朱爱斌，李宏伟，毛涵，段玉岗，刘全铭，杨柳

（西安交通大学 机械工程学院，陕西 西安）

一 问题提出

培养创新型人才是时代的迫切需要，也是大学的责任。以往的工程教育活动主要以教师、课堂为中心进行授课，采用固定的讲授模式，即使是以创新思维为主要内容的课程，也还是偏重于知识传授，学生还是被动学习和思考，主动学习和思考、创新思维的实践活动不够。学生实践能力培养较弱，这样不利于创新人才的培养，影响了人才培养的质量[1]。

高校已经普遍认识到实践能力对于高素质人才培养的重要性，都在下大力气建设功能完善的工程教育基地。但是，受传统应试教育的影响，学生的学习仍以被动接受、应对考试为主，工程教学过程中很多学生自主学习、创新思维、创意实践的意识淡漠，经过系统的专业课程学习后仍不能具备较强的专业能力和努力探索的创新精神。

相关研究者对于工程教育有了多方面的探索和研究。韩双淼等研究了国际高等工程教育研究方法与主题的演进[2]，罗嘉庆等以计算机导论课程建设为例，构建面向新工科的新生工程认知体系[3]，王世斌等解析了新工科教育创新发展的三维度结构[4]，李悦池研究了美国“星辰”项目的经验及启示提出创新工程教师培养模式[5]，孙婧等分析了我国大学课程研究的知识基础和热点问题[6]，李明忠等以戈登奖获奖项目为例，研究了美国高等工程教育改革的主要特征[7]，蔡新红等针对工程教育中的电路课程教育，从教学方法、教学内容、教学理念等方面研究了其教学改革方向[8]，陈秀梅等研究和探讨了高等工程教育中机械设计制造及其自动化专业的人才需求、学校定位、培养目标等问题[9]。

本文对虚实结合的创新思维和机器人实践的工程教育新模式进行了探索，以系统创新思维的课堂教育和机器人创客交叉创新实践教育相结合为培养特色，培养学生的系统创新观念，指导学生采用创新理论、工具和方法来分析和解决实际问题，最终提高学生的创新思维能力和机器人实践能力。

二 虚实结合的创新思维工程教育新模式

目前的工程教育主要目标是培养从事一般性设计和制造的工程师，未来目标希望逐步转变为突出系统设计创新，以培养制造业的领军人才为长远目标。以系统创新设计的课堂教育和机器人交叉创新实践教育相结合为课程特色，培养学生的系统设计创新观念，指导学生采用创新理论和创新工具等整体方法体系来分析和解决实际问题。

虚实结合的创新思维工程教育新模式如图1所示，虚实结合的创新思维工程教育新模式的主体是学生和教师，教学环境是课内和课外，教学内容是抽象的理论与具体的实践。学生的主要活动是课内学习创新理论，课外进行机器人动手实践，且提出所遇到的问题，与老师进行交流沟通。教师的主要活动是在课内讲授抽象的系统创新设计的理论与方法，就学生提出问题进行答疑解惑，课外辅导学生进行机器人创客实践活动。

图1 虚实结合的创新思维工程教育新模式

依据上述的虚实结合的创新思维工程教育新模式，开设了面向本校所有学科专业的“创新思维和机器人创客实践”通识课程，讲授系统化创新思维的理论、方法和工具，培养学生的系统设计方法和创新思维；以机器人设计和制作过程为实践教学对象和内容，提高学生的实践能力。

（一） 启发创新思维

授课老师为学生讲授系统化创新思维的理论、方法和工具，培养学生的系统设计方法和创新思维，为学生提供创新设计的理论基础。学生应用所学习的工程创新的系统方法、破坏性创新方法、发明问题解决TRIZ创新方法，针对机器人实践对象进行需求分析，功能分解，概念设计，同时展开结构设计和分析。

如图2所示，教师一方面讲授相关创新方法，另一方面引导学生对机器人实践对象进行分析。学生一方面要学习创新思维方法，另一方面需要对机器人实践对象进行分析，产生的问题及时向老师反馈并得到解答。

图2 启发创新思维

（二） 学生动手实践

教师考虑时间、难度、成本以及学生的接受程度，设计了系统化的对象驱动的动手实践方案。实践内容包括基于Arduino控制器的机器人创客系统实践和3D打印软件和实践，以及针对四类实践对象的课程实践。

如图3所示，实践1为助残助力上肢假肢/外骨骼创新设计实践（全部专业）；实践2为助残助力下肢假肢/外骨骼创新设计实践（全部专业）；实践3为仿生跳跃机器人创新实践辅导（工科）；实践4为爬壁/绳/缆/杆机器人创新实践辅导（工科）。其中机器人创客实践1,2适合全部专业学生实践，3,4适合工科学生实践，老师进行针对性实践辅导。

图3 学生动手实践

学生学习如何选择材料，运用工具，3D打印及装配制作出机器人原型，如何使用控制平台实现机电控制，让原型完成既定功能和动作。

（三） 创业拓展

为拓展课程的内容，让学生接触目前创新创业活动的热潮，课程专门设置请进来与走出去的教学内容，实现创业拓展。

请进来包括邀请创客空间，企业导师来到课堂分享企业在创新思维和机器人实践方面的经验和教训，以机器人产业高新技术公司案例，如硅谷和中关村等，介绍机器人创新和创业。鼓励学生学以致用，应用学习的工程创新方案的评价方法，工程创新使能技术，和企业导师一起探讨如何针对进行高新技术创业，撰写创业商业计划书并进行评估。

走出去包括组织学生到知名创客空间进行机器人创新创业讨论交流，并鼓励参加机器人创客优秀项目路演，参加国际创客节、全国双创周、丝绸之路机器人创意大赛等活动的项目路演和创业拓展。

三 课程实践结果与分析

虚实结合的创新思维工程教育新模式以系统创新思维的课堂教育和机器人创客交叉创新实践教育相结合为课程特色，培养学生的系统创新观念，指导学生采用创新理论和创新工具等整体方法体系来分析和解决实际问题。

（一） 课程情况与场景展示

本次课程共140名学生参加，其中男生124名，女生16名。学生的年级分布情况如表1所示，其中大一年级的学生最多，总计121人，占比86.43%。

表1 学生年级分布情况

学生的专业涵盖理、工、文等学科，具体的专业类别分布情况如表2所示。从表中可以看出，学生主要来自于理、工科学生，其中工科学生最多，占比79.29%。

表2 学生专业分布情况

所有学生分成12个小组，每个团队里都含有不同年级、不同专业的学生，便于后期同学之间的相互协作。各个小组的情况如表3所示。

表3 实践分组情况

如图4所示，（a）为系统创新思维课程讲解，（b）为学生展示设计的三维模型，（c）为学生制作的机器人实物。

图4 课程相关图片

（二） 课程调查与分析

虚实结合的创新思维工程教育新模式目的是为了提高学生的创新思维能力和机器人实践能力。为了评估该工程教育新模式的效果，对所有参加本课程的140名学生进行了匿名问卷调查。

评价一：学生评价课程

学生对课程内容的前瞻性以及教师课堂案例的启发性进行打分。满分为10分，分值越高则表示课程内用越具有前沿性以及课堂案例越具有启发性。

课程内容的前瞻性打分结果如图5所示，6分以上的人数占总人数的比例为96.43%，整体的平均得分为8.91分，表明学生认为本课程内容具有良好的前瞻性。

图5 课程内容的前瞻性

教师课堂案例的启发性打分结果如图6所示，6分以上的人数占总人数的比例为99.29%，整体的平均得分为8.82分，表明学生认为教师课堂案例具有很强的启发性。

图6 教师课堂案例的启发性

评价二：学生能力自评

学生对机器人实践过程中自己所提高的技能进行多选，结果如表4所示，47.14%的学生认为自己的CAD三维设计能力得到了提升，其次是29.29%的学生认为自己的Arduino控制和3D打印能力得到了提高。

表4 实践技能调查

评价三：综合能力自评

学生对整个课程中的创新思维能力、动手实践能力以及协作沟通能力等进行了多项选择。结果如表5所示，92.14%的学生认为自己的创新思维能力得到提高，90.71%的学生认为自己的实践能力得到提升，表明提出的创新思维工程教育模式能够激发学生的创新思维，同时提升学生的机器人实践能力。

表5 综合能力调查

四 结语

针对以往创新思维工程教育偏重于知识传授，学生实践能力培养较弱的问题，本文提出虚实结合的创新思维工程教育新模式，通过开设面向所有专业学生的通识课程，讲授系统化创新思维的理论、方法和工具，培养学生的系统设计方法和创新思维；以机器人设计和制作过程为实践教学对象和内容。

通过问卷调查对课程效果进行评估，结果显示，92.14%的学生认为自己的创新思维能力得到提高，90.71%的学生认为自己的实践能力得到提升，表明提出的创新思维工程教育模式能够激发学生的创新思维，同时提升学生的机器人实践能力。