新工科背景下逆向工程技術課程改革與實踐

范恒亮 魏天路 王超

（蚌埠學院機械與車輛工程學院 安徽蚌埠 233030）

為更好地應對新產(chǎn)業(yè)變革和科技革命，國家出臺了一系列面向新經(jīng)濟的“中國制造2025”“一帶一路”等戰(zhàn)略方針。隨著以新技術、新產(chǎn)業(yè)為引導的新經(jīng)濟的高速發(fā)展，高校培養(yǎng)的人才很難跟上高速發(fā)展的節(jié)奏，這就為我國高校培養(yǎng)面向新工科的交叉型人才提出了新的挑戰(zhàn)和研究課題[1]。2017年，我國提出高等教育新工科計劃和實施建議，以及隨后形成新工科的“三部曲”，要求應用型本科院校人才培養(yǎng)要以產(chǎn)業(yè)結構調(diào)整為引導，不斷對人才培養(yǎng)模式進行優(yōu)化[2]。在新工科建設的引領下，需要高校更新人才培養(yǎng)理念，加大課程思政融入的力度，重視學生工程實踐和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[3]。

“逆向工程技術”作為一門機械類專業(yè)的必修課程，是對現(xiàn)有產(chǎn)品或零件的技術要求、功能特性和組織結構進行分析，通過CAD/CAM軟件、3D掃描設備和快速成型工藝對產(chǎn)品進行反向再現(xiàn)的過程。該技術廣泛應用于產(chǎn)品創(chuàng)新設計和快速成型領域，具有縮短研發(fā)周期、減少企業(yè)成本和加快產(chǎn)品造型設計的作用[4]。該課程涉及到數(shù)學模型建立、逆向建模、創(chuàng)新設計和3D打印技術，涵蓋基礎數(shù)學、材料科學、機械設計、機械制造等學科。針對目前逆向工程技術課程教學過程中存在的突出問題，根據(jù)學校依托地方產(chǎn)業(yè)、將工程教學理念貫穿教學、培養(yǎng)應用型人才的辦學定位，積極探索逆向工程技術課程教學改革模式，逐步提升學生培養(yǎng)質(zhì)量。

一、教學現(xiàn)狀分析

（一）課程體系不足以支撐人才培養(yǎng)目標。機械制造專業(yè)主要為社會培養(yǎng)具有較強的工程實踐能力的高素質(zhì)應用型專門人才。逆向工程技術作為一門交叉學科的課程，對于學生的產(chǎn)品創(chuàng)新設計、加工工藝規(guī)劃和動手能力的培養(yǎng)，具有較好地支撐作用[5]。但在課程設置上，僅僅有傳統(tǒng)的機械設計與原理、工程材料及熱處理、機械制造技術、工業(yè)造型設計等課程，缺乏創(chuàng)新方法、3D掃描技術、3D檢測技術相關的課程，無法形成以數(shù)字化貫穿測量、設計與成型的整體意識。

（二）教學方法單調(diào)陳舊。目前，課程的教學方式往往以傳統(tǒng)的灌輸式和簡單的借助PPT的方式進行，學生對較為抽象的產(chǎn)品造型難以理解，進而學生感覺枯燥，學習效果較差。同時，缺乏師生的互動和學生自主學習能力的培養(yǎng)。隨著信息時代的到來，多媒體教育網(wǎng)絡平臺日益增多，信息化的教學手段使課程教學更加自主和豐富。通過借助大學生MOOC、精品課程、學習通等資源和平臺，采用混合式的線上+線下的教學方式，可達到增加課堂活性和提高教學質(zhì)量的效果[6]。

（三）學生的工程實踐與創(chuàng)新能力不足。現(xiàn)有的課程體系中重理論輕實踐，僅在理論課后設置2-3個演示實驗，缺乏創(chuàng)新訓練的實驗項目，很難滿足新工科對于學生具有創(chuàng)新思維和解決復雜工程問題能力的要求。

（四）學生評價方式單一。逆向工程技術課程仍以傳統(tǒng)的考核方式為主，如期末理論考試和學生的出勤情況相結合。期末理論考試的知識點以教材的固定知識點為主，學生為應付考試，只是掌握相關知識點，而忽略其他知識點的學習。缺乏對課程教學過程性考核，減少了學生課上、課下課程的參與度，不利于學生能力的提升。

二、課程改革實施途徑

（一）課程融入思政教育。2016年12月，習近平總書記明確指出，要把思想政治工作貫穿教育教學全過程。這就要求課程教師在完成專業(yè)知識講授的同時，還必須樹立以德育人的理念，將以德樹人的教育理念融入到專業(yè)課教學過程中。逆向工程技術作為高校機械類專業(yè)的一門專業(yè)課，在保持學科特征的基礎上，將以德樹人作為核心目標，將思政元素融入課程教學中，如表1所示，從而指引逆向工程技術的教學改革落到實處。

表1 思政元素融入《逆向工程技術》教學內(nèi)容表

在課程導學階段，向學生介紹逆向工程技術的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀以及在制造業(yè)所起的重要作用。如逆向工程技術在國內(nèi)重要的加工制造領域取得的成就、3D打印技術在龍門人像修復的應用、國外在超音速飛機上的應用，以此引導學生在看到差距的同時樹立自信[7]。同時，分析該課程的重難點及學習方法，使學生養(yǎng)成直面挫折的勇氣。在理論講授階段，注重各章節(jié)之間的聯(lián)系和在課程中所起的作用，培養(yǎng)學生對課程體系的整體把握。對于難以理解的知識點，借助模型或信息化手段展現(xiàn)和講解。采用討論式教學，分析逆向工程技術發(fā)展的優(yōu)勢和瓶頸，讓學生學會尊重事實和明確發(fā)展目標的教學目的。在實踐環(huán)節(jié)階段，使學生學會操作三坐標測量、掃描儀、FDM成型機等設備，使學生逐步樹立愛崗敬業(yè)、工匠精神和立足崗位的職業(yè)素養(yǎng)。

（二）優(yōu)化課程體系。在新工科背景下，面向新經(jīng)濟的產(chǎn)品創(chuàng)新設計與制造的理念和方法已發(fā)生改變，隨著計算機輔助設計、工藝和加工技術的發(fā)展，對優(yōu)化課程體系提出了高要求[8]。如，在《機械制圖》中可能只重視構型和手繪的講授，而缺乏對三維軟件的教學，在《機械三維建模技術》中只重視產(chǎn)品的造型設計，而忽視對設計產(chǎn)品加工方法和工藝的規(guī)劃。針對逆向工程技術課程教學現(xiàn)狀和特點，結合新工科背景下對學生素養(yǎng)和能力要求，提出應用型本科逆向工程課程體系優(yōu)化方案，即三層次、三模塊、四目標，如圖1所示。

圖1 逆向工程課程體系優(yōu)化方案

逆向工程技術涉及到產(chǎn)品的三維掃描、正/逆向建模、產(chǎn)品創(chuàng)新設計、產(chǎn)品成型制造和精密測量技術等環(huán)節(jié)?；谀嫦蚬こ陶n程體系優(yōu)化方案，以新工科對培養(yǎng)應用型技能人才為引導，對于課程體系中涵蓋的課程分為三模塊，每個模塊在課程教學中通過基礎訓練、綜合訓練和創(chuàng)新訓練，進而達到人才培養(yǎng)的四目標。以所學機械設計和機械原理為理論指導，以計算機輔助設計相關軟件（Pro/E、SolidWorks、UG等）為平臺完成產(chǎn)品的設計。利用實驗室四目三維掃描儀、三坐標測量機、GeoMagic軟件完成產(chǎn)品的逆向建模。根據(jù)設計產(chǎn)品的結構特點和性能要求，選擇合適的增材制造工藝，如FDM、SLM、SLS等完成產(chǎn)品的快速原型制造。

（三）引入混合式教學模式。混合式教學模式是將信息化技術手段與傳統(tǒng)課堂教學方式有機結合的新模式，該模式在保證教師主導地位的同時，圍繞以學生為中心的教學理念，完成教學全過程[9]。傳統(tǒng)的逆向工程技術授課方式，往往以PPT講解穿插少許動畫為主，學生只是被動接受書本知識，缺乏自主學習和師生互動交流的機會。這種教學模式，很難調(diào)動學生的學習興趣，學生的積極性和創(chuàng)造性更是無法發(fā)揮，教學效果也很難達到預期的效果，教學質(zhì)量也無法保證。為緩解因教學模式陳舊帶來的教學質(zhì)量較差的狀況，改變目前的教學現(xiàn)狀，提升課程教學水平，引入線上+線下混合式教學模式，實施過程如圖2所示,課程教學分為課前準備與學生預習（線上）、課堂教學與實踐環(huán)節(jié)教學（線下）和課后拓展三部分，主要側重于多手段的融合、交互和反饋，旨在提高教學效率和學生學習主動性。

圖2 實施過程圖

1.課前準備。通過超星學習通平臺，鞏固上節(jié)重難點知識點，推送本節(jié)學習綱要、任務點和相關學習資源，如中國MOOC資源、PPT、課程相關視頻。布置課前作業(yè)，根據(jù)學生完成情況，了解學生對相關知識點的掌握情況，調(diào)整教學策略，對于薄弱環(huán)節(jié)列為課堂教學環(huán)節(jié)的重點。

2.課堂實施。通過教室客戶端登陸學習通，利用手勢簽到檢查學生出勤情況，對課前作業(yè)進行點評。針對本節(jié)的難點開展組織教學，如常見的三維造型軟件如何與3D打印機聯(lián)機是難點，借助學生購物會在第三方平臺完成啟發(fā)學生轉變思維。實操時，會將三維造型軟件轉化為stl中間格式，這樣就解決無法聯(lián)機的問題。針對知識點的重點內(nèi)容，在學習通平臺進行課堂提問，要求學生限時完成。及時對學生掌握情況現(xiàn)場反饋，增加了學生參與度，有利于提高學生對課程興趣感，便于學生接受新知識和表達新想法。

3.課后作業(yè)和拓展。課后主要采用線下的方式完成，主要包括課后作業(yè)和課后拓展兩個環(huán)節(jié)。為了使學生掌握科學研究成果檢索方式，以逆向工程技術有關的論文和專利為主題，要求學生課后利用檢索工具完成檢索并在學習通討論模塊交流學習。這樣學生在學會使用檢索工具的同時，也拓寬了學生的視野。

（四）豐富實踐教學環(huán)節(jié)。在新工科專業(yè)建設過程中，需要將相關課程的實踐環(huán)節(jié)聯(lián)系起來，打造培養(yǎng)新工科人才的實踐教學體系[10]。針對現(xiàn)有的課程體系中注重課本知識而忽視知識外延和拓展的狀況，并結合新工科對學生培養(yǎng)目標的要求，構建實踐教學體系，如圖3所示。該體系以學生能力培養(yǎng)為引導，分別從課內(nèi)實驗課程、課內(nèi)課程設計，集中實踐課程和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)課程開展教學。

圖3 面向新工科的逆向工程技術實踐教學體系

1.課內(nèi)實驗課程。該課程設置4課時課內(nèi)實驗，即三維四目掃描、產(chǎn)品設計與成型加工。掃描儀以齒輪減速器箱體為掃描對象，利用Imageware軟件完成對掃描軌跡優(yōu)化和點云數(shù)據(jù)處理。產(chǎn)品設計與成型加工要求學生利用所會的軟件完成三維模型繪制，將處理完成的stl文件傳輸?shù)紽DM 3D打印設備進行增材制造，打印結束后進行去支撐和打磨處理，完成產(chǎn)品的設計和加工，學生作品如圖4所示。

圖4 實驗課程學生作品

2.課內(nèi)課程設計。以汽輪機葉輪的復制為例，介紹課程設計的實施過程，具體包括葉輪表面數(shù)據(jù)掃描、數(shù)據(jù)處理、葉輪模型重構、輕量化設計和增材制造等過程。

（1）葉輪表面掃描。首先對實驗對象葉輪進行標定，利用實驗室四維三目掃描系統(tǒng)對葉輪進行非接觸式掃描，掃描過程如圖5（a）所示，將掃描后的點云數(shù)據(jù)傳輸后臺軟件處理。

（2）數(shù)據(jù)處理。輪掃描過程中，會出現(xiàn)雜點、噪點和其他干擾點，因此葉輪每個方向掃描完成要利用軟件對點云數(shù)據(jù)處理，包括去噪點、拼接等環(huán)節(jié)。完整點云數(shù)據(jù)要封裝為stl文件，得到葉輪三維模型的原始文件，為下一步模型重構做好準備。

（3）葉輪模型重構和增材制造。葉輪的stl文件需要借助Geomagic Design X軟件完成模型優(yōu)化，通過對葉輪的主體、回轉體進行合并、縫合，利用面片對葉輪的輪廓面擬合，最終得到葉輪優(yōu)化后的三維模型，如圖5（b）所示。利用實驗室SLS金屬成型裝備完成葉輪成型實物加工，從而驗證產(chǎn)品設計方案的可行性和葉輪的各項性能，實物圖如5（c）所示。

圖5 汽輪機葉輪的復制過程

3.集中實踐訓練。該課程的集中實踐采用分散式方式開展，不設置考核指標，主要用以引導學生在各項實習環(huán)節(jié)著重知識的積累。如，在認識實習環(huán)節(jié)，通過參觀相關產(chǎn)業(yè)的工程實踐，讓學生熟悉目前該技術在企業(yè)的應用狀況。在生產(chǎn)實習環(huán)節(jié)，結合企業(yè)所生產(chǎn)的產(chǎn)品，運用逆向工程技術，提高勝任工作崗位的能力。

4.創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練。結合逆向工程課程中的逆向建模、輕量化設計和快速成型模塊，依托相關學科競賽，如大學生先進成圖技術與產(chǎn)品信息建模創(chuàng)新大賽、安徽省工業(yè)設計、全國3D大賽和“互聯(lián)網(wǎng)+”創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽，采用任務驅動、項目式教學，培養(yǎng)學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力。

（五）改革課程考核方式。為建立科學合理的考核評價體系，逐步改變單一的終結性評價，建立和完善多元、多主體、多形式的課程考核評價機制，客觀公正評價教學質(zhì)量，持續(xù)推動學生學習能力與學業(yè)成果的提升[11]。通過過程性考核進行全過程的實時監(jiān)控，形成對教師即時性的影響效應，促進教師改進課堂教學方法，制定逆向工程技術形成性考核體系，如圖6所示。形成性考核（評價）體系分為閉卷考試和過程性成果考核兩個方面，課堂測試和期中測試主要在學習通平臺完成，期末考試由學校期末統(tǒng)一組織。任課教師應結合逆向工程技術課程的實際需要來確定課程具體的形成性考核（評價）實施方案，在教案中精心設計具體環(huán)節(jié)，及時分析、反饋、總結，切實結合學生情況實施課程考核。

圖6 形成性考核體系

三、結語

通過以新工科人才培養(yǎng)理念為引導，有力推動了逆向工程技術課程教學改革。在改革過程中，緊緊圍繞課程思政教育、課程體系優(yōu)化、教學方法更新、豐富實踐教學和完善學生考核方式等環(huán)節(jié)，目的是構建以培養(yǎng)學生工程實踐和創(chuàng)新能力的課程教學新模式，提升了教學效果和學生培養(yǎng)質(zhì)量。