基于CDIO的機械制圖及數(shù)字化表達實踐教學研究
——以工業(yè)機器人技術(shù)專業(yè)為例

張 麗 ，王 鋒

(1.安徽機電職業(yè)技術(shù)學院， 安徽 蕪湖 241000；2.安徽信息工程學院，安徽 蕪湖 241000)

0 引言

機械制圖及數(shù)字化表達是基于現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展需求及先進成圖技術(shù)的快速發(fā)展前提下綜合開發(fā)的一門新課程，是按照“1+X”職業(yè)技能等級證書的考核而設立的教改課程。新的課程綜合了制圖理論知識，計算機平面制圖，三維模型設計，綜合實踐應用四個方面的學習內(nèi)容。該課程是一門專業(yè)啟蒙課，對于后續(xù)學生專業(yè)課程的學習有重要的輔助作用。該課程前身是機械制圖與計算機繪圖，受傳統(tǒng)教學的固化思維影響，實際教學中，學生經(jīng)常出現(xiàn)“理論學不懂，實踐不會用”的情況。為解決這一難題，在課程中運用CDIO教學模式組織教學，能夠很好地解決理論與實踐教學分離的問題。CDIO是一種工程教學模式，讓學生在工程實踐中主動學習理論[1]，培養(yǎng)高素質(zhì)的工程圖學技術(shù)人才，對職教現(xiàn)代化發(fā)展起到推動作用。

1 課情分析與教學策略制定

1.1 教學內(nèi)容與專業(yè)關聯(lián)度不夠

近幾年，隨著職業(yè)教育改革的不斷實施，各高校在修訂人才培養(yǎng)方案時對“機械制圖與計算機繪圖”課程的設置存在很大的爭議。問題焦點集中在兩個方面：一是對于一些近機械類專業(yè)來說，普遍認為過多的課時沒有必要。在沒有現(xiàn)代化教學軟件的時期，制圖技能要求高，所以學習耗時比較長，課時比較多。隨著科技的發(fā)展，圖樣已經(jīng)進入了電子時代，無須再用手工繪制，所以可以縮減課時。二是有些專業(yè)提出刪除課程。主要是因為很多高校機械制圖課程的教學出現(xiàn)“統(tǒng)一化”模式。如果所有專業(yè)沒有特色，很難讓學生把課程與專業(yè)聯(lián)系起來。

1.2 教學方法與學生認知規(guī)律不符

從圖學發(fā)展史來看，機械圖樣對工業(yè)的發(fā)展起著至關重要的作用。機械制圖課程也是我國工業(yè)發(fā)展初期開設的比較早的一門機械基礎課程。受到多年傳統(tǒng)教學方式的影響，機械制圖課程教學內(nèi)容和方法過于守舊，教學內(nèi)容基本上遵循從制圖基礎到投影原理，從點線面到三視圖，從圖樣表達到零件圖、裝配圖的教學路線。這其中最重要的章節(jié)就是三視圖的學習與繪制，這部分知識點的學習需要學生具備良好的空間思維能力，對學生的這種空間思維能力的培養(yǎng)成了制圖教學的重點。教師為了培養(yǎng)學生的空間思維能力，往往把課程教學的一半時間都用在此，這在計算機沒有普及的年代無疑是有必要的。但隨著成圖技術(shù)的發(fā)展，融媒體教材的開發(fā)，原來看不見摸不著的形體可以通過手機掃描二維碼，通過智能手機就能多角度觀察立體結(jié)構(gòu)。換句話說，就是有了這些先進成圖技術(shù)的輔助，空間想象力已經(jīng)不再是學生學習工程制圖的阻力，由點線面逐步認識空間形體的規(guī)律也不符合學生的認知規(guī)律了。借助計算機和智能手機，不需要憑空想象空間物體結(jié)構(gòu)，先進的成圖技術(shù)能快速地根據(jù)需要建立模型實體。所以，對于三視圖的學習，可以借助計算機軟件直接從立體建模開始，由學生自己建立一些簡單模型，再引導學生去多方向觀察物體的投影，形成平面投影圖。這種新的教學思路符合現(xiàn)代學生的認知規(guī)律，并激發(fā)了學生的求知欲和探索欲，提高了學生的課堂參與度。

1.3 教學重點與行業(yè)需求脫節(jié)

通過調(diào)研現(xiàn)代制造企業(yè)產(chǎn)品的數(shù)字化生命周期，傳統(tǒng)手工設計、繪圖逐漸被取代。基于模型的定義技術(shù)(MBD)是未來設計制造技術(shù)發(fā)展的方向，絕大多數(shù)企業(yè)對產(chǎn)品的設計與制造都是基于計算機成圖技術(shù)的3D模型和2D圖紙。很多院校制圖課程的教學重點還停留在對手工繪圖的技能訓練部分，與企業(yè)對人才應具備的能力需求不符。因此，需要對傳統(tǒng)的制圖課程進行框架式重構(gòu)，弱化手工繪圖要求，對于基礎理論，以“必需、夠用”為標準，精簡基礎理論部分的內(nèi)容；化解長期以來制圖與CAD教學融合度不高的問題，以CAD為制圖教學的載體，以圖形繪制引導CAD軟件的使用，兩者相輔相成，秉承能用軟件畫圖不用手畫的原則，強化繪制2D工程圖的重要技能；對接“1+X”技能等級標準，調(diào)整課程教學重難點，以強化3D繪圖技能為目標，突出技能應用模塊和技能提升模塊，將教學重點由“構(gòu)思三視圖形體結(jié)構(gòu)”轉(zhuǎn)變成“對零件圖的識讀與繪制”。

1.4 教學策略的制定

針對教學現(xiàn)狀，本校教研團隊經(jīng)過多方調(diào)研論證，將課程名稱由原先的“機械制圖與計算機繪圖”改成“機械制圖及數(shù)字化表達”，課程內(nèi)容進行了模塊化重構(gòu)，創(chuàng)新提出“三不同”教學思路——“專業(yè)不同、內(nèi)容不同、要求不同”。通識的理論教學模塊，可以遵循統(tǒng)一的教學標準。對技能應用模塊，結(jié)合專業(yè)就業(yè)崗位提出不同的教學要求。增加技能強化模塊，本模塊教學按照國際先進的CDIO教學模式進行設計，根據(jù)專業(yè)選擇不同的工程項目，讓學生在專業(yè)情境中主動學習。CDIO教學模式融入課程是基于理論研究基礎上的一次創(chuàng)新嘗試，率先在工業(yè)機器人技術(shù)專業(yè)進行了教學實施，并取得了良好的教學效果。

CDIO是一種工程教育模式，是近年來國際工程教育改革的最新成果。CDIO代表構(gòu)思(Conceive)、設計(Design)、實現(xiàn)(Implement)和運作(Operate) ，它以產(chǎn)品研發(fā)到產(chǎn)品運行的生命周期為載體 ,以項目教學的方式引導學生主動探索課程內(nèi)容，強化工程應用的實踐能力[2]。隨著社會的發(fā)展，科技的進步，對工程技能人才的要求越來越高，而多數(shù)培養(yǎng)的畢業(yè)生遠不能勝任企業(yè)的需求，CDIO教育模式則有效解決了這一問題，這也是CDIO教育模式一經(jīng)提出就受到各國教育界高度重視的原因。

2 工業(yè)機器人技術(shù)專業(yè)教學設計

2.1 CDIO教學模式的設計思路

構(gòu)建讀圖繪圖為基礎、技能應用為核心、價值引領為主旨的CDIO工程教育模式。工業(yè)機器人技術(shù)專業(yè)是近年開設的熱門專業(yè)之一，也是筆者所在單位的國家級雙高建設專業(yè)。通過專業(yè)調(diào)查，與課程關聯(lián)度高的專業(yè)就業(yè)崗位是機械工程師。基于現(xiàn)代機械工程師的職業(yè)能力和職業(yè)素養(yǎng)的需要，對接“1+X”相關職業(yè)技能等級證書要求，將課程重構(gòu)為制圖理論—技能應用—技能強化三大教學模塊。其中，制圖理論主要介紹機械制圖基礎理論知識，按照統(tǒng)一教學標準實施；技能應用模塊主要培養(yǎng)學生的計算機繪圖能力，包括：工程圖樣和三維建模。此模塊實踐性強，學習難度大，可以根據(jù)不同的專業(yè)按照不同的要求進行教學，尤其對非機械類專業(yè)來說，可以降低教學要求；技能強化模塊是一個需要突出專業(yè)特色的模塊。結(jié)合專業(yè)特點，選擇行業(yè)典型工程項目作為載體，按照CDIO教學模式開展教學，突出學生的綜合工程應用能力，包括學生的工程實踐能力、綜合分析能力、創(chuàng)新設計能力和團隊協(xié)作能力[3]。對于工業(yè)機器人技術(shù)專業(yè)，通過專業(yè)崗位調(diào)研，結(jié)合課程要求，最終選擇了以校企合作項目——制餐機器人執(zhí)行機構(gòu)作為本模塊的教學載體，采用CDIO教學模式，設計了“開發(fā)制餐機器人執(zhí)行機構(gòu)”的教學項目。項目任務是對制餐機器人末端執(zhí)行器進行研發(fā)，執(zhí)行餐盒的抓取任務，增加工作臺的制餐多樣性。

制餐機器人屬于近年比較流行的協(xié)助機器人。機器人工作站作為全國電子通信行業(yè)競賽的比賽平臺，也是“1+X”證書考核的指定平臺，借助該平臺可以完成營養(yǎng)早餐的點餐、制餐、取餐等流程，是一個小型的早餐工作臺。選擇這樣一個教學載體非常貼近專業(yè)，學生也很感興趣。另外，作為校企合作項目，學校邀請了一名企業(yè)專家作為教學導師，首先帶領學生深入企業(yè)參觀，然后學生接受企業(yè)導師的項目任務，達到創(chuàng)設真實的工程項目實境的效果。

2.2 確立工程項目四維能力目標

CDIO培養(yǎng)大綱將學生的能力分為工程基礎知識、個人能力、人際團隊能力和工程系統(tǒng)能力四個層面[4]。項目任務是研發(fā)一款制餐協(xié)作機器人末端執(zhí)行器，執(zhí)行器的任務是拿取飯盒。構(gòu)思層面是分析項目任務，確定末端執(zhí)行器的種類；設計層面是研究項目要求，設計出滿足條件的產(chǎn)品；實現(xiàn)層面是轉(zhuǎn)化設計成果，運用3D打印技術(shù)將產(chǎn)品打印出來；運作層面是在企業(yè)導師的驗收下，進行安裝運行、驗證產(chǎn)品的功能，從而實現(xiàn)綜合性地培養(yǎng)學生在這四個方面的能力。依據(jù)《工業(yè)機器人技術(shù)專業(yè)教學標準》、對接“1+X”職業(yè)技能等級證書標準，根據(jù)專業(yè)人才培養(yǎng)方案，制定項目學習目標[5]。

2.2.1 工程基礎知識目標

項目執(zhí)行中要完成的基礎知識目標為：掌握零件圖讀圖的方法；根據(jù)零件工程圖建立工件的三維模型；掌握由三維模型轉(zhuǎn)化工程圖的方法，并完成輸出打印。

2.2.2 個人發(fā)展能力目標

產(chǎn)品的構(gòu)思階段在開放式課堂進行，學生了解任務后自主探究相關知識，構(gòu)思產(chǎn)品的設計。根據(jù)給出的裝配要求，設計相應的配合零件；在項目執(zhí)行中融入思政元素，培養(yǎng)學生樹立國家標準意識；養(yǎng)成規(guī)范的制圖習慣和嚴謹認真的工作作風；增強學生的創(chuàng)新意識，構(gòu)建學生的創(chuàng)新思想價值體系。

2.2.3 團隊協(xié)作能力目標

以小組為學習單元，培養(yǎng)學生團隊工作、交流、組合協(xié)調(diào)的能力和責任心。

2.2.4 工程系統(tǒng)能力目標

通過實際工程案例，提升學生的自主學習能力、創(chuàng)新能力和工程實踐能力。

2.3 制定工程項目教學策略

汕頭大學執(zhí)行校長顧佩華教研團隊結(jié)合中國國情，提出了一種新工程教育模：EIP-CDIO。EIP 是指道德(Ethics)、誠信(Integrity)、職業(yè)化(Professionalism)，旨在將職業(yè)道德和誠信教育融入工程教育之中[6]，讓“育人”和“教學”同向并行，符合當前提倡的將課程思政融入課堂的要求。設計融入了職業(yè)道德、誠信教育，并將它們作為思政主線，采用校企共建的方式，創(chuàng)設真實的工程情境。以“項目引領、任務驅(qū)動、實境導入”構(gòu)建教學體系。以學生為中心創(chuàng)新提出“五五五”教學策略，如圖1所示。

圖1 “五五五”教學策略圖

2.3.1 “五步”流程啟發(fā)式課堂

課堂按照探索式教學模式，制定任務引入—自主探究—難點剖析—討論實施—總結(jié)匯報五個教學步驟。教學環(huán)節(jié)突出學生主體地位，關注學生任務實施過程，及時引導學生進行對比組合、找出錯誤、通過類比、認知攀升、分類歸納，循序漸進探索新知。

2.3.2 “五點”要求實現(xiàn)梯次教學

依托國家專業(yè)教學資源庫，對接“1+X”職業(yè)技能等級標準，結(jié)合學生學情，根據(jù)課程教學特點，總結(jié)提煉“五到”教學策略，做到“五點”要求：創(chuàng)設情境，眼到看任務，找到任務知識點；自主探究，心到探方法，想到問題切入點；教師演示，耳到聽講解，悟到難點攻克點；強化練習，手到勤打磨，做到質(zhì)量極致點；分類歸納，口到話總結(jié)，說到心中收獲點。五官聯(lián)動，教學過程流暢有序，教學目標順利達成。

2.3.3 “五份”表單形成活頁手冊

模塊教學采用項目式引領、任務式驅(qū)動展開課堂。每節(jié)課一個任務，針對教學五個步驟，分別下發(fā)任務資訊表、計劃決策表、任務實施表、檢查反饋表、任務評價表五份表單，并形成一份技能訓練活頁式課堂記錄手冊。

3 課程思政的挖掘與融入

3.1 “思政元素”的挖掘

目前，課程思政的教育理念已經(jīng)深入人心，很多教師把“課程思政”融入課程進行探索和實踐。進行思想政治教育，就要挖掘課程中的“思政元素”，對“思政元素”的范疇認定，目前尚不統(tǒng)一。趙繼偉認為“大思政”就是要求所有課程都應發(fā)揮政治引領的作用，把政治領域的新綱領、新文件、新思想作為“思政元素”融入課程教學中，如弘揚社會主義核心價值觀，加強“四個意識”，建立“四個自信”，宣傳黨史學習的意義等[7]。應發(fā)揮“思政課程”協(xié)同育人的作用，提升育人效果?！半[性思政”教育旨在思想層面綜合素質(zhì)的培養(yǎng)，這是一個精準而細致的工程。大到中國精神，愛國情懷，小到日常行為習慣的養(yǎng)成，都可以結(jié)合課程內(nèi)容，教學實踐的性質(zhì)，潛移默化地教育學生。這兩者各有所指，前者突出政治引領，價值導向；后者注重品德樹立，習慣養(yǎng)成。

3.2 “課程思政”的實施

依據(jù)“大思政”和“隱性思政”綜合運用的思路，把實現(xiàn)政治引領的“大思政”作為思政主線開展教學設計，突出其顯性特點，使用“澆灌”方式影響學生思想。根據(jù)課程性質(zhì)特征，確立社會主義核心價值觀作為機械制圖課程的思政主線，突出核心價值觀中“愛國、敬業(yè)、誠信、友善”是每位公民的基本道德規(guī)范，在課程教學中實現(xiàn)對學生個人層面的價值引領。在設計具體教學環(huán)節(jié)時，教師要巧妙挖掘課程中的“隱性思政元素”，如在繪制草圖時，及時融入“無規(guī)矩不成方圓”的遵守紀律意識；在介紹齒輪傳動時，教師及時融入團隊合作的精神。在測量尺寸時，“失之毫厘，差之千里”要求學生務必養(yǎng)成嚴謹?shù)墓ぷ髯黠L，促進學生養(yǎng)成良好的思想品德和習慣，以實現(xiàn)綜合素質(zhì)的提高。

4 教學實施過程

4.1 課堂組織規(guī)劃

教學課堂組織按照“任務引入、自主探究、難點剖析、優(yōu)化方案、總結(jié)評價”五個環(huán)節(jié)循序漸進展開教學，并將知識傳授與價值引領有機貫穿在整個教學過程中，環(huán)環(huán)相扣、凸顯育人。下面以“裝配圖”教學環(huán)節(jié)為例，詳細介紹CDIO模式的教學實施過程。

4.1.1 課前預學，掌握學情

教師通過在線平臺，推送裝配圖學習資料，布置學習任務。通過預學測試和調(diào)查問卷，了解學生對裝配圖的尺寸標注和裝配圖樣的表達掌握不好，針對這一學情確定課堂教學任務。

4.1.2 課中五步，完成任務

(1)任務引入——眼到看任務，找到任務知識點

在前面任務中，每一小組設計了不同的末端卡爪和鏈接板并建立零件的三維模型，通過PPT展示設計結(jié)果，教師角色扮演創(chuàng)設企業(yè)情境引出本節(jié)任務是完成執(zhí)行機構(gòu)三維裝配并轉(zhuǎn)化裝配工程圖，引導學生看任務咨詢單，找到任務實施需要的知識點。

(2)自主探究——心到探方法，找到問題切入點

根據(jù)確定的知識鏈接，小組分工，自主查閱相關學習資料，并經(jīng)過小組討論制訂任務實施計劃。根據(jù)計劃，小組嘗試實施任務。對于任務實施中的一些小問題，教師需要引導學生沉著冷靜，思考前面所學知識，能不能自己找到問題切入點并解決問題。教師發(fā)布動畫模擬裝配后的執(zhí)行效果，幫助學生理解裝配。

(3)難點剖析——耳到聽講解，悟到難點攻克點

在環(huán)節(jié)二的執(zhí)行中，教師通過觀察小組活動、參與小組討論等，掌握學生實施情況，對于難點問題，利用典型案例對比分析，運用AR動畫仿真裝配，學生講解翻轉(zhuǎn)教學，并進行小組互助。針對實施中遇到的問題，學生認真聽取教師講演示范，帶著問題學習能更好地領悟知識內(nèi)容，最終達到攻克難點的課堂效果。

(4)優(yōu)化整改——手到勤打磨，做到質(zhì)量極致點

通過教師的講解，學生對應找到自己的問題，首先優(yōu)化裝配思維導圖，并通過小組討論、教師指導，反復整理修改自己的圖樣，從正確性和美觀度做到對圖樣作品的極致追求。

(5)總結(jié)評價——口到話總結(jié)，說到心中收獲點

教師通過學生喜歡的知識競賽小游戲，對重點內(nèi)容進行鞏固測試，學生以小組匯報模式總結(jié)課堂，分享課堂收獲，鍛煉語言表達能力，教師根據(jù)綜合能力給予加分。最后發(fā)起投票，選擇本次課程表現(xiàn)最佳組，并給予最佳小組特別加分，以此激發(fā)學生的競爭意識。

4.1.3 課后評價過程記錄

為了系統(tǒng)化、立體化呈現(xiàn)學生的學習效果，采用過程性評價考核方式。課后教師對學生課前預習、課中表現(xiàn)、課堂任務完成情況進行梳理記錄。利用網(wǎng)絡教學平臺學習通、問卷星、e會學采集基礎數(shù)據(jù)，評價主體除了教師評價、小組自評和小組互評外，對于能力目標評價，還要引入企業(yè)導師對項目總結(jié)報告進行評定。

5 結(jié)語

打破機械制圖及數(shù)字化表達在專業(yè)教學改革中的困境，以提升圖樣設計實踐應用能力為目標，結(jié)合專業(yè)行業(yè)特點，按照校企合作教學模式，設計選取了“制餐機器人執(zhí)行機構(gòu)優(yōu)化設計表達”作為技能強化模塊的項目載體。按照CDIO工程教育模式，教學流程分成“五步”——任務引入、自主探究、難點剖析、優(yōu)化整改、總結(jié)評價，在教學中凝練出“眼到看任務、心到探方法、耳到聽講解、手到勤打磨、口到話總結(jié)”的教學策略。充分整合信息化教學資源，發(fā)揮線上線下融合化教育的優(yōu)勢，融入職業(yè)道德和誠信教育的思政理念，最終實現(xiàn)工程基礎知識、個人能力、人際團隊能力和工程系統(tǒng)能力四個層面的教學目標。