

摘" 要" 隨著建筑機(jī)器人技術(shù)的不斷發(fā)展和推廣應(yīng)用,建筑機(jī)器人應(yīng)用人才培養(yǎng)日益重要。基于CDIO理念,以項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)為核心,設(shè)計(jì)建筑機(jī)器人應(yīng)用人才實(shí)踐項(xiàng)目,旨在培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力、實(shí)踐能力和工程管理知識(shí)的建筑機(jī)器人應(yīng)用人才。
關(guān)鍵詞" 建設(shè)工程管理專(zhuān)業(yè);建筑機(jī)器人;CDIO理念
中圖分類(lèi)號(hào):G642.44" " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B
文章編號(hào):1671-489X(2024)14-0143-04
0" 引言
建筑機(jī)器人技術(shù)具有高效、精準(zhǔn)、安全等優(yōu)勢(shì),可以大大提高建筑施工的效率和質(zhì)量,同時(shí)可以降低建筑安全事故的發(fā)生率。因此,建筑機(jī)器人技術(shù)的應(yīng)用越來(lái)越受到建筑行業(yè)的重視。2020年7月,住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部等十三部門(mén)聯(lián)合下發(fā)的《關(guān)于推動(dòng)智能建造與建筑工業(yè)化協(xié)同發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》指出,要推廣應(yīng)用建筑機(jī)器人,探索具備人機(jī)協(xié)調(diào)、自然交互、自主學(xué)習(xí)功能的建筑機(jī)器人批量應(yīng)用[1]。2022年1月,《住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部關(guān)于印發(fā)“十四五”建筑業(yè)發(fā)展規(guī)劃的通知》發(fā)布,要求加強(qiáng)新型傳感、智能控制和優(yōu)化、多機(jī)協(xié)同、人機(jī)協(xié)作等建筑機(jī)器人核心技術(shù)研究,研究編制關(guān)鍵技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),形成一批建筑機(jī)器人標(biāo)志性產(chǎn)品;積極推進(jìn)建筑機(jī)器人在生產(chǎn)、施工、維保等環(huán)節(jié)的典型應(yīng)用,重點(diǎn)推進(jìn)與裝配式建筑相配套的建筑機(jī)器人應(yīng)用,輔助和替代“危、繁、臟、重”施工作業(yè);推廣智能塔吊、智能混凝土泵送設(shè)備等智能化工程設(shè)備,提高工程建設(shè)機(jī)械化、智能化水平[2]。同時(shí),建筑機(jī)器人在建筑施工中的應(yīng)用也在逐步增加,國(guó)內(nèi)外一些企業(yè)已經(jīng)開(kāi)始積極研發(fā)和推廣建筑機(jī)器人技術(shù)。例如,2018年7月,碧桂園成立全資子公司廣東博智林機(jī)器人有限公司,截至2023年2月,博智林已有28款建筑機(jī)器人投入商業(yè)化應(yīng)用,累計(jì)應(yīng)用施工面積超過(guò)1 000萬(wàn)平方米[3]。
隨著建筑機(jī)器人技術(shù)的快速發(fā)展,建筑機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用人才的需求量也在不斷增加,特別是在建筑工地自動(dòng)化、智能化、數(shù)字化方面,對(duì)建筑機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用人才的需求更加迫切。因此,通過(guò)建立與實(shí)際工作緊密結(jié)合的課程實(shí)踐教學(xué)平臺(tái),培養(yǎng)具有較強(qiáng)工程實(shí)踐能力的建筑機(jī)器人應(yīng)用人才,已成為當(dāng)前建設(shè)工程管理專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)的主要任務(wù)之一。
1" CDIO理念
CDIO(Conceive-Design-Implement-Operate,構(gòu)思—設(shè)計(jì)—實(shí)踐—運(yùn)行)人才培養(yǎng)模式是一種由美國(guó)麻省理工學(xué)院(MIT)提出的工程教育模式,經(jīng)過(guò)多年的實(shí)踐和發(fā)展,已經(jīng)得到全球范圍內(nèi)的認(rèn)可和廣泛應(yīng)用。該模式以項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)為核心,強(qiáng)調(diào)學(xué)生具備創(chuàng)新精神,同時(shí)鼓勵(lì)學(xué)生在工程實(shí)踐中形成團(tuán)隊(duì)合作精神,共同解決實(shí)際問(wèn)題。在課程設(shè)置上,讓學(xué)生通過(guò)構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)踐、運(yùn)行四個(gè)環(huán)節(jié)完成工程實(shí)踐,在實(shí)踐中學(xué)習(xí)、掌握并應(yīng)用知識(shí),從而培養(yǎng)出具有創(chuàng)新能力、實(shí)踐能力和工程管理知識(shí)的高素質(zhì)工程人才,提高學(xué)生的綜合素質(zhì)和就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力,解決傳統(tǒng)工程教育與企業(yè)需求不匹配的問(wèn)題。
劉力濤[4]以高職智能電子專(zhuān)業(yè)為例,打破傳統(tǒng)基礎(chǔ)課、專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課和專(zhuān)業(yè)課條形架構(gòu),采用CDIO理念把職業(yè)能力分解為具體項(xiàng)目,進(jìn)行課程體系創(chuàng)新。薛文金等[5]基于CDIO理念,介紹德國(guó)合作高校土木工程專(zhuān)業(yè)將建筑信息化技術(shù)融入教學(xué)的實(shí)踐步驟及成效。宮喚春[6]基于CBE和CDIO理念,對(duì)智能運(yùn)輸系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行項(xiàng)目化設(shè)計(jì),以智能交通出行需求與分布預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)為例,按CDIO的四階段詳細(xì)介紹設(shè)計(jì)過(guò)程。Baryshev等[7]基于CDIO理念,開(kāi)展3D建模和設(shè)計(jì)課程,認(rèn)為根據(jù)這些標(biāo)準(zhǔn)制定的學(xué)術(shù)課程和方法能夠培養(yǎng)具備實(shí)踐技能的專(zhuān)業(yè)人才。楊捷等[8]將CDIO理念融入工業(yè)機(jī)器人實(shí)訓(xùn)課程,讓學(xué)生在實(shí)操中掌握工程應(yīng)用技術(shù)的關(guān)鍵要素,學(xué)生屢次在各級(jí)機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)大賽上獲獎(jiǎng),培養(yǎng)的應(yīng)用型人才深受企業(yè)好評(píng)。
總體來(lái)看,過(guò)往學(xué)者將CDIO模式引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)并獲得顯著成效,但未見(jiàn)將其應(yīng)用于建筑機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)教學(xué)的報(bào)道。因此,構(gòu)建一套基于CDIO理念的建筑機(jī)器人應(yīng)用人才培養(yǎng)教學(xué)設(shè)計(jì),以期尋找培養(yǎng)符合我國(guó)建筑行業(yè)發(fā)展需求的建筑機(jī)器人技術(shù)人才的有效方法。
2 基于CDIO理念的建筑機(jī)器人應(yīng)用人才培養(yǎng)模式構(gòu)建
人才培養(yǎng)模式的構(gòu)建是基于專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。建筑機(jī)器人應(yīng)用人才的培養(yǎng)目標(biāo)包括:具備建筑機(jī)器人的應(yīng)用技能和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn);掌握工程管理知識(shí)和技能,能夠有效管理機(jī)器人施工過(guò)程;具備創(chuàng)新精神和解決問(wèn)題的能力,能夠在實(shí)際工程中提出創(chuàng)新性的解決方案。為了達(dá)到培養(yǎng)要求,本文構(gòu)建基于CDIO理念的建筑機(jī)器人應(yīng)用人才培養(yǎng)模式。
2.1" 建立以項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)為核心的課程結(jié)構(gòu)
將CDIO理念引入建設(shè)工程管理專(zhuān)業(yè)課程體系,通過(guò)項(xiàng)目設(shè)計(jì)構(gòu)建建筑機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)課程。在建設(shè)工程管理專(zhuān)業(yè)常規(guī)課程基礎(chǔ)上,基于理實(shí)一體化課堂平臺(tái)、“1+X”證書(shū)培訓(xùn)平臺(tái)、校企融合雙元育人平臺(tái)的“三位一體”人才培養(yǎng)平臺(tái),構(gòu)建建筑機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)課程體系,涵蓋建筑機(jī)器人應(yīng)用技能、工程管理知識(shí)、創(chuàng)新思維等方面。建筑機(jī)器人應(yīng)用需要運(yùn)用信息技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和管理,因此應(yīng)加強(qiáng)學(xué)生的信息技術(shù)應(yīng)用能力培養(yǎng),如數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)庫(kù)管理、云計(jì)算等方面的能力。構(gòu)思和設(shè)計(jì)是CDIO工程教育中的重要環(huán)節(jié),因此,通過(guò)開(kāi)設(shè)相關(guān)的設(shè)計(jì)課程和實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié),培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計(jì)思維和設(shè)計(jì)能力。通過(guò)人工智能與建筑機(jī)器人應(yīng)用課程,介紹建筑機(jī)器人應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展前景,以及建筑機(jī)器人的種類(lèi)、結(jié)構(gòu)、工作原理、應(yīng)用范圍等方面的知識(shí),并結(jié)合實(shí)踐案例和模擬項(xiàng)目進(jìn)行講解,幫助學(xué)生深入了解建筑機(jī)器人在建筑工程中的應(yīng)用。通過(guò)建筑機(jī)器人保養(yǎng)與維護(hù)課程,介紹建筑機(jī)器人設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)知識(shí),將案例貫穿理論教學(xué)過(guò)程,培養(yǎng)學(xué)生查找建筑機(jī)器人故障報(bào)警原因的能力以及解決問(wèn)題的能力。
2.2" 構(gòu)建基于智慧工地實(shí)訓(xùn)室的創(chuàng)新實(shí)訓(xùn)平臺(tái)
建筑機(jī)器人的應(yīng)用需要與實(shí)際工程結(jié)合,因此,設(shè)計(jì)實(shí)踐環(huán)節(jié)是培養(yǎng)建設(shè)工程管理人才的重要環(huán)節(jié)。實(shí)踐環(huán)節(jié)包括校內(nèi)實(shí)訓(xùn)、校外實(shí)習(xí)和畢業(yè)設(shè)計(jì)等。通過(guò)實(shí)踐環(huán)節(jié),學(xué)生可以在實(shí)際工程中靈活運(yùn)用建筑機(jī)器人技術(shù),提高實(shí)踐能力。
實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)旨在培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新思維,是建筑機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)教學(xué)過(guò)程的重要組成部分。在實(shí)訓(xùn)基地搭建一個(gè)數(shù)字化、在線化、智能化的智慧工地場(chǎng)景,依托此場(chǎng)景開(kāi)展建筑機(jī)器人實(shí)踐操作模擬實(shí)訓(xùn)教學(xué),使學(xué)生了解相關(guān)建筑機(jī)器人的工作原理與操作方法以及智慧工地新型管理工作內(nèi)容、方式方法和步驟。學(xué)生利用虛擬設(shè)計(jì)平臺(tái)完成機(jī)器人路線及施工過(guò)程的設(shè)定模擬,并驅(qū)動(dòng)實(shí)體機(jī)器人完成相關(guān)工藝考核。
校內(nèi)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)將逐步集合主流建筑機(jī)器人,建成建筑機(jī)器人項(xiàng)目教學(xué)庫(kù),將建筑機(jī)器人實(shí)訓(xùn)平臺(tái)貫穿建筑機(jī)器人應(yīng)用人才培養(yǎng)過(guò)程,形成能力進(jìn)階的系列化實(shí)踐項(xiàng)目教學(xué)體系,使學(xué)生在校期間受到建筑機(jī)器人現(xiàn)場(chǎng)工程師的完整訓(xùn)練,將課程考核評(píng)價(jià)與行業(yè)要求相對(duì)應(yīng)。同時(shí),與建筑企業(yè)合作,建立產(chǎn)教融合生產(chǎn)型實(shí)訓(xùn)基地,為學(xué)生增加項(xiàng)目實(shí)踐機(jī)會(huì)。
2.3" 校企混編師資隊(duì)伍建設(shè)
首先,國(guó)家“雙高計(jì)劃”將打造高水平“雙師型”隊(duì)伍列為十大改革發(fā)展任務(wù)之一,對(duì)于建筑工程管理專(zhuān)業(yè)這種偏重技術(shù)技能實(shí)操經(jīng)驗(yàn)的專(zhuān)業(yè)來(lái)說(shuō),“雙師型”教師尤為重要。高職院校在招聘新教師時(shí)應(yīng)優(yōu)先考慮有建筑機(jī)器人應(yīng)用企業(yè)工作經(jīng)驗(yàn)的優(yōu)秀教師,學(xué)校相關(guān)教師定期到企業(yè)進(jìn)行崗位實(shí)踐,參與企業(yè)工程實(shí)踐或技術(shù)攻關(guān)。其次,可以邀請(qǐng)建筑機(jī)器人應(yīng)用的企業(yè)高級(jí)技術(shù)人員、工程管理人員擔(dān)任兼職教師,和學(xué)校自有師資共同討論擬定學(xué)生培養(yǎng)方案,形成以學(xué)校自有師資隊(duì)伍為骨干、以企業(yè)兼職教師隊(duì)伍為支撐的校企混編教學(xué)隊(duì)伍,開(kāi)展各項(xiàng)教學(xué)工作。在人才培養(yǎng)過(guò)程中,學(xué)校自有師資承擔(dān)大部分基礎(chǔ)課、專(zhuān)業(yè)課的教學(xué)任務(wù);企業(yè)兼職教師依托企業(yè)資源開(kāi)展產(chǎn)教融合課程,將建筑機(jī)器人應(yīng)用項(xiàng)目案例引入課堂。
3" 基于CDIO理念的項(xiàng)目實(shí)踐教學(xué)設(shè)計(jì)
在CDIO教育中,學(xué)生需要完成一個(gè)完整的項(xiàng)目,這個(gè)項(xiàng)目通常需要完成構(gòu)思—設(shè)計(jì)—實(shí)踐—運(yùn)行四個(gè)階段。這樣的項(xiàng)目能夠使學(xué)生真正地將所學(xué)知識(shí)和技能應(yīng)用到實(shí)踐中,并且能夠培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作、溝通和領(lǐng)導(dǎo)能力。本文以噴涂機(jī)器人的實(shí)訓(xùn)課程為例,構(gòu)建基于CDIO理念的建筑機(jī)器人應(yīng)用項(xiàng)目實(shí)踐教學(xué)設(shè)計(jì)。
3.1" 項(xiàng)目構(gòu)思
在項(xiàng)目構(gòu)思階段,引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)閱讀、調(diào)研等方式,了解噴涂機(jī)器人技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀和市場(chǎng)需求。項(xiàng)目背景設(shè)定為某項(xiàng)目主體結(jié)構(gòu)及二次結(jié)構(gòu)施工完成,已經(jīng)開(kāi)始精裝修施工,針對(duì)涂料噴涂工作,項(xiàng)目部擬購(gòu)入噴涂機(jī)器人進(jìn)行輔助作業(yè)。在實(shí)踐課程之前,先開(kāi)展噴涂機(jī)器人的基本操作方法教學(xué)。建設(shè)工程管理人才應(yīng)具備較強(qiáng)的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力,在教學(xué)中也應(yīng)注重培養(yǎng)和考查學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作精神與能力。把學(xué)生分成若干小組,小組成員之間明確分工及合作方式,鼓勵(lì)學(xué)生通過(guò)查找資料、小組討論制定合理的施工方案。
3.2" 項(xiàng)目設(shè)計(jì)
將噴涂機(jī)器人項(xiàng)目設(shè)計(jì)為三個(gè)部分,包括噴涂機(jī)器人啟動(dòng)準(zhǔn)備、噴涂機(jī)器人關(guān)聯(lián)模型、噴涂機(jī)器人施工工藝編制及虛實(shí)施工。通過(guò)噴涂機(jī)器人啟動(dòng)準(zhǔn)備環(huán)節(jié)的實(shí)踐學(xué)習(xí),學(xué)生可以了解并掌握噴涂機(jī)器人進(jìn)行自動(dòng)噴涂前的準(zhǔn)備工作;通過(guò)噴涂機(jī)器人關(guān)聯(lián)模型的實(shí)踐學(xué)習(xí),學(xué)生可以了解并掌握如何在噴涂機(jī)器人虛實(shí)互動(dòng)軟件中導(dǎo)入機(jī)器人并關(guān)聯(lián)按鈕;通過(guò)噴涂機(jī)器人施工工藝編制及虛實(shí)施工環(huán)節(jié)的實(shí)踐學(xué)習(xí),學(xué)生可以了解并掌握如何在噴涂機(jī)器人虛實(shí)互動(dòng)軟件中噴涂圖案并進(jìn)行虛實(shí)結(jié)合施工。
3.3" 項(xiàng)目實(shí)踐
在實(shí)踐階段,指導(dǎo)教師扮演指導(dǎo)者和監(jiān)督者,引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實(shí)踐操作并及時(shí)糾正學(xué)生的錯(cuò)誤,讓學(xué)生在實(shí)踐中不斷積累經(jīng)驗(yàn)、提高能力。同時(shí),引導(dǎo)學(xué)生學(xué)以致用,將所學(xué)知識(shí)應(yīng)用于實(shí)際工作中。通過(guò)實(shí)踐環(huán)節(jié),學(xué)生可以了解噴涂機(jī)器人的工作原理、工作方法及使用技巧,分小組進(jìn)行實(shí)訓(xùn)演練,并輸出實(shí)訓(xùn)成果,在實(shí)際施工中熟悉噴涂機(jī)器人的操作流程和施工規(guī)范,提高實(shí)踐能力和工程管理能力。
噴涂機(jī)器人啟動(dòng)準(zhǔn)備:將涂料灌入料斗,然后將料斗安裝至噴涂機(jī)器人爪形部位,將料斗電纜連接至噴涂機(jī)器人機(jī)械臂;將噴涂機(jī)器人牽引至房間內(nèi),以噴涂機(jī)器人左下角為原點(diǎn)與墻原點(diǎn)進(jìn)行對(duì)準(zhǔn),完成就位。
噴涂機(jī)器人關(guān)聯(lián)模型操作:通過(guò)導(dǎo)入并新增噴涂機(jī)器人、掛接噴涂機(jī)器人模型、調(diào)整噴涂機(jī)器人節(jié)點(diǎn)位置、設(shè)定機(jī)器人節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)、為按鈕增加觸發(fā)范圍、為按鈕增加碰撞體等系列操作,完成按鈕和機(jī)器人的關(guān)聯(lián)操作,如圖1所示。
開(kāi)展噴涂機(jī)器人施工工藝編制及虛實(shí)施工:通過(guò)設(shè)置詳細(xì)編制參數(shù)、噴涂模式、噴涂時(shí)間,機(jī)器人位置調(diào)整,隱藏機(jī)器人節(jié)點(diǎn),發(fā)布噴涂工藝等環(huán)節(jié),完成施工工藝的編制,如圖2所示。之后進(jìn)入噴涂工藝推演場(chǎng)景,虛擬場(chǎng)景中的噴涂機(jī)器人進(jìn)行預(yù)設(shè)路徑的噴涂操作,同時(shí)實(shí)際場(chǎng)景中的噴涂機(jī)器人開(kāi)始同樣的噴涂,完成虛實(shí)施工;最后,將噴涂機(jī)器人未完材料進(jìn)行回收,并將機(jī)器人牽引至原始位置。
3.4" 項(xiàng)目運(yùn)行
項(xiàng)目實(shí)踐教學(xué)的運(yùn)行環(huán)節(jié),通過(guò)對(duì)學(xué)生的實(shí)踐操作進(jìn)行評(píng)估和總結(jié),分析學(xué)生實(shí)踐過(guò)程中存在的問(wèn)題和不足,并提供針對(duì)性的改進(jìn)建議,激勵(lì)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和提高實(shí)踐能力。實(shí)驗(yàn)完成后,各小組由一名成員對(duì)本小組的項(xiàng)目實(shí)踐完成情況進(jìn)行講解和現(xiàn)場(chǎng)演示,指導(dǎo)教師和其他學(xué)生進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)提問(wèn),根據(jù)各小組的講解演示和答辯情況,指導(dǎo)教師給出各小組的成績(jī)考核評(píng)價(jià)。講解和答辯情況共計(jì)30分,根據(jù)講解和答辯的準(zhǔn)確性、全面性酌情給分;現(xiàn)場(chǎng)演示環(huán)節(jié)共計(jì)70分,其中,完成噴涂機(jī)器人的充電步驟計(jì)10分,完成灌料步驟計(jì)10分,完成牽引操作步驟計(jì)10分,完成機(jī)器人模型關(guān)聯(lián)步驟計(jì)10分,完成施工工藝編制步驟計(jì)10分、完成虛擬施工步驟計(jì)10分、清理現(xiàn)場(chǎng)并恢復(fù)原始位置計(jì)10分,未完成或出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí),根據(jù)工作量酌情給分。
4" 結(jié)論
在國(guó)家大力推廣建筑機(jī)器人背景下,企業(yè)對(duì)于具備建筑機(jī)器人應(yīng)用技能的人才需求強(qiáng)烈,然而目前的高職院校建筑工程管理專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)方案大多不足以支撐。基于CDIO理念的項(xiàng)目教學(xué)在建筑機(jī)器人實(shí)訓(xùn)課程中的應(yīng)用,具有循序漸進(jìn)、注重實(shí)踐、強(qiáng)調(diào)創(chuàng)新和面向全球等特點(diǎn),可以有效提高建設(shè)工程管理專(zhuān)業(yè)學(xué)生的就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力,更好地適應(yīng)未來(lái)建筑行業(yè)的發(fā)展。
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*項(xiàng)目來(lái)源:2022年北京財(cái)貿(mào)職業(yè)學(xué)院科研課題“基于建筑機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用的建設(shè)工程管理人才培養(yǎng)模式研究”(課題編號(hào):BJCZY2022C23)。
作者簡(jiǎn)介:趙旭陽(yáng),通信作者,講師;何奇,講師;劉文華,教授,博士。