基于CDIO的機械制圖及數字化表達實踐教學研究
——以工業機器人技術專業為例

張 麗 ，王 鋒

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

0 引言

機械制圖及數字化表達是基于現代工業發展需求及先進成圖技術的快速發展前提下綜合開發的一門新課程，是按照“1+X”職業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容。該課程是一門專業啟蒙課，對于后續學生專業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，受傳統教學的固化思維影響，實際教學中，學生經常出現“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]，培養高素質的工程圖學技術人才，對職教現代化發展起到推動作用。

1 課情分析與教學策略制定

1.1 教學內容與專業關聯度不夠

近幾年，隨著職業教育改革的不斷實施，各高校在修訂人才培養方案時對“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來說，普遍認為過多的課時沒有必要。在沒有現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。隨著科技的發展，圖樣已經進入了電子時代，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“統一化”模式。如果所有專業沒有特色，很難讓學生把課程與專業聯系起來。

1.2 教學方法與學生認知規律不符

從圖學發展史來看，機械圖樣對工業的發展起著至關重要的作用。機械制圖課程也是我國工業發展初期開設的比較早的一門機械基礎課程。受到多年傳統教學方式的影響，機械制圖課程教學內容和方法過于守舊，教學內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成了制圖教學的重點。教師為了培養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。但隨著成圖技術的發展，融媒體教材的開發，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構。換句話說，就是有了這些先進成圖技術的輔助，空間想象力已經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律也不符合學生的認知規律了。借助計算機和智能手機，不需要憑空想象空間物體結構，先進的成圖技術能快速地根據需要建立模型實體。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代學生的認知規律，并激發了學生的求知欲和探索欲，提高了學生的課堂參與度。

1.3 教學重點與行業需求脫節

通過調研現代制造企業產品的數字化生命周期，傳統手工設計、繪圖逐漸被取代。基于模型的定義技術(MBD)是未來設計制造技術發展的方向，絕大多數企業對產品的設計與制造都是基于計算機成圖技術的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，與企業對人才應具備的能力需求不符。因此，需要對傳統的制圖課程進行框架式重構，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“構思三視圖形體結構”轉變成“對零件圖的識讀與繪制”。

1.4 教學策略的制定

針對教學現狀，本校教研團隊經過多方調研論證，將課程名稱由原先的“機械制圖與計算機繪圖”改成“機械制圖及數字化表達”，課程內容進行了模塊化重構，創新提出“三不同”教學思路——“專業不同、內容不同、要求不同”。通識的理論教學模塊，可以遵循統一的教學標準。對技能應用模塊，結合專業就業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，根據專業選擇不同的工程項目，讓學生在專業情境中主動學習。CDIO教學模式融入課程是基于理論研究基礎上的一次創新嘗試，率先在工業機器人技術專業進行了教學實施，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代表構思(Conceive)、設計(Design)、實現(Implement)和運作(Operate) ，它以產品研發到產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容，強化工程應用的實踐能力[2]。隨著社會的發展，科技的進步，對工程技能人才的要求越來越高，而多數培養的畢業生遠不能勝任企業的需求，CDIO教育模式則有效解決了這一問題，這也是CDIO教育模式一經提出就受到各國教育界高度重視的原因。

2 工業機器人技術專業教學設計

2.1 CDIO教學模式的設計思路

構建讀圖繪圖為基礎、技能應用為核心、價值引領為主旨的CDIO工程教育模式。工業機器人技術專業是近年開設的熱門專業之一，也是筆者所在單位的國家級雙高建設專業。通過專業調查，與課程關聯度高的專業就業崗位是機械工程師。基于現代機械工程師的職業能力和職業素養的需要，對接“1+X”相關職業技能等級證書要求，將課程重構為制圖理論—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，按照統一教學標準實施；技能應用模塊主要培養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，可以根據不同的專業按照不同的要求進行教學，尤其對非機械類專業來說，可以降低教學要求；技能強化模塊是一個需要突出專業特色的模塊。結合專業特點，選擇行業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、創新設計能力和團隊協作能力[3]。對于工業機器人技術專業，通過專業崗位調研，結合課程要求，最終選擇了以校企合作項目——制餐機器人執行機構作為本模塊的教學載體，采用CDIO教學模式，設計了“開發制餐機器人執行機構”的教學項目。項目任務是對制餐機器人末端執行器進行研發，執行餐盒的抓取任務，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助機器人。機器人工作站作為全國電子通信行業競賽的比賽平臺，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，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專家作為教學導師，首先帶領學生深入企業參觀，然后學生接受企業導師的項目任務，達到創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能力四個層面[4]。項目任務是研發一款制餐協作機器人末端執行器，執行器的任務是拿取飯盒。構思層面是分析項目任務，確定末端執行器的種類；設計層面是研究項目要求，設計出滿足條件的產品；實現層面是轉化設計成果，運用3D打印技術將產品打印出來；運作層面是在企業導師的驗收下，進行安裝運行、驗證產品的功能，從而實現綜合性地培養學生在這四個方面的能力。依據《工業機器人技術專業教學標準》、對接“1+X”職業技能等級證書標準，根據專業人才培養方案，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；根據零件工程圖建立工件的三維模型；掌握由三維模型轉化工程圖的方法，并完成輸出打印。

2.2.2 個人發展能力目標

產品的構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，構思產品的設計。根據給出的裝配要求，設計相應的配合零件；在項目執行中融入思政元素，培養學生樹立國家標準意識；養成規范的制圖習慣和嚴謹認真的工作作風；增強學生的創新意識，構建學生的創新思想價值體系。

2.2.3 團隊協作能力目標

以小組為學習單元，培養學生團隊工作、交流、組合協調的能力和責任心。

2.2.4 工程系統能力目標

通過實際工程案例，提升學生的自主學習能力、創新能力和工程實踐能力。

2.3 制定工程項目教學策略

汕頭大學執行校長顧佩華教研團隊結合中國國情，提出了一種新工程教育模：EIP-CDIO。EIP 是指道德(Ethics)、誠信(Integrity)、職業化(Professionalism)，旨在將職業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，創設真實的工程情境。以“項目引領、任務驅動、實境導入”構建教學體系。以學生為中心創新提出“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—總結匯報五個教學步驟。教學環節突出學生主體地位，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”要求實現梯次教學

依托國家專業教學資源庫，對接“1+X”職業技能等級標準，結合學生學情，根據課程教學特點，總結提煉“五到”教學策略，做到“五點”要求：創設情境，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，做到質量極致點；分類歸納，口到話總結，說到心中收獲點。五官聯動，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、任務式驅動展開課堂。每節課一個任務，針對教學五個步驟，分別下發任務資訊表、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，目前尚不統一。趙繼偉認為“大思政”就是要求所有課程都應發揮政治引領的作用，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]。應發揮“思政課程”協同育人的作用，提升育人效果。“隱性思政”教育旨在思想層面綜合素質的培養，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成，都可以結合課程內容，教學實踐的性質，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，習慣養成。

3.2 “課程思政”的實施

依據“大思政”和“隱性思政”綜合運用的思路，把實現政治引領的“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。根據課程性質特征，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、誠信、友善”是每位公民的基本道德規范，在課程教學中實現對學生個人層面的價值引領。在設計具體教學環節時，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”要求學生務必養成嚴謹的工作作風，促進學生養成良好的思想品德和習慣，以實現綜合素質的提高。

4 教學實施過程

4.1 課堂組織規劃

教學課堂組織按照“任務引入、自主探究、難點剖析、優化方案、總結評價”五個環節循序漸進展開教學，并將知識傳授與價值引領有機貫穿在整個教學過程中，環環相扣、凸顯育人。下面以“裝配圖”教學環節為例，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展示設計結果，教師角色扮演創設企業情境引出本節任務是完成執行機構三維裝配并轉化裝配工程圖，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

根據確定的知識鏈接，小組分工，自主查閱相關學習資料，并經過小組討論制訂任務實施計劃。根據計劃，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。教師發布動畫模擬裝配后的執行效果，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

在環節二的執行中，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容，最終達到攻克難點的課堂效果。

(4)優化整改——手到勤打磨，做到質量極致點

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)總結評價——口到話總結，說到心中收獲點

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

4.1.3 課后評價過程記錄

為了系統化、立體化呈現學生的學習效果，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、課堂任務完成情況進行梳理記錄。利用網絡教學平臺學習通、問卷星、e會學采集基礎數據，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，還要引入企業導師對項目總結報告進行評定。

5 結語

打破機械制圖及數字化表達在專業教學改革中的困境，以提升圖樣設計實踐應用能力為目標，結合專業行業特點，按照校企合作教學模式，設計選取了“制餐機器人執行機構優化設計表達”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、優化整改、總結評價，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”的教學策略。充分整合信息化教學資源，發揮線上線下融合化教育的優勢，融入職業道德和誠信教育的思政理念，最終實現工程基礎知識、個人能力、人際團隊能力和工程系統能力四個層面的教學目標。