作能力，在团队中，学生为主导，从机器人本体机械结构设计，以及软件系统的开发，运用所学的机器人运动学，协同控制系统，单片机接口设计，嵌入式系统等，完成项目目标或比赛目标。并且通过模块化的课程评价以及层级考核，更加全面系统的了解到每个学生对专业知识的掌握情况，以及实际动手操作实践能力的评估，对后期学生自身的发展发向有一定的了解，可以让学生自己更加了解自己的专业基础能力与实践能力，为以后职业规划提供参考。
2.3 个人职业技能和职业道德培养
根据CDIO工程教育理念能力大纲中的个人职业技能和职业道德，机器人工程专业的人才培养需要考虑新工科多学科交叉融合的特点，不仅需要拥有扎实的专业基础，掌握个人职业技能，而且需要有职业道德，正直，负有责任感。
（1）个人职业技能：掌握基础工程理论知识，拥有分析问题解决问题的能力;对项目中出现的问题可以运用所学知识基础解决防范以及方法建议;有较强的系统思维，整体思维，在解决问题时可以确定优先级和焦点，可以平衡整个项目中涉及到不同学科交叉问题和决策;具有创造性思维、批评性思维，有较强的时间管理能力和终身学习的意识，关注科技发展前沿动态，与时俱进，自省个人的知识、技能、态度等。[4]
（2）职业道德：在培养过程中要注重人文精神的熏陶，从机器人产品的设计、实现与运作中体现做人，强调做事和做人相结合，培养具备社会责任感、诚信、正直、专业素养强、创新能力强的专业人才。
3 结束语
在新工科背景下，全国各高校对机器人工程专业人才培养的模式上还在不断的探索与改进。针对我校新办的机器人工程专业的需求以及行业专业人才的需求，从CDIO工程教育模式角度出发，在专业课程和实践课程的教学体系上，通过以学生为主的教育理念，培养学生的技术知识和推理能力，以及综合实践能力。老师起引导作用帮助培养学生的学习兴趣，从实际项目和比赛中培养实践动手能力，创新意识和组织沟通能力，从实践中激发学生的自学能力和学习兴趣。探索能够从事机器人工程相关领域，智能制造业领域软硬件开发、产品测试等工作的高质量，实践能力强，专业知识扎实的多专业融合的复合型应用型人才。
基金项目：湖北工业大学博士启动基金（BSQD2016051）
参考文献
[1] 胡而已，唐超权.机器人工程新工科专业人才培养模式浅析[J].教育教学论坛，2019（32）：259-260.
[2] 薛永兵，赵风琴，刘振民.基于CDIO教育理念的应用型本科大学实践教学体系的构建——为激发大学生创新动力的实践教学研究[J].大学教育，2019（10）：176-179.
[3] http：//www.miit.gov.cn/n1146290/n4388791/c5500114/content.html
[4] 吴文强，朱大昌，江帆，陈从桂，刘镇章.机器人工程专业创新型人才培养方案探索[J].高教学刊，2017（15）：43-45.
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