CDIO工程教育模式下《逆向工程與快速成型技術(shù)》課程的教學(xué)改革研究

曹劍飛， 徐紹娟， 李萌崛， 林紅英， 廖益均

（成都工業(yè)學(xué)院 材料與環(huán)境工程學(xué)院， 四川 成都 611730）

0 引 言

逆向工程與快速成型技術(shù)是指通過反向工程技術(shù)，結(jié)合數(shù)字化測量技術(shù)在計算機控制下由零件CAD模型直接驅(qū)動，采用材料精確堆積的方法以實現(xiàn)復(fù)雜外觀造型的實體模型構(gòu)建或零件制造的過程[1,2]。該技術(shù)的主要優(yōu)勢在于具有高度可控的加工精度，可以縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期、促進客戶的定制化與產(chǎn)品改型流程化、降低加工制造成本，這些優(yōu)勢使該技術(shù)在模具加工、裝備制造業(yè)、電子產(chǎn)業(yè)、航空航天與汽車工業(yè)等領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用，已成為當(dāng)下先進制造技術(shù)的重要部分[3.4]。為滿足國內(nèi)制造業(yè)發(fā)展與社會建設(shè)的需求，國內(nèi)眾多高校也陸續(xù)增設(shè)了相關(guān)課程。成都工業(yè)學(xué)院從2019年開始為材料成型與控制工程專業(yè)開設(shè)《逆向工程與快速成型技術(shù)》課程，教學(xué)過程中以CDIO（分別代表conceive構(gòu)思、design設(shè)計、implement實現(xiàn)、operate運作）模式和工程教育專業(yè)認證標(biāo)準(zhǔn)為指導(dǎo)，在分析總結(jié)當(dāng)下該課程的教學(xué)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，重新構(gòu)建了教學(xué)內(nèi)容和模式，在傳授學(xué)生專業(yè)基礎(chǔ)知識外，更加注重對學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計能力的培養(yǎng)，圍繞如何培養(yǎng)具備工程實踐能力的高素質(zhì)應(yīng)用型人才開展了一系列教學(xué)改革與探索。

1 課程特點及教學(xué)中的問題

在教育部提出建設(shè)“新工科”的時代背景下，《逆向工程與快速成型技術(shù)》已經(jīng)成為機械類專業(yè)課程中的一門必修課程[5]。該課程有別于傳統(tǒng)工科的專業(yè)課程，在突出機械原理、機械制圖等基礎(chǔ)知識外尤其強調(diào)思維的邏輯性[6,7]。以三維掃描建模教學(xué)章節(jié)為例，該章節(jié)內(nèi)容需要學(xué)生擁有逆向思維構(gòu)圖的能力，具有較強的抽象性和實踐性。課堂直接授課的教學(xué)效果不佳，應(yīng)當(dāng)更多地以三維掃描設(shè)備為教學(xué)輔助，給予學(xué)生足夠?qū)嵺`操作機會。其次本課程具有涉及的知識面廣、學(xué)科綜合性較強，屬于交叉學(xué)科，涉及材料學(xué)、數(shù)據(jù)采集技術(shù)、CAD模型重構(gòu)、模具設(shè)計和數(shù)學(xué)分析等其它學(xué)科方面的知識。

目前該課程實際教學(xué)中存在以下問題：①課程學(xué)時偏少但內(nèi)容多、學(xué)習(xí)強度較大，教師課堂直接講授仍然是主要的教學(xué)方式，由于教學(xué)方法枯燥，學(xué)習(xí)難度大導(dǎo)致學(xué)生主動性不高且學(xué)習(xí)效率較低；②作為應(yīng)用型課程，該課程中實踐性內(nèi)容不足，理論知識與實踐沒有相輔相成，缺乏對學(xué)生實踐能力的培養(yǎng)與創(chuàng)新能力的激發(fā)；另外，工程實例在教學(xué)內(nèi)容中的引入較少，實踐教學(xué)也不系統(tǒng)，無法滿足應(yīng)用型本科教育的人才培養(yǎng)要求；③課程考核方式單一，傳統(tǒng)的閉卷考試側(cè)重考查學(xué)生對概念的掌握情況，但是真正的課程重點應(yīng)該是模型建立與上機操作，閉卷考試不能真實反映學(xué)生工程實踐能力；④學(xué)生培養(yǎng)與企業(yè)實際的需求脫鉤，教學(xué)過程中強調(diào)工程實踐卻沒有相應(yīng)配套的實踐環(huán)境，缺少實踐場所與工程實例，在一定程度上形成“學(xué)校熱，企業(yè)冷”的需求不對稱現(xiàn)象。綜上所述，針對該課程存在的問題，急需進行教學(xué)改革以找出滿足創(chuàng)新型和實踐型人才培養(yǎng)要求的教學(xué)模式。

2 實踐教學(xué)與CDIO工程教育模式

將課堂理論知識轉(zhuǎn)化為學(xué)生解決實際工程問題能力的重要路徑之一便是實踐教學(xué)，所以只有進行導(dǎo)向明確的實踐教學(xué)改革才能使對應(yīng)的實踐類課程適應(yīng)不斷變化的行業(yè)與社會發(fā)展需求。CDIO工程教育模式是國際工程教育發(fā)展的最新成果，區(qū)別于傳統(tǒng)教學(xué)模式，CDIO以實踐案例的方式通過4個環(huán)節(jié)引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)，能調(diào)動學(xué)生主觀學(xué)習(xí)熱情，實現(xiàn)工程實踐與理論課程間的有機聯(lián)系與互補[8,9]。CDIO教學(xué)理念一方面注重專業(yè)知識和動手能力的提高，另一方面也側(cè)重培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力和工程理念。

在目前工程教育的背景下，提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的關(guān)鍵路徑是加強課程建設(shè)與改革。教學(xué)改革應(yīng)該根據(jù)CDIO工程教育理念，從知識體系、學(xué)習(xí)目標(biāo)與任務(wù)、實踐技能要求和工程實踐教學(xué)等維度對課程進行設(shè)計與改革。目前，成都工業(yè)學(xué)院材料成型與控制工程專業(yè)具有較強的工程性和應(yīng)用性特點且已經(jīng)納入專業(yè)認證范圍，對本專業(yè)的核心課程，引入CDIO工程教育模式是加快實現(xiàn)高質(zhì)量人才培養(yǎng)的必經(jīng)之路。

3 基于CDIO理念的課程改革探索與實踐

3.1 課程目標(biāo)的制定

CDIO工程教育既強調(diào)知識體系也重視學(xué)生實踐能力的培養(yǎng)[10]。近年來，成都工業(yè)學(xué)院材料成型與控制工程專業(yè)的畢業(yè)生就業(yè)單位主要是模具設(shè)計、裝備制造業(yè)單位與機械設(shè)計企業(yè)，根據(jù)畢業(yè)生就業(yè)狀況與企業(yè)需求，在學(xué)習(xí)目標(biāo)的確立上更加注重讓學(xué)生在實踐項目中學(xué)習(xí)，以項目驅(qū)動教學(xué)。通過基礎(chǔ)知識教學(xué)和工程實踐，讓學(xué)生可以在掌握主要的模型測量原理方法、數(shù)據(jù)預(yù)處理、逆向成型的工藝等理論的同時，能夠熟練操作主流的設(shè)計工程軟件、逆向構(gòu)建CAD模型、操控FDM熔融型3D打印機，提高了學(xué)生實地操作能力，也培養(yǎng)了學(xué)生解決實際問題的能力。

3.2 課程內(nèi)容改革

將《逆向工程與快速成型技術(shù)》課程的學(xué)時制定為24學(xué)時，以實際工程項目為載體，將知識點貫穿于具體項目的實施工程環(huán)節(jié)中，制定了“手機后蓋的逆向設(shè)計與快速成型”、“電腦充電器的逆向設(shè)計與快速成型”、“風(fēng)力發(fā)電葉片的逆向設(shè)計與快速成型”和“汽車方向盤的逆向設(shè)計與快速成型”等實踐項目，難度依次遞增，循序漸進地引導(dǎo)學(xué)生完成學(xué)習(xí)任務(wù)。

以“風(fēng)力發(fā)電葉片的逆向設(shè)計與快速成型”項目為例（6學(xué)時），通過項目實施便可以讓學(xué)生掌握：多視角點云數(shù)據(jù)的檢測與處理Geomagic Studio工程軟件應(yīng)用和操作、曲面重構(gòu)思維與處理流程、發(fā)電葉片的曲面參數(shù)確認與優(yōu)化、熔融沉積制造（FDM）3D打印的基本原理和發(fā)電葉片的FDM打印過程等課程內(nèi)容。學(xué)生通過“汽車方向盤的逆向設(shè)計與快速成型”（4學(xué)時）項目，又能夠了解單視角數(shù)據(jù)點編輯處理方法、三坐標(biāo)測量機的測量與使用、三維噴涂粘結(jié)（3DP）成型技術(shù)與3DP的加工工藝等知識技能。不同項目包含的內(nèi)容相互關(guān)聯(lián)但各有側(cè)重，相互促進構(gòu)建一套完整的實踐課程體系。

3.3 課程教學(xué)模式與方法

傳統(tǒng)工程教育強調(diào)課堂講授方式和教學(xué)呈現(xiàn)方式，所以課堂上教學(xué)多以教師口授為主，適當(dāng)配合多媒體展示。CDIO工程教育的實質(zhì)是讓學(xué)生主動參與課程、學(xué)習(xí)課程和完成課程。立足于本課程的特點，在教學(xué)模式上進行以下4個方面的改革。

（1）建立線上和線下協(xié)同的混合教學(xué)體系?！赌嫦蚬こ膛c快速成型技術(shù)》課程內(nèi)容多、實踐項目豐富但相對課時較少，為了提高課堂效率，采用“項目開放式”和線上線下相結(jié)合的教學(xué)模式。依靠慕課、云課堂等媒介開展線上討論、課后答疑以及師生互動。

（2）教學(xué)上加強對學(xué)生創(chuàng)新意識的培養(yǎng)，一方面教學(xué)中按照教學(xué)大綱要求引入企業(yè)項目到實踐環(huán)節(jié)中，使學(xué)生了解項目的開發(fā)運行規(guī)律。另外，為了培養(yǎng)滿足企業(yè)崗位需求的合格人才，在相關(guān)企業(yè)的協(xié)助下，以企業(yè)實際項目為素材，課程的教師團隊錄制了6節(jié)視頻課程，針對一線生產(chǎn)研發(fā)中遇到的問題引導(dǎo)學(xué)生進行思考與分組交流，提高學(xué)生的個人反思和團隊協(xié)作能力。

（3）舉辦3D打印技能大賽，給予學(xué)生在課后有自我展示的平臺，充分顯示個人能力與職業(yè)精神，促進學(xué)生全面發(fā)展。利用技能大賽機制提升學(xué)生的職業(yè)素質(zhì)也為畢業(yè)生今后順利走向崗位和繼續(xù)深造奠定基礎(chǔ)。

（4）為了增強學(xué)習(xí)互動性，教學(xué)中加入了答辯匯報環(huán)節(jié)，讓學(xué)生以小組為單位匯報項目進展、反思與問題，最后由教師進行點評與答疑。鼓勵學(xué)生走上講臺匯報，提高學(xué)生應(yīng)變和語言表達能力。

3.4 課程成績考核與評價

如果課程實踐主要以項目形式來開展，如何對學(xué)生的課程成績進行合理的考核是一個問題。因此本課程采取了“項目實踐性考核”與“考試考核”并用的成績評價體系。為了兼顧課程的實踐性與學(xué)生團隊協(xié)作能力的培養(yǎng)，考核由三部分構(gòu)成：項目考核與匯報占50%，期末考試成績占35%，項目小組內(nèi)的學(xué)生自評及互評占15%。其中項目考核主要考察學(xué)生項目的完成度、過程實踐能力和PPT答辯3個方面的情況，而學(xué)生評價則側(cè)重于評估學(xué)習(xí)小組內(nèi)部各成員間的團隊協(xié)作能力和貢獻大小，因此上述綜合性的考核方式更有利于激發(fā)學(xué)生的積極性和主動性。

3.5 基于CDIO理念的師資隊伍建設(shè)

以實踐項目為導(dǎo)向的教學(xué)法中，實踐項目是由學(xué)生與教師共同完成，教師不再只是把現(xiàn)有的知識生硬古板地教給學(xué)生。CDIO教育理念認為通過實踐過程與評價，師生的能力會取得共同進步，這要求教師首先應(yīng)該具備相應(yīng)的工程背景與實踐經(jīng)驗[11]。在師資建設(shè)方面，本專業(yè)注重在日常教學(xué)中培養(yǎng)任課教師的實踐能力。首先本課程組的教師會定期到企業(yè)進行實踐鍛煉，以提高工程實踐與創(chuàng)新水平。其次，教研室定期組織學(xué)校與企業(yè)間的培訓(xùn)交流，聘請企業(yè)工程師作為學(xué)生的兼職導(dǎo)師與課程教學(xué)團隊成員，打造具有高水平實踐指導(dǎo)能力的教師團隊。

4 結(jié)束語

《逆向工程與快速成型技術(shù)》課程是材料成型與控制工程以及機械工程專業(yè)的必修課程，也是當(dāng)今世界上發(fā)展迅速的先進制造技術(shù)，傳統(tǒng)的教學(xué)方法無法完成教育部“新工科”建設(shè)的人才培養(yǎng)要求。針對目前該課程在教學(xué)中存在的問題，基于CDIO工程教育理念，提出了教學(xué)改革的新思路，突出了工程實踐在課程中主導(dǎo)地位，在教學(xué)目標(biāo)、課程內(nèi)容、評價體系和師資隊伍建設(shè)方面進行了教學(xué)與課程改革，提高了學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力與創(chuàng)新意識，并增強學(xué)生的綜合實踐素質(zhì)。