1、84 萍乡学院学报 2023 年 第 40 卷第 3 期 萍乡学院学报 2023 年 6 月 Vol.40 NO.3 Journal of Pingxiang University Jun.2023 基于CDIO理念教学实施报告 以末端执行机构设计与装调为例 施 琴1,2，史银花1，池 雯1，姜广美1（1.江苏联合职业技术学院 镇江分院，江苏 镇江 212016;2.常州工业职业技术学院，江苏 常州 213001）摘 要：“末端执行机构”是移动机器人系统中重要的组成单元，笔者在明确职业岗位能力需求的基础上，重构课程内容，以末端执行机构设计与装调这一任务为研究对象，详细阐述了其整体设计、实施过程
2、、实施成效、特色与创新等。在 CDIO（构思设计实现运作）工程教育理念指导下，实现了理论与实践、设计与创新相融合，专业知识和岗位技能相统一，对开展一体化创新教学具有较强的指导意义。关键词：教学策略；重构课程；创新评价；思政元素 中图分类号：G712 文献标志码：A 文章编号：2095-9249（2023）03-0084-06 0 引言 当前，很多小微企业在物流配送、产线上下料、仓库出入库等各项作业中，以人工作业为主，因此，存在容易疲劳、效率低且不稳定等问题。移动机器人因其能在危险、恶劣及人力不可到达的环境下替代人从事高强度的作业，已经成为医药、电商、3C、物流等行业实现柔性自动化的关键。工业机
3、器人技术专业的学生掌握移动式搬运机器人的相关知识，能对现有移动式搬运机器人提出改进的思路及方法，具备组装调试能力，定会受到用人单位的青睐。当前，高职院校主要采用工学结合、校企合作以及现代学徒制等培养模式，一直强调要培养和发展学生的综合能力。然而，在具体实施的过程中，却只重视学生技术技能的培养，忽略学生科研能力和创新能力的提升。在这样的情况下，培养的人才虽能较快地适应岗位工作，但可能会缺乏科研创新思维，从而导致学生毕业后的发展潜能受限。通过调研，发现大多数企业对高职毕业生的定位并非一线工人，更希望他们能为企业的生产工艺、产品设计及方案改进等提供技术支持。部分毕业生建议学校应该为在校生提供更多的科
4、研锻炼机会，从而弥补高职生在科研创新方面发展后劲不足等问题。因此，“移动式搬运机器人设计与装调”以产品设计开发运行的流程为主线，基于 CDIO(即 Conceive、Design、Implement、Operate)工程教育理念13，组织设计并重构了该课程，培养学生技术技能的同时，锻炼学生科研能力，增强学生的设计思维和创新意识，让高职学生毕业后更具竞争力。1 教学整体设计 1.1 基于产品开发过程，重构课程“移动式搬运机器人设计与装调”是职业院校五年制高职在第 8 学期开设的一门专业技能(设计)课程。它以产品研发到产品运行的生命周期为载体，以增强学生职业综合能力为导向，以自主设计、制作、装调一
5、台满足任务需求的机器人为任务，连续 3 周(共 90 学时)以课程设计的形式集中开展教学。实施该课程是人才培养过程中一个重要的实践教学环节。本课程涉及的专业知识均为前面已学，借助课程设计这一实践教学环节对“机器人机构设计”“电工技术”“传感与检测技术”“常用电机控制和调速技术”“高级语言程序设计”等多门课程所涉及专业知识的实践性和应用性进行了重新认知，并对碎片化的学习内容进行系统性性整合，让学生以主动的、实践的、课程之间有机融合的方式学习工程4，实现跨学科技术融合。为此，我校的省级工业机器人教学创新团队携手当地企业，根据人才培养方案及课程标准等文件、对接比赛规程和行业标准、立足能力需求，基于
6、CDIO 工程教育理念，全方位渗入思政元素，重构了“移动式搬运机器人设计与装调”课程内容，设计了 6 个学习项目。课投稿日期：2022-06-17 基金项目：江苏省职业教育教学改革研究课题“五年制机电一体化专业群双主体、四结合人才培养模式创新研究”（ZYB330；“三教改革视域下职业学校现代学徒制岗位能力培养的实践研究”（ZYB319）作者简介：施琴（1979），女，江苏盐城人，教授，博士，研究方向：工业机器人技术，教育教学改革。第 3 期 施琴，史银花，池雯，等：基于 CDIO 理念教学实施报告 85 题组以项目四末端执行机构的设计及装调(见图 1)为研究对象，在学生已经完成行走机构及升降机
7、构的基础上实施。1.2 对接岗位需求，确定教学目标 本课程的目标是培养理想信念坚定、职业道德高尚、追求精益求精工匠精神的，具备较强的科研创新能力和可持续发展能力的高素质创新型技术技能人才。该目标精准对接岗位需求，结合教学内容，确定了知识、能力和素养三方面教学目标(见图 2)。图 1“移动式搬运机器人设计与装调”课程内容重构框架图 图 2 三维教学目标图 1.3 依学情定教情，设计教学策略 课前，对学生进行课堂需求调查及学习风格测试56，了解学生需求及性格特点(见图 3)。根据“学习通”平台中关联课程的学习情况，结合学生在本课程已学项目中的表现及完成情况，运用数据处理分析软件构建出他们在知识、技
8、能、科研创新等方面的能力雷达图。分析项目一 移动机器人的认知项目三 机械臂机构的设计及装调项目二 行走机构的设计及装调项目四 末端执行机构的设计及装调项目五 移动机器人整机装调项目六 机器人项目报告撰写课程内容任务名称思政元素重构依据任务1 末端执行机构的方案拟定任务2 可调式平移夹爪零部件择定任务3 可调式平移夹爪机构的设计与安装任务4 可调式平移夹爪机构的联调(16学时)人才培养方案课程标准依据文件移动机器人技能大赛FRC国际机器人比赛对接大赛规程对接行业标准机构设计员、程序调试员、机器人系统操作员立足职业能力构思设计实现运作名家事迹引入众多名家奋斗的事例，帮助学生树立正确的人生观、事业观
9、、职业观和价值观成语谚语引入蕴涵丰富人生哲理的成语和谚语，启发学生打好基础，厚积薄发超级工程解决技术“卡脖子”问题，增加学生的民族自信、专业认同感和自豪感人生哲学运用辩证关系，引导学生透过现象看本质工程事故引入各种安全事故案例，培养工匠精神工程教育理念树创新思维强社会担当重职业素养育工匠之心重分工负责育敬业之心求真才实学树理想信念融传统文化促文化自信重协同推进强合作精神思政元素融入方式1.掌握末端执行机构的组成及传动方式2.掌握常用机构的运动及在工程实际中的应用3.掌握零部件择定的方法及相关参数的推演与设计4.掌握机构虚拟装配、碰撞干涉检查及运动空间路径规划5.掌握机构实体装配的基本方法和步骤
10、6.掌握传感器的类型、电路连接、输出信号等7.掌握运动控制数学建模的方法8.掌握光电编码器在位置精准控制中的应用知识目标能力目标1.具备相关资料收集、整理及应用的能力2.能灵活运用已学专业知识初拟可调式夹爪的方案3.能通过小组协作完成零部件参数的选定及结构的设计4.能确定零件的加工工艺，完成零件的加工5.具备机构运动建模和仿真分析的能力6.具备制定装配工艺规程的能力7.具备控制系统建模的能力及编程调试的能力8.具备机构总装调试能力及规划统筹协调的能力掌握素质目标1.增强学生的创新意识和科研创新思维2.培养学生具有敢于竞争、敢于探索精神3.激发学生的使命担当和家国情怀4.培育学生的标准意识、经济
11、意识、规范操作意识及安全责任意识等5.培养学生养成安全、文明、规范操作的习惯6.培养学生严谨的工作态度、精益求精的工匠精神7.培养学生的协同合作精神及优雅的职业精神末端执行机构的设计及装调(16学时)可调式平移夹爪机构的设计与安装(4学时)可调式平移夹爪零部件择定(4学时)可调式平移夹爪机构的设计与安装(4学时)可调式平移夹爪机构的联调(4学时)重点：难点：86 萍乡学院学报 2023 年 雷达图发现：他们具备并掌握机器人技术专业中机构设计、加工工艺等基础知识和基本技能，但知识技能的迁移能力不强，跨课程融会贯通的应用能力不足；想要自主设计装调机构，但科研创新能力欠缺，职业规范意识淡薄。基于以上
12、学情，整合教学资源，设计教学场景，组建了本课程的教学团队。本课程运用项目式、自主探究式、启发式、情境式、头脑风暴式、小组合作式、“线上+线下”混合式79等方法策略开展教学，激发他们的创新意识。在教学过程中，将实业兴国、敬业精神、劳动精神、劳模精神、工匠精神等思政元素贯穿始终，同时强化学生职业岗位的体验。配套的动画、微课、3D 设计软件、学习通、云班课等信息化资源有助于实现线上线下混合式教学，拓展了学生的学习时空。通过线上的评价数据实时反映学生学习情况，及时做出教学策略调整，帮助学生梳理知识、学会设计，从而实现能力的升华。图 3 学情教情分析图 1.4 基于行为及结果，设计分层评价 以产品研发到
13、运行生命全周期的工程活动为教学主线，以最终成果能否得到企业的认可为准则，参照FRC(FIRST Robotics Competition)国际机器人比赛评判的相关标准，组建由校、企、赛事组委会等组成的评价专委会，设计基于工作行为及结果的多维度多层级评价体系，注重过程考核，探索增值评价。采用“自评+互评+师评+企评+赛评”相结合的方式，以“工作行为 50%(过程)+工作成果 50%(结果)”分阶段评定项目实施成效。从“个人责任感和抗压力、团队内高效工作、有效沟通与人际交往、关注质量与问题解决、持续改善”5 个维度 20 项指标出发，每个指标设有“不可接受、需要改进、符合要求、超出期望、表现卓越”
14、5 个层级，对学生的工作行为进行评估(图 4a)。从“功能性、过程性、整体设计”3 个维度 8 个指标点对学生的学习成果进行评价(图 4b)，每个指标设有“完全不符合、基本不符合、基本符合、完全符合”4 个层级。(a)学生工作行为评价 (b)学习工作结果评价 图 4 学习评价标准 遵守规范主动学习时间管理积极状态理解情况影响他人取长补短协同合作主动沟通有效倾听自信乐观发现问题安全导向关注细节解决问题学习机会改善机会适应能力接受反馈Kr：责任感和抗压力Kw：高效工作和学习Kc：有效沟通与交流Km：关注质量和问题解决Ks：持续改善五维度20个指标五层级表现卓越超出期望符合要求需要改进不可接受Kf：
15、功能性能力Kp：过程性能力Kg：整体设计能力三维度8个指标四层级完全符合基本符合完全不符合基本不符合可控性和展示性功能性使用价值导向经济性经营过程/生产流程与社会接受度/社会相容度环保性创造性课程团队01234机械识图加工工艺程序设计传感检测电机控制电路装接编程零件电路装接机构分析仿真分析创新设计KkKtKk：专业知识Kt：技术技能Ki：科研创新Ki全国实践教学能手知识产权骨干人才科研元素挖掘B教师全国技能大赛金牌教练、1+X考评员职操元素实施C教师FRC机器人赛教练、创新大赛指导教练创新元素融入D教师A教师省劳模全国优秀教师思政元素设计教学资源“学习通”平台微课视频工业机器人开放式实训基地P
16、PT课件数字孪生虚实一体化实训平台活页式工作手册“启航”产教融合基地国际机器人FRC创客工坊学生课堂需求学生学习风格学生知识技能第 3 期 施琴，史银花，池雯，等：基于 CDIO 理念教学实施报告 87 2 教学实施过程 2.1 走访企业，明确任务，收集资料，初拟方案 课前，教师通过学习通平台发布任务，为让学生明确任务需求，组织学生走访企业，了解末端执行机构应用的广泛性、类型的多样性、设计的挑战性等，激发他们强烈的学习意愿。同时，根据专业软件提供的学情数据，结合课前检测的情况，分析出学生个体差异，分层推送学习资源。学生按照任务要求收集相关资料，小组合作构思并初拟各组的方案(图 5)。课中，教师
17、组织大家头脑风暴，对各方案的可行性进一步讨论分析，引导学生从多方面考虑，并填写初拟方案的零件清单和任务书。图 5 初拟方案示意图 2.2 查阅手册，计算分析，择定参数，设计零件 根据初拟方案，学生对机构中运动部件进行受力分析计算，讨论出主要受力零件。教师引导学生查阅机械设计手册，选择合适的材料，并借助设计手册中相关计算公式择定主要受力零件的尺寸参数，进一步完善零件清单。设计过程中，教师通过启发引导学生合作探究，同时嵌入思政教育、设计规范、文献收集等内容，提升学生职业素养和设计能力。2.3 软件绘图，实体装配，电路搭建，程序联调 通过班级讨论、组内实施的方式，各小组按照“择定标准件、设计非标件、
18、绘制零部件、”的流程（详见图 6）完成末端执行机构的总装及联调。在这一实施过程中，运用软件中机构运动仿真功能解决运动干涉及过约束等问题，凸显仿真分析的重要性，强化规范操作、安全意识等素养，渗入劳动教育、工匠精神等思政元素，同时嵌入产品的经济成本、后续可控性等内容，促进学生进一步养成科研思维。针对机器人末端执行机构所需实现的运动，指导学生从安全性、可靠性、稳定性等角度设计和搭建电路。根据任务需求，分析运动流程并设计控制流程图，完成程序编写实现机构联调。在此任务的实施过程中，运用数学建模思路实现程序编写，培养学生运动控制建模能力，增强程序编写能力和机构运动联调经验，提升学生的工程应用能力。图 6
19、机构装配联调流程 2.5 整理资料，撰写报告，交付运行，完善方案 课后，以小组为单位，整理本项目的所有资料，撰写项目总结报告并上传平台，培养学生文案撰写能力、资料整理能力、项目总结能力。将调试好的末端执行机构这一产品交付运行，根据委托方的评价反馈结果，进一步完善方案。通过 C、D、I、O 这一基于产品研发到运行的生命全周期流程，逐渐培养学生的科研思维和创新意识，提高养成全局性设计思维的能力。3 教学实施成效 3.1 基于 CDIO 工程教育理念，提升学生综合素养 以学生为中心，强调自主设计，变被动学习为主动学习；强化项目式教学，注重营造实际工程教育文化要素。通过“收集、采用、试错、纠错、完善”
20、这一周期的历练，培养学生设计能力和科研能力；以完成末端执行机构可调式夹爪的加工及安装，培养学生的职业素养和技术技能；以夹爪机构的联调为载体，提升了学80340联轴器减速器电机夹爪导轨滑块 连杆曲柄第一小组：曲柄滑块机构减速器电机联轴器凸轮弹簧导轨夹爪第二小组：凸轮机构0340齿条齿轮联轴器减速器电机第三小组：齿轮齿条机构80340联轴器减速器电机夹爪螺母螺杆165第四小组：螺旋传动机构择定标准件设计非标件绘制零件图仿真分析编写程序绘制控制流程设计、搭建电路机械结构实体装配整机虚拟装配制定加工工艺加工非标件选购标准件机构联调88 萍乡学院学报 2023 年 生实际工程应用能力。目前，学生设计的一
21、些机构案例经过企业改进应用到工程实践中(如被某公司采用的矢量轮式 AGV 小车，社区采用的爬楼货运大师等)，当地众多企业向学生抛出了橄榄枝，这也表明当前所培养的学生能很好地适应企业岗位要求。3.2 融“岗赛证”于课程，赋能师生创新实践 根据 FRC 国际机器人组委会每年发布的任务要求，对接岗位需求，将“赛”“岗”“证”融于课，校企共同设计兼顾比赛、考证以及企业岗位能力需求的教学项目，学生自主设计，对已学的专业知识和技术进行了重构。设计的产品参加各级各类比赛获得多项大奖，并申报多项专利，不仅仅增强了学生的创新创业意识，还提高了自信，让他们敢想、敢做、敢创，为后续科研创新发展提供了强力引擎。3.3
22、 聚焦“三教”改革，引领学校课堂革命 组建课程教学团队，设计和开发新形态、新业态教材，采用灵活多样互动互促的教法，构建“三教”融合的良性循环机制。课程以移动式搬运机器人相关联动岗位为特征，重组教学内容；以行动导向设计教学环节；采用互动互促的方法，培养学生自主学习、合作学习的能力，实现课堂翻转；以移动课堂为抓手，大力推进线上线下混合式教学，提高学习效率。4 特色与创新 4.1 挖掘思政元素，培匠人育匠心破解素质教育之痛点 本课程在不同环节嵌入不同的思政元素10。项目导入时引用名家事迹，帮助学生树立正确的“四观”，激发学生的使命担当和家国情怀；在任务分析和方案讨论过程中，引用经典成语谚语及人生哲学
23、案例，启发学生打好基础、厚积薄发、敢于竞争冒险；在末端执行机构参数设计时引入超级工程案例，激发学生创新意识，增强学生科研思维；在虚拟仿真、实体装配、整机联调过程中，引入工程事故案例，强化学生的标准、经济、规范及安全意识，让学生保持细致严谨的态度，精益求精的精神，从而实现匠人的培养、匠心的塑造。4.2 基于 CDIO 模式，倡设计激创新破解技术融合之难点 本项目基于 CDIO 模式，倡导自主构思、设计、协作联调，激发了学生的创新意识，变被动学习为主动学习，实现了孤立碎片化的知识整体化、单项能力的综合化、多项技术的融合化，连接了知识技能综合应用的断点，破解了学生技术融会贯通应用能力培养这一难点。4
24、.3 分阶分层评价，明方向促发展激发科创活力之燃点 多元评价引导学生的学习方向，使每位学生清楚地了解自己的优缺点，促进学生持续自我改进与提升，实现了学生多元发展。将学习过程中的行为表现、最终成果等数据导入到“好专业”数据处理分析软件，为每位学生提供一个能力总分的同时，还提供一份帮助学生分析自己薄弱环节并进行反思的评价雷达图（见图 7）。图 7 学生个体评价雷达图 学生设计的方案有时让老师、企业工程师都感到惊叹。在这愉快的学习氛围、科学的教学组织方式、创新的评价体系中，学生的成就感被唤醒并得到满足，学生的学习热情及创新活力得到了更好的激发。5 反思与改进 以教学目标、课程标准、企业需求、赛项要求
25、为整改依据，从教学目标确定、教学内容合理、教学资源、教学策略、实施流程及评价等方面进行复盘，审视教学目标达成效果，反思存在不足的原因，探究更科学的整改措施，从而更好提升人才培养的质量。5.1 反思(1)小组讨论学习中，个别同学主动参与度不高，影响学习效果；(2)校内教师缺少工程应用经验，学生设计的方案太过理想化，企业并没有完全采用；(3)缺少系统化的教学资源，使得学生可直接参考、借鉴的资源较少。5.2 整改措施(1)要求所有同学将讨论内容、设计方案、解决策略等提交至学习通平台，保留学习过程的全套资料。(2)加大企业导师在教学环节中的比重，同时将评价过程与工作过程相统一，与企业签订委托合同，助力
26、学生设计方案被企业采用。(3)成立课程资源建设委员会，组织学校、企业、行业、赛事组委会等共同设计活页式教材、工作手册、微课视频等，拓展学习空间。012345KrKwKcKmKs工作行为0123KfKgKp工作结果A同学B同学C同学第 3 期 施琴，史银花，池雯，等：基于 CDIO 理念教学实施报告 89 参 考 文 献 1 胡文龙.基于 CDIO 的工科探究式教学改革研究J.高等工程教育研究,2014(1):163168.2 康全礼,丁飞己.中国 CDIO 工程教育模式研究的回顾与反思J.高等工程教育研究,2016(4):4046.3 顾佩华,胡文龙,陆小华,等.从 CDIO 在中国到中国的C
27、DIO:发展路径、产生的影响及其原因研究J.高等工程教育研究,2017(1):2443.4 张跃东,王云凤.职业院校教学实施报告撰写策略研究J.江苏教育研究,2020(36):1315.5 崔晓阳.基于 Felder-Silverman 学习风格模型的在线导学系统设计与开发D.济南:山东师范大学,2014.6 章宇琦.基于多维学习风格的学习策略推送研究D.成都:四川师范大学,2021.7 魏武华,罗雅过,侯敏,等.线上线下混合式教学模式的探索与实践J.计算机时代,2020(3):8789.8 余惠兰.线上线下混合式“金课”建设路径研究J.教育评论,2019(10):2125.9 吴昊,娄爽,张
28、华忠,等.线上线下混合式“金课”的构建与探索J.南京医科大学学报(社会科学版),2019,19(6):504506+509.10 石定芳,廖婧茜.新时代高校课程思政建设的本真、阻碍与进路J.现代教育管理,2021(4):3844.责任编校：王中兰 Teaching Report Based on CDIO Concept Taking the Project of Design and Assembly of End-effector as An Example SHI Qin1,2,SHI Yin-hua1,CHI Wen1,JIANG Guang-mei1(1.Jiangsu Union
29、Technical Institute,Zhenjiang Branch,Zhenjiang city,Jiangsu province 212016;2.Changzhou Institute of Industry Technology,Changzhou city,Jiangsu province 231001)Abstract:“End effector”is an important component in the mobile robot system.Combining with the capacity needs,this paper takes the design an
30、d installation tasks of the end effector as subject,reorganizes its contents,and elaborates its overall design,implementation process,implementation effect,characteristics and innovation,etc.Under the guidance of the engineering education concept of CDIO(Conceive-Design-Implement-Operate),the integr
31、ation of theory and practice,the combination of design and innovation,the unification of professional knowledge and job skills are realized,which has strong guiding significance for the development of integrated innovative teaching.Key words:teaching strategies;curriculum reconstruction;innovation e
32、valuation;ideological politic elements （上接第 54 页）Study on Land Carrying Capacity Based on AEZ Model A Case Study of Jiangxi Province HU Ji-xi1,2,WEI Xi-le2,ZHU Yu-ying2,DENG Ai-ping2(1.School of Public Administration and Law,Hunan Agricultural University,Changsha Hunan 410128,China;2.Pingxiang Unive
33、rsity,Pingxiang Jiangxi 337000,China)Abstract:Using 1 km1 km grid as the basic unit,the group used the AEZ model to analyze the photosynthesis,light and temperature,light and temperature water and land production potential of major crops such as wheat,rape and rice in Jiangxi Province.The land produ
34、ction potential of Jiangxi Province is characterized by digital map.On this basis,the indexes of photosynthesis,light temperature,light temperature water and soil production potential of Jiangxi Province are calculated,so as to quantitatively analyze the land production potential of Jiangxi Province
35、 and obtain the population carrying capacity of Jiangxi Province in different scenarios.The influence of different factors on land production potential and the data related to land carrying capacity in Jiangxi Province derived from the AEZ model provide a basis for the scientific utilization of arable land in Jiangxi Province.Key words：AEZ model;land;land production potential;land carrying capacity
