摘要：为了保障工业和信息化等 15 个部门联合编制的《“十四五”机器人产业发展规划》 对机器人人才培养目标的顺利实施，针 对目前机器人实践项目缺乏顶层设计， 很多院校机器人实践项目的内容、教学理念、方式方法等比较陈旧， 实践评价体系缺乏最 起码的淘汰机制， 机器人实践设备与平台严重滞后岗位需求等现状， 提出了基于 OBE-CDIO 理念的机器人综合实践项目开发。以 大学生工程实践与创新能力大赛中的智能物流搬运机器人赛项为成果导向， 对该赛项需要的能力进行分析， 反向设计机器人综合 实践项目; 以构思(Conceive)、设计(Design)、实施(Implement) 和运作(Operate) 为工程教育模式将每个实践项目分为 C-D- I-0 4 个环节进行实施， 以物料设计项目为案例进行实践。研究结果帮助学生团队取得了很多奖项， 验证了该模式在培养学生的综 合实践能力和创新能力中有着很重要的作用。

　　关键词：OBE; CDIO;机器人; 综合实践项目; 竞赛

　　Development and Practice of Robot Comprehensive Training Project Based on

　　OBE-CDIO Concept

　　Wu Lili1 ，Huang Haiyan1 ，Zhao Guobing2 ，Zhang Wendi1 ，Ning Ziyao1 ，Tang Yi1

　　( 1. Zhejiang Guangsha Vocational and Technical University of Construction, Jinhua, Zhejiang 322100. China;

　　2. Dongyang Rong Media Center, Jinhua, Zhejiang 322100. China)

　　Abstract: In order to ensure the smooth implementation of the "14th Five Year Plan for the Development of the Robot Industry" jointly formulated by 15 departments such as industry and information technology, in response to the current lack of top-level design for robot practice projects, many universities' robot practice projects have outdated content, teaching concepts, methods, and methods, the practice evaluation system also lacks a minimum elimination mechanism, and the serious lag in job requirements for robot practice equipment and platforms, the development of a comprehensive robot practice project based on the OBE-CDIO concept is proposed. Taking the intelligent logistics handling robot competition in the college student engineering practice and innovation ability competition as the result orientation, the required abilities for this competition, are analyzed and the robot comprehensive practice project is reverse designed; using concept, design, implementation, and operation as the engineering education model, each practical project is divided into four stages C-D-I-0 for implementation, and material design projects are used as cases for practice. The results helped the student team to win many awards, which proved that this model plays a significant role of in cultivating students ’comprehensive practical and innovative abilities.

　　Key words: OBE; CDIO; robots; comprehensive practical projects; competition

　　引言

　　机器人被誉为“制造业皇冠顶端的明珠”，其研发、 制造、应用是衡量一个国家科技创新和高端制造业水平 的重要标志。 2021 年 12 月， 工业和信息化等 15 个部门 联合编制的《“十四五”机器人产业发展规划》(以下简 称：《规划》) 中提出，“到 2025 年， 我国成为全球机器 人技术创新策源地、高端制造集聚地和集成应用新高地; 到 2035 年， 我国机器人产业综合实力达到国际领先水 平” [1]。目标的提出让机器人产业更加快速蓬勃发展的 同时， 人才紧缺现象随之更加显现。据据 《中国机器人 产业发展报告(2022 年) 》 显示， 机器人工程技术人员缺口已达 500 万人。机器人作为多学科、多领域交叉融 合技术， 集机械、动力、智能控制、信息技术、数学、 传感器等多学科， 已覆盖餐饮、汽车、医疗、零售、电 子、地产等 140 余个行业领域。对其人才培养上必须要 求采用高效的人才培养模式和有效的途径来培养具有创 新意识和能解决复杂工程问题的具有较强综合实践创新 能力的人才， 而实践教学是完成实践能力和创新能力培 养的重要手段和途径， 也是使得规划目标得以顺利实现 的保障[2-5]。

　　国内外对人才培养模式一直在持续广泛地做大量的 研究。 OBE( Outcome-Based Education) 又称“成果导向 教 育 ”， 是 目 前 国 际 上 被 公 认 的 主 流 教 育 理 念[6-8]; CDIO 是构思(Conceive)、设计(Design)、实施(Imple ‐ ment )和运作(Operate) 的简称， 是国际上最主流的工 程教育模式， 它以产品研发到产品运行的生命周期为载 体， 让学生以主动的、实践的、课程之间有机联系的方 式学习工程技术， 培养学生的工程实践能力和创新能 力[6-11]。目前大量的学者专家将 OBE 与 CDIO 有机融合， 在教学设计中， 采用 OBE 成果导向为理念， 以学生需要 掌握的能力、素质目标反向设计 CDI0 教学项目。在培养 学生的实践创新能力过程中， 既有工程教育理念又有具 体的实践手段， 该模式对于实践性和创新性人才培养具 有很重要的实际应用价值。国内最早的发起者是汕头大 学， 后续引起兄弟院校和工程教育研究界的广泛关注。 燕山大学、广州大学等高校分别在机械类、电气类、化 工类和土木类等专业相继应用， 得到了教育行政部门的 高度认可，彻底改变了中国高等教育的思维模式[7-16]。

　　机器人技术作为新型专业， 目前该教育模式应用的 广度和深度不够， 尤其以大学生“竞赛”成果为导向， 基于 CDIO 模式的实践训练项目的开发少之又少。因此， 本文以“竞赛结果”为导向， 开发与实践基于 OBE- CDIO 模式的机器人综合实践项目。研究结果有着较高的 实际应用价值。

　　1 现状

　　校内机器人实践项目缺乏顶层设计， 目前很多院校 的实践项目主要是课程内的实验课和实训课程， 存在着 明显的零碎和独立性， 前后实践项目也缺乏逻辑关联 性[17]。实践项目不仅停留在基础层面， 而且更有甚者实 践课时的设置纯粹为了凑足人才培养方案中实践比例的 要求，存在着典型的重理论轻实践，理论与实践相脱离。 实践教学内容枯燥、缺乏创新性， 使用的教材、授课计 划、教案等太过陈旧， 实验目的、实验操作步骤、方法、 实验结果等都是提前设置好的， 有的实验报告单也甚至 几年一层不变[18]。学生参加实践训练， 完全是在教师主 导下进行， 学生只知道做而做， 不知道为什么做， 做的 目的是什么， 而都是机械式的完成， 缺乏独立思考和探 究性。然而机器人是多学科、多领域交叉融合的技术， 实践项目没有很好的载体， 学生无法通过实践训练项目 体验真实的机器人工作情境， 实践训练想获取的综合实 践能力和创新能力更无从谈起。

　　实践考核评价体系缺乏最基本的淘汰机制[19] ， 目前 基本院校很少存在实践考核不及格的现象或因为实践考 核不及格不毕业等问题。这些都致使学生对实践缺乏重 视，从而使得实践效果远达不到培养目标的要求。

　　机器人实践教学设备和平台的开发大部门仍为传统 教学仪器设备厂家生产， 设备的配置和技术远低于机器人企业现场实际， 存在着先天不足的现象。目前机器人 实践设备和平台都存在费用高， 设备笨重等现象， 也由 此学校一旦采购了机器人设备，短时期内不会更新换代。 两重恶性循环下， 致使机器人实践教学设备和平台严重 滞后岗位要求[19-20]。

　　2 开发总体思路

　　传统的实践项目开发是基于学科专业知识体系来设 计实践内容， 是一种正向的设计理念。学生通过这些实 践内容掌握的更多的是完整的知识结构和体系， 难以建 构综合的能力体系和创新意识和能力。推动 《规划》 贯 彻实施的保障措施中的健全人才保障体系中提出要支持 举办各类机器人大赛， 支持高校和科研院所培养专业技 术和复合型高端人才。大学生工程实践与创新能力大赛 由教育部高教司主办， 旨在加强学生创新能力和实践能 力培养， 构建面向工程实际、服务社会需求、校企协同 创新的实践育人平台的有效形式。目前该赛已列入 《教 育部评审评估和竞赛清单(2021 年版) 》 的国家级大学 生科技创新竞赛项目， 属教育部 A 类学科竞赛， 是最具 影响力的国家级大学生科技创新竞赛之一。

　　本次项目开发就是以该竞赛为成果目标导向， 以 OBE 理念为指导， 分析该大赛所需的能力， 是一种反向 的设计理念。该赛事目前已经举办九届， 竞赛项目不但 有所更新替换， 同个竞赛项目每一年的竞赛要求和任务 也不一样， 但对这九届赛事进行综合分析和调研， 不难 发现， 该赛事考察学生的创新意识和综合实践能力这点 是不变的。也基于此， 发现该赛事需要学生具备一定的 方案设计、硬件设计、软件设计、系统调试及优化和现 场竞技的能力， 刚好与 CDIO 的教学模式完全吻合。机 器人综合实践项目的开发总体思路如图 1 所示。

　　以第九届浙江省大学生工程实践与创新能力大赛中 的智能物流搬运机器人赛项为例， 它由初赛和决赛组成。 初赛是学生要结合大赛提出的具体任务要求去自行设计 物流搬运机器人完成任务挑战。这就要求学生充分研究任务要求，结合搬运物料的具体实际，设计机械手结构， 结合搬运路径设计可行的运动机构， 再结合搬运物料的 具体要求， 包括任务领取的方式、物料、仓位等的颜色 识别、摆放精准度要求等， 设计检测模块、电源模块、 视觉模块、主控制器等的硬件设计并绘制硬件电路图， 结合任务要求选定适合的控制算法并完成程序设计。实 施阶段按照设计的硬件电路图完成元器件的采购、组装， 进行分步调试、联合调试， 结合任务和实际调试情况逐 一进行优化、完善， 最终在比赛现场结合现场实际情况 在规定的时间内完成任务挑战。在该赛项的准备期， 不 仅要完成初赛任务的挑战， 也要基于初赛为起点， 自行 设计一套决赛方案于初赛前提交。该方案设计需要学生 自己创设一个机器人应用情境， 根据自己创设的应用情 境去进行需求、任务分析， 提出总体功能要求， 撰写一 份完整的方案设计文稿，作为决赛的成绩之一。

　　选手进入决赛， 会进入封闭社区， 在规定的时间内 完成决赛任务。如结合决赛搬运物料的具体实际， 重新 设计机械手结构， 选手要在决赛现场完成任务挑战获取 积分， 用积分换取工程设备完成机械手结构的打印， 再 重新组装机器人， 另外也要结合决赛任务完成程序设计、 调试，这要求竞赛团队具有较好的协作及工程实践能力， 不仅能设计也具有能熟练操作工程设备的综合实践技能， 才能确保在规定的时间内顺利完成决赛任务， 为决赛现 场挑战做好充足准备。

　　实践项目开发者具备充分的竞赛指导经验， 实践项 目的开发以 OBE-CDIO 为理念， 训练项目均来源历届比 赛真题和基于每次赛前指导教师出的模拟题， 学生通过 这些项目的训练， 以组跟组之间的竞赛选拔优秀团队参 加校级赛， 每个项目选出最优秀的两组队员参加省赛， 以此来训练团队学生的协作意识、创新意识以及整体提 高他们的综合实践能力， 也为能在省赛乃至国家赛中取 得好成绩奠定基础。

　　3 实践项目开发

　　实践项目的开发以历年竞赛真题为指导， 分为认知 实践、专项训练和综合创新三大模块。认知实践以每一 届竞赛作品为真实教学载体， 通过历年参赛作品的分析 和观摩， 让学生对整个竞赛有一个整体的了解， 为后续 的专项训练指明方向。专项训练模块通过历年竞赛真题 创设情境， 结合历年竞赛作品先模仿制作， 熟练掌握每 个模块的知识点和工程实践能力。由于机器人竞赛项目 需要团队合作完成， 而每个学生擅长项目不同， 有些学 生特别擅长机械结构也有学生擅长电路设计或软件等， 因此为了在更好地督促学生掌握每个项目内容的同时也 能够摸清每个学生的不同擅长点， 为后续的团队组建做 好铺垫， 在每个项目设置了考核， 采用自创情境， 进行构思、设计、实施、评价(CDIO) 的模式。在综合创新 模块， 通过团队协作以及前面专项训练， 以历年竞赛真 题为训练项目， 在历年参赛作品的基础上进行创新， 通 过多个项目的训练， 不仅锻炼了学生的综合实践能力和 创新能力， 也提高团队间的协作能力， 每个项目的考核 严格执行竞赛考核要求。在综合创新模块也设置了考核， 教师通过这一年的竞赛题或者样题组织各团队赛、校级 赛为本年度的赛事选好团队， 也进一步做好梯队建设。 每个模块内容之间承前启后相互衔接，训练内容的深度、 广度层层递进， 逐步迭代实现了教学载体与职业场景的 真实体验。基于 0BE-CDIO 的机器人综合实践项目开发 如表 1 所示。

　　4 基于OBE-CDIO 的项目实践

　　以物料设计项目为例， 以实际物料成型加工成果为 导向， 进行 CDIO 实践， 如图 2 所示。 CDIO 要满足创新 型国家建设的需要， 不断学习和借鉴国际上最先进的育 人理念、方式和方法， 提高学生的综合实践能力， 特别 是创新、创造能力。要求学生不仅要养成主动学习的能 力和习惯，也要时刻关注国家行业变化和掌握最新技术、 新材料、新工艺、新技能， 有能善于发现问题并解决复 杂工程问题的能力。物料设计项目就是基于此而设定的， 设计物料要求以智能制造的现实和未来发展为主题， 要 求对物料搬运机器人应用场景进行情景创设， 提出问题 和构思， 能有效利用 CAD 、SolidWorks 、3D 打印技术， 将心中的想法变成工程现实的能力。

　　4.1 物料构思

　　智慧工厂将使得传统的生产模式发生根本性的改变， 从批量化生产向个性化定制转变， 因此要求生产线必须 高度柔性化、智能化， 生产工艺复杂化和个性化。智能 工厂在收到客户的个性化产品定制后能自动分配到相应 生产线， 工厂实时监控各个工位的加工进度， 动态地分 配任务， 由机器人和工人之间高度协作完成物料的加工、 搬运以及最后成品的包装和输送等。智慧工厂实现了快 速响应市场需求， 高质量地完成物料的生产加工， 因此 也促进了机器人技术的不断革新， 以便更好地适应工厂 车间物流的智能化转型。未来智慧工厂会有更多的智能 移动机器人取代传统人力， 实现更灵活、高效、自主的 完成搬运任务。本次设计的搬运物料是最新比较火的拼 装房屋之中的拼装承重柱， 它可以实现方便携带和拼装 的目的， 减少制作承重柱的人力和材料， 在中国古代榫 卯建筑结构基础上更加方便运输， 更加简便环保， 因结 构简单使建造房子的时间大幅度降低， 可以用在地震多 发区或者急需房屋使用的情况下， 比如疫情下的方舱医 院， 以环保、节能、快捷为主题。

　　本次设计的智能物流搬运机器人可以实现定位、移 动、避障、读取二维码、识别物料位置与物料颜色， 以 及抓取物料和运载等功能。图 3 所示场景中的出发区为 机器人出发位置， 半成品区为承重柱物料放置区， 精加 工区为承重柱物料加工区，库存区为承重柱物料摆放区。 机器人先进行二维码扫描， 接着对半成品区的物料进行 夹取， 运输至精加工区加工， 最后将物料由精加工区运 送至库存区。实际场景比例为 60 ∶ 1.具体场景布置如 图 3 所示。

　　4.2 物料设计

　　本次物料设计的承重柱是由圆柱和圆锥组合而成， 顶部突出两个圆环体，底部有两个可以契合顶部的凹槽， 物料实体如图 4 所示。主视图如图 5 所示， 左视图如图 6 所示，俯视图如图 7 所示。

　　4.3 物料实现

　　物料采用 FDM 熔融沉积成型 3D 打印技术， 熔融沉 积成型(FDM) 是一种增材制造技术， 通过加热层挤出热塑性纤维。适用于几乎任何形状和尺寸的复杂几何建 筑耐用部件。 3D 打印过程中使用的材料可以是 ABS、聚 碳酸酯和 PC 材料， ABS 材料的 3 种颜色为红(ABS/Red (C-21-03))、绿(ABS/Green( C-21-06))、 蓝(ABS/ Blue( C-21-04))。 3 种不同颜色的物料(每种颜色两 个) 放置区的示意分别如图 8~9 所示。机器人夹持物料 方式之一如图 10 所示。

　　4.4 评价分析

　　以项目为导向， 通过以赛代练， 不仅培养学生的实 践创新能力， 而且培养学生对项目进行调研、分析、构 思、组织协调、沟通合作等的综合素养。教师和团队学 生从物料设计方案、物料结构、加工工艺、执行效果等 进行全方位客观记录， 对各组物料设计的可行性、复杂 性、是否利用新技术、新材料、新工艺等进行综合评价。 评价方式采用作品展示、答辩、交流提问等。每组对 4 个环节进行综合自我评价以及项目完成过程中遇到的问 题、如何解决问题以及存在的困难或困惑进行答辩。教师 通过汇总分析存在的问题，对个性问题采取组间交流分析 解决，对共性进行针对性的讲解和辅导。通过这些评价分 析方式，每组再次优化、完善自己的作品，也再次提升了 学生的综合能力和创新、创造能力。

　　5 结束语

　　本文以大学生工程实践与创新能力大赛中的智能物 流搬运机器人赛项为成果导向(OBE)， 对该赛项需要的 能力进行分析， 反向开发设计了机器人综合实践项目。 实践项目的开发以历年竞赛真题为指导，分为认知实践、 专项训练和综合创新三大模块。每个模块以 CDIO 构思、 设计、实施和运作为工程教育模式， 对每个实践项目分 为 C-D-I-0 4 个环节进行实施。每个模块内容之间承前 启后相互衔接， 训练内容的深度、广度层层递进， 逐步 迭代实现了教学载体与职业场景的真实体验。最后通过 物料设计项目为案例进行了 C-D-I-0 4 个环节实践分析。

　　机器人综合实践项目在学校实施一年以来， 团队学 生在第九届浙江省该赛项中取得了较好的成绩， 充分验 证了该项目对学生综合实践能力培养和创新能力培养有 着积极的作用， 为当前机器人实践项目开发和实施提供 了有效的实施思路。

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