摘要：本文深入分析了傳統(tǒng)教育模式在機(jī)器人技術(shù)教育領(lǐng)域的局限，提出了一套基于CDIO工程教育理念的課程體系設(shè)計(jì)、教學(xué)方法與評估機(jī)制。實(shí)踐證明，基于CDIO的機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計(jì)課程能夠顯著提升學(xué)生的創(chuàng)新思維、實(shí)踐能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作及系統(tǒng)運(yùn)作能力，為培養(yǎng)適應(yīng)未來需求的工程師提供了有力支持。關(guān)鍵詞：機(jī)器人；創(chuàng)新設(shè)計(jì)；工程教育；CDIO理念在當(dāng)前的教育體系中，機(jī)器人課程的教學(xué)模式相對單一，并沒有突破傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)方式。學(xué)生在這種模式下接收到的知識往往是表層的，學(xué)生缺乏深入理解和實(shí)際應(yīng)用的能力，當(dāng)面對真實(shí)世界中的復(fù)雜挑戰(zhàn)時(shí)，常常感到力不從心，難以將所學(xué)理論有效地轉(zhuǎn)化為解決實(shí)際問題的能力。因此，為了培養(yǎng)能夠適應(yīng)未來社會(huì)需求的人才，必須對現(xiàn)有的機(jī)器人課程教學(xué)模式進(jìn)行深刻的反思并加以改革。隨著我國產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)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(xué)院等高校提出的工程教育理念，以其構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計(jì)（Design）、實(shí)現(xiàn)（Implement）和運(yùn)作（Operate）的完整工程周期為核心，強(qiáng)調(diào)通過真實(shí)或模擬的工程項(xiàng)目，讓學(xué)生成為項(xiàng)目的主角和問題的解決者[1]，在實(shí)踐中學(xué)習(xí)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(tǒng)機(jī)器人課程教學(xué)方式改革奠定了理論基礎(chǔ)，注入了新的活力。針對傳統(tǒng)機(jī)器人課程普遍存在的理論與實(shí)踐脫節(jié)、創(chuàng)新能力不足等問題，本文深入探索并實(shí)踐了基于CDIO工程教育模式的創(chuàng)新課程設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)緊密圍繞構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、運(yùn)作四大核心環(huán)節(jié)，通過精心策劃的案例項(xiàng)目，引導(dǎo)學(xué)生全程參與機(jī)器人工程項(xiàng)目從研究開發(fā)到運(yùn)營管理的全過程。此教學(xué)模式旨在促進(jìn)學(xué)生主動(dòng)實(shí)踐，同時(shí)強(qiáng)化課程間的內(nèi)在聯(lián)系，從而顯著提升學(xué)習(xí)的創(chuàng)新性、實(shí)用性和可持續(xù)性。下面，筆者從課程目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、課程實(shí)施及教學(xué)效果評估這四個(gè)方面，對基于CDIO工程教育模式的機(jī)器人課程創(chuàng)新設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)闡述。課程目標(biāo)的設(shè)定“機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計(jì)”課程的目標(biāo)體系設(shè)計(jì)緊密圍繞CDIO工程教育理念的“愿景”與“大綱”進(jìn)行構(gòu)建，同時(shí)融入了對學(xué)?，F(xiàn)狀及高中學(xué)情的考量，是對CDIO工程教育理念的特定化應(yīng)用。CDIO的“愿景”就是通過工程產(chǎn)品全生命周期的沉浸式體驗(yàn)——從構(gòu)思到設(shè)計(jì)，再到實(shí)施與運(yùn)行，為學(xué)生鋪設(shè)一條通往實(shí)踐型工程能力的道路。[2]而“機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計(jì)”課程正是這一愿景的生動(dòng)實(shí)踐，課程對CDIO“大綱”中的四大教育目標(biāo)維度（技術(shù)知識與推理能力、專業(yè)技能與職業(yè)態(tài)度、團(tuán)隊(duì)合作與溝通能力、在企業(yè)和社會(huì)背景下的綜合應(yīng)用能力）進(jìn)行了解讀，還針對高中生的認(rèn)知水平與成長需求進(jìn)行了目標(biāo)取舍與優(yōu)化設(shè)計(jì)，形成了三個(gè)維度的課程培養(yǎng)方向。首先，課程聚焦于“技術(shù)知識與學(xué)習(xí)能力”的培育，這是結(jié)合高中生認(rèn)知特點(diǎn)，對CDIO“大綱”中“技術(shù)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(tǒng)化的知識傳授與項(xiàng)目實(shí)踐，學(xué)生不僅能夠扎實(shí)掌握機(jī)器人設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)知識與核心技術(shù)，還能在解決問題的過程中，自主學(xué)習(xí)、主動(dòng)探索，形成持續(xù)學(xué)習(xí)的能力。其次，課程強(qiáng)調(diào)“構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)施和運(yùn)行的能力”的綜合培養(yǎng)，這不僅是對高中學(xué)段“企業(yè)和社會(huì)背景下的綜合應(yīng)用能力”的轉(zhuǎn)化與落實(shí)，更是CDIO工程教育理念在機(jī)器人課程中的具體體現(xiàn)。學(xué)生將親身經(jīng)歷從創(chuàng)意萌芽到產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)的完整過程，通過真實(shí)項(xiàng)目的構(gòu)思、設(shè)計(jì)、搭建、調(diào)試與運(yùn)行，不僅鍛煉了工程實(shí)踐能力，還深刻理解了真實(shí)工程項(xiàng)目的復(fù)雜性與系統(tǒng)性。最后，課程高度重視“團(tuán)隊(duì)合作能力與態(tài)度”的塑造，這是對CDIO“大綱”中“團(tuán)隊(duì)合作與溝通能力”的深化與拓展。在跨學(xué)科、跨年級的團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目中，學(xué)生需要學(xué)會(huì)協(xié)作、溝通與領(lǐng)導(dǎo)，共同面對挑戰(zhàn)、解決問題。這一過程不僅增強(qiáng)了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)意識，還培養(yǎng)了他們的責(zé)任感、耐心與毅力，為未來的職業(yè)生涯奠定了堅(jiān)實(shí)的軟技能基礎(chǔ)。針對這三個(gè)維度，最終形成了如下課程目標(biāo)：技術(shù)知識與學(xué)習(xí)能力維度：①親自拆解和重組機(jī)器人，掌握機(jī)器人的基本構(gòu)成，并明確辨識出機(jī)器人系統(tǒng)中的感知、控制和驅(qū)動(dòng)等關(guān)鍵功能模塊；②熟練掌握VJC編程語言及其調(diào)試環(huán)境，獨(dú)立編寫和調(diào)試智能任務(wù)程序。構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)施和運(yùn)行的能力維度：①從學(xué)習(xí)生活中尋找真實(shí)存在的需解決的問題，進(jìn)行方案構(gòu)思、創(chuàng)新設(shè)計(jì)；②根據(jù)項(xiàng)目的具體需求，學(xué)習(xí)運(yùn)用各類加工工具，親手制作機(jī)器人的結(jié)構(gòu)部件，能選擇合適的傳感器，并進(jìn)行安裝與調(diào)試，形成工程產(chǎn)品；③對工程產(chǎn)品進(jìn)行測試、運(yùn)行、優(yōu)化。團(tuán)隊(duì)合作能力與態(tài)度維度：①能展現(xiàn)出參與熱情、領(lǐng)導(dǎo)才能以及對項(xiàng)目成果的貢獻(xiàn)程度；②具有溝通技巧和應(yīng)對變化的能力；③具有對項(xiàng)目產(chǎn)品的責(zé)任感。教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)1.課程前段培養(yǎng)方向：知識建構(gòu)與技能打磨①實(shí)物拆解與重構(gòu)學(xué)習(xí)。引入往屆機(jī)器人作品的實(shí)物拆解環(huán)節(jié)，鼓勵(lì)學(xué)生化身“機(jī)器人考古學(xué)家”，在親手拆解與重組的過程中，觀察機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，并深入分析其設(shè)計(jì)邏輯與動(dòng)作協(xié)同機(jī)制。同時(shí)，此過程輔以小組討論，促進(jìn)學(xué)生間的思維碰撞，共同提煉出機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵要素與優(yōu)化策略。②傳感器探索與應(yīng)用。在講解紅外、灰度等典型傳感器的基礎(chǔ)上，設(shè)置“傳感器探索挑戰(zhàn)賽”，鼓勵(lì)學(xué)生自主探究未知傳感器的特性與應(yīng)用場景。通過動(dòng)手實(shí)驗(yàn)、數(shù)據(jù)記錄與分析，讓學(xué)生掌握傳感器的測試與使用方法，學(xué)會(huì)如何根據(jù)實(shí)際需求選擇合適的傳感器，實(shí)現(xiàn)知識的遷移與創(chuàng)新。③控制策略從模仿到創(chuàng)新。以基礎(chǔ)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)程序?yàn)槔?，?gòu)建一條從模仿、修改到創(chuàng)新的學(xué)習(xí)路徑。初期，學(xué)生跟隨教師逐步理解程序邏輯；隨后，鼓勵(lì)學(xué)生根據(jù)自身創(chuàng)意修改程序，體驗(yàn)創(chuàng)新的樂趣；最后，引導(dǎo)學(xué)生獨(dú)立設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)全新的控制策略，全面鍛煉其計(jì)算機(jī)編程與路徑規(guī)劃能力。此過程強(qiáng)調(diào)“做中學(xué)”，讓學(xué)生在實(shí)踐中深化理解，實(shí)現(xiàn)知識的有效建構(gòu)。2.課程后段培養(yǎng)方向：創(chuàng)新實(shí)踐與社會(huì)責(zé)任①真實(shí)問題導(dǎo)向的創(chuàng)意設(shè)計(jì)。鼓勵(lì)學(xué)生走出課堂，深入生活，尋找并確定一個(gè)具有現(xiàn)實(shí)意義和社會(huì)價(jià)值的問題作為設(shè)計(jì)課題。這一過程旨在培養(yǎng)學(xué)生的觀察力、同理心和社會(huì)責(zé)任感，讓他們意識到技術(shù)服務(wù)于人的重要性。②機(jī)器人創(chuàng)意設(shè)計(jì)與物化。圍繞選定的問題，學(xué)生綜合運(yùn)用前半段所學(xué)知識，進(jìn)行機(jī)器人創(chuàng)意設(shè)計(jì)。從概念構(gòu)思、方案論證到物化實(shí)現(xiàn)，每一步學(xué)生都要團(tuán)隊(duì)協(xié)作、集思廣益。通過迭代優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，學(xué)生不僅能夠掌握機(jī)器人制作的全過程，還能深刻體驗(yàn)從創(chuàng)意到產(chǎn)品的轉(zhuǎn)變，培養(yǎng)了創(chuàng)新思維與動(dòng)手能力。③展示分享與社會(huì)責(zé)任培養(yǎng)。在完成作品后，組織展示交流會(huì)，讓學(xué)生分享自己的設(shè)計(jì)理念、制作過程及成果應(yīng)用。此環(huán)節(jié)不僅能夠鍛煉學(xué)生的表達(dá)與溝通能力，還能促進(jìn)知識與經(jīng)驗(yàn)的共享。同時(shí)，鼓勵(lì)學(xué)生思考并討論作品可能帶來的社會(huì)影響，引導(dǎo)他們成為有責(zé)任感的技術(shù)創(chuàng)新者，為社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展貢獻(xiàn)自己的力量。課程的組織與實(shí)施本課程以機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計(jì)選修班學(xué)生的實(shí)際操作過程為研究焦點(diǎn)，將學(xué)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(jù)課程框架，整個(gè)學(xué)習(xí)過程被細(xì)分為四個(gè)主要的教學(xué)階段：構(gòu)思階段、設(shè)計(jì)階段、實(shí)施階段以及運(yùn)行階段。1.構(gòu)思（Conceive）在這個(gè)階段，教師結(jié)合學(xué)生已學(xué)的機(jī)器人知識和當(dāng)前社會(huì)問題，尋找一個(gè)真實(shí)存在的問題。接著，學(xué)生自發(fā)組成多個(gè)小組，并在小組內(nèi)進(jìn)行頭腦風(fēng)暴和深入討論，從創(chuàng)新性、可行性等多個(gè)角度出發(fā)，提出各自的設(shè)計(jì)方案。通過充分的討論和交流，最終確定一個(gè)最可行的方案作為整個(gè)團(tuán)隊(duì)的設(shè)計(jì)創(chuàng)意。2.設(shè)計(jì)（Design）在第一階段確定了最佳的設(shè)計(jì)方案后，學(xué)生開始借助手繪或電腦繪圖來表達(dá)自己的構(gòu)思方案。教師對每個(gè)項(xiàng)目小組的方案進(jìn)行督促，并對其進(jìn)行可行性分析。這一階段的目標(biāo)是將抽象的創(chuàng)意轉(zhuǎn)化為具體的可視化設(shè)計(jì)，為后續(xù)的實(shí)施階段打下基礎(chǔ)。3.實(shí)施（Implement）在實(shí)施階段，指導(dǎo)教師向?qū)W生講解機(jī)器人設(shè)計(jì)中的結(jié)構(gòu)件使用要點(diǎn)以及編程軟件的使用方法。學(xué)生以小組為單位，綜合考慮制作時(shí)間和運(yùn)行成功率等因素，討論選用合適的硬件及程序算法。在實(shí)施過程中，指導(dǎo)教師將對每個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行針對性的指導(dǎo)，確保學(xué)生能夠順利完成設(shè)計(jì)任務(wù)。4.運(yùn)作（Operate）在最終階段，每個(gè)小組向其他同學(xué)和教師介紹各自作品的創(chuàng)新點(diǎn)，并進(jìn)行實(shí)際演示。同時(shí)，其他小組的成員和教師對作品進(jìn)行評分，評估標(biāo)準(zhǔn)包括作品的完整性以及學(xué)生在整個(gè)項(xiàng)目過程中的參與度等多個(gè)方面。經(jīng)過這四個(gè)教學(xué)階段的深入學(xué)習(xí)與實(shí)踐，學(xué)生們將在機(jī)器人設(shè)計(jì)領(lǐng)域積累寶貴的實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)，不僅能夠激發(fā)創(chuàng)新思維，還能顯著提升團(tuán)隊(duì)合作能力。教學(xué)效果的評估基于CDIO工程教育理念的機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計(jì)課程取得了顯著的教學(xué)效果：①提升了學(xué)生的創(chuàng)新思維。學(xué)