CDIO教育模式在逆向工程課程教學中的應用研究

劉　鋒，陳仙明

(浙江水利水電學院 機械與汽車工程學院，浙江 杭州　310018)

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CDIO教育模式在逆向工程課程教學中的應用研究

劉鋒，陳仙明

(浙江水利水電學院 機械與汽車工程學院，浙江 杭州310018)

摘要：針對逆向工程教學現(xiàn)狀的不足，采取了在CDIO理念指導下構建基于項目的“教學做”三位一體《逆向工程》課程新的教學模式.從教學方法、教學體系、教學評價三方面對《逆向工程》教學進行一系列改革試驗，探討了培養(yǎng)應用型高素質人才的課堂教學方法.實踐證明該方法提高了學生對《逆向工程》課程的學習興趣和積極性，可以有效提高學生的動手能力和綜合能力，并取得了較好的教學效果，具有較強的借鑒意義.

關鍵詞：CDIO；逆向工程；項目分級制；教學改革

《逆向工程》課程是應用型高校機械類專業(yè)的一門重要的專業(yè)課程.它整合了前期《機械設計》《機械制圖》《計算機應用基礎》《CAD技術及其應用》等一系列專業(yè)基礎課程相關知識[1-2]，注重對學生知識綜合運用能力、創(chuàng)新意識、創(chuàng)新能力、動手能力等素質的培養(yǎng).通過該課程的學習，要求學生了解逆向工程的基本工作原理、工作流程和工作方法，并能熟練運用坐標測量儀和主流逆向工程軟件完成中等復雜程度產品和模具的點云數(shù)據采集、幾何特征重構和創(chuàng)新再設計[3-4]，為后續(xù)專業(yè)課程如《機電產品設計》《模具設計與制造》等課程的學習以及進一步從事相關工作奠定必要的基礎.同時逆向工程技術是一項開拓性、實用性和綜合性很強的技術[5]，要使學生學好逆向工程、掌握逆向工程技術并不是件容易的事情.本文在分析逆向工程教學現(xiàn)狀不足的基礎上，結合學?，F(xiàn)有的設備資源，抓住學校大力建設應用型本科院校機遇，探討了在CDIO理念指導下構建基于項目的“教學做”三位一體的《逆向工程》課程新的教學模式.

1《逆向工程》教學現(xiàn)狀分析

傳統(tǒng)的《逆向工程》教學方式重點以介紹建模軟件逆向造型功能、以熟練掌握軟件基本操作為目的，側重講解而看輕實際動手能力[6].每節(jié)課教師先基本“照本宣科”，即根據教材的固定順序講解若干操作命令，學生再跟隨鞏固操作，教學形式較單調、乏味.學生填鴨式被動參與課程學習，這樣的授課形式無法激起學生對課程的興趣，且易造成課程結束后不能對所學知識融會貫通和活用.歸納總結現(xiàn)有《逆向工程》教學的不足，發(fā)現(xiàn)存在以下幾個主要問題：

(1)教材內容程式固定，編排欠合理.《逆向工程》課程相關教材不多，大都是軟件建模功能操作的簡單堆砌，知識點零散或者理論數(shù)學描述講解太多，學生理解困難.[7]

(2)授課方式單一.根據教材固定的編排內容，教師采用流水授課，課堂教學模式不靈活，側重對具體功能操作講解，對分散知識點不能做到及時通過綜合案例貫通分析，理論和實操無法做到有機融合.雖然學生參與度高，但是學生往往是對所授知識點知其然而不知其所以然的被動接受、模仿所講內容，無法做到獨立思考，在進行綜合大作業(yè)獨立完成環(huán)節(jié)，往往對所掌握知識不能融會貫通靈活運用，教學效果不甚理想.

(3)不注重對學生團隊協(xié)作能力培養(yǎng).課程所定教學目標側重對學生硬技能知識的掌握，忽視對學生軟技能團隊協(xié)作精神的培養(yǎng).

(4)課程考核形式簡單.常采用學生被動接受考核，考核指標制定注重學生硬技能，專業(yè)知識的考核，而忽視對學生軟技能，綜合素質的考核，無法激發(fā)學生的學習潛能.

2CDIO教學理念的引入

CDIO教學理念是近來國際教育界倡導的較流行的工程教育模式[8-9]，將工程項目分解為Conceive(構思)、Design(設計)、Implement(實現(xiàn))及Operate(運作)幾部分，注重對學生工程基礎知識能力、個人能力、人際團隊能力和工程系統(tǒng)能力的全方位綜合素質能力訓練，讓學生化被動為主動的學習、理論與實踐相結合的學習.它是學與做的結合，知與行的統(tǒng)一，使培養(yǎng)出來的學生理論知識和工程應用能力都很強[10].在分析《逆向工程》現(xiàn)有課程教學方式存在的問題的基礎上，引入先進的CDIO工程教育理念，提出了將CDIO應用到《逆向工程》課程教學中，并建立基于CDIO的《逆向工程》課堂教學體系，在產品實物外觀點云數(shù)據采集和產品逆向重構、再設計兩方面映射構思(C)、設計(D)、實現(xiàn)(I)和運作(O)4個階段.圖1所示CDIO在產品高質量三維點云數(shù)據采集中的映射為C：產品實物外觀幾何分析；D：數(shù)據采集路徑規(guī)劃；I：點云數(shù)據采集；O：點云數(shù)據優(yōu)化處理.CDIO在產品外觀逆向重構中的映射為C：三維點云幾何特征分解；D：外觀曲面重建方法設計；I：曲線/曲面重建，創(chuàng)新再設計；O：各小組撰寫項目PPT匯報.并從教學方法、教學體系、教學評價三方面對《逆向工程》教學進行一系列改革試驗，探討培養(yǎng)專業(yè)成才、精神成仁的應用型高素質人才的課堂教學方法.

3基于CDIO的逆向工程教改實施

3.1構建4級項目制教學體系

根據CDIO強調“做中學”和“基于項目的學習”[11]，《逆向工程》課程的教學體系改革將使學生在本門課程的學習過程中不但學到一些必要的知識，更重要的是獲得自學、應用、創(chuàng)新能力和個人非專業(yè)素質如溝通能力、團隊協(xié)作精神等綜合素質的全面提高.通過系統(tǒng)研究逆向設計常用的設計流程、典型工程案例以及主流逆向設計工程軟件的通用功能模塊，精心設計出具有典型性、復合性、實用性、連貫性的與工程實例相結合的教學項目，采取課堂教學與項目實踐相結合的方法，來提高學生綜合解決問題的能力，而不局限于某個項目涉及到的具體知識.按照這種目的，精心設計構建了初、中、高級、個性化自選產品創(chuàng)新項目為載體的四級項目體系.初級項目以介紹本課程的核心模塊功能為主，每個項目包含多個知識點，通過項目實施使學生掌握課程基本內容；中級項目旨在加強課程內容的應用和提高，使學生深化知識運用；高級項目為綜合性項目，該類項目將整個課程體系有機地結合起來，達到觸類旁通的效果；個性化自選產品的創(chuàng)新設計項目，以學生為主體，要求學生自選個性化產品完成逆向設計，學生根據自選件的結構特點，規(guī)劃測量路徑及逆向重構、再設計方法.在具體的實施中，學生各有分工、各盡其職，通過團隊協(xié)作共同完成自選件的模型重構及創(chuàng)新再設計，充分體現(xiàn)活中學、學中做、做中思，從而充分調動學生的學習主動性和團隊協(xié)作精神.部分項目分級表(見表1)，以項目為驅動，知識點的教學貫穿于項目教學的整個環(huán)節(jié)，按照工程實例產品逆向設計的復雜程度，融合理論知識講解內容，循序漸進，逐步提高學生能力，充分調動學生的學習自主性、探究性、合作性.

表1　部分項目分級表

3.2引進“教、學、做”教學模式

結合CDIO教學大綱，為方便以項目為驅動的課堂教學順利實施，將《逆向工程》的教學分為理論教學和實操兩大環(huán)節(jié)，并突出實操部分，增強學生的實際動手解決問題能力.理論授課環(huán)節(jié)結合學科發(fā)展前沿，側重對學生進行逆向工程的常用基礎知識培養(yǎng)；實際操作環(huán)節(jié)側則重于對學生對所掌握知識的綜合應用能力、動手能力以及學習態(tài)度的培養(yǎng).《逆向工程》的教學主要內容(見圖2).并采取“教、學、做”三位一體的《逆向工程》教學模式：第一階段“教”，第二階段“學”，第三階段“做”.第一階段“教”主要是理論授課部分.學生通過對這部分的學習能掌握點云數(shù)據的接觸式與非接觸式基本測量原理、測量方法、會對測量數(shù)據預處理、熟悉基于測量點云數(shù)據的曲線曲面常用逆向造型方法等基本理論知識.第二階段“學”以項目為導向，由教師通過對精選的初、中、高三級典型模型的逆向構建來講解產品逆向設計思路、設計步驟及對產品外觀點云數(shù)據采集儀器設備功能指令、操作要領等基礎知識[12]，增強學生的動手操作的能力，鼓勵學生獨自思考完成對應項目，通過實操不斷加深對已學知識的理解和鞏固，掌握典型案例中涉及的建模思想、方法.學生設計思路的培養(yǎng)是該階段教師關注的重點，這有助于促進學生積極自主思考習慣的養(yǎng)成.第三階段“做”，以自選產品的創(chuàng)新設計項目實施為主線，采用分組方式，通過激發(fā)學生的自主探究精神和團隊合作精神來分析、解決問題，最終共同完成項目.把控項目的可行性、項目的關鍵時間節(jié)點，督促學生按時完成階段任務，并對學生問題引導解答是該階段教師關注的重點，同時整個過程中教師應注意不直接給出問題的解決方法，而是啟發(fā)式教育，激發(fā)學生自主學習的潛能，調動學生個性化思考和主動性發(fā)揮，培養(yǎng)團隊協(xié)作精神.“學”、“做”階段主要是實操部分，通過實操，學生能運用逆向工程技術解決實際問題.

圖2　理論教學和實操兩大環(huán)節(jié)教學內容

3.3“知識+技能+態(tài)度”教學評價

根據CDIO大綱要求，考核不僅僅是對學生知識掌握情況的評估，還是激勵學生自主學習的動力，通過對該課程的考核方式和成績評定方式做相應的改革，借此來改變原來由期末考試的成績評定的單一方式，期望注重對學生進行“知識+技能+態(tài)度”三位一體考核，能充分反映學生的實際學習情況.

(1)“教”階段評價：由于學生在該階段主要是跟著老師進行相關理論知識的學習，因此應體現(xiàn)對學生的課堂參與度、課堂表現(xiàn)情況進行考核.該部分成績占最后總評成績的10%.

(2)“學”階段的評價：由于學生在該階段主要是由老師指導來完成項目，因此應體現(xiàn)學生的項目完成情況、學習態(tài)度和項目完成的熟練程度等情況進行考核，該階段以鼓勵為主、兼顧公平的指導思想進行評價.該部分成績占最后總評成績的40%.

(3)“做”階段的評價：由于學生在該階段主要由老師引導，以小組形式，每個小組(5～6人)，通過自主探究和團隊合作來分析、解決問題，最終共同完成項目，因此應體現(xiàn)對學生過程考核，通過小組階段性項目進度報告、項目總結完成情況報告(以小組為單位推選代表，進行項目涉及的關鍵技術和完成情況進行課堂總結答辯形式進行)，并結合項目結束后項目成員各自提交的個人項目貢獻情況總結報告，進行綜合考核.該階段考評重點參考指標有：每個學生在該項目中的參與程度、團隊合作能力及最終的完成效果，個人自評分、小組成員成

績互評分、組間答辯成績互評分.具體評價內容(見表2)，該成績占總評成績的50%.

圖3所示為逆向工程課程改革項目制教學成員小組具體結構和運行模式.項目小組分組以“組內異質、組間同質”為原則，組內異質保證小組成員間的互補性，為小組成員互助合作奠定基礎，而組間同質則保證了各小組之間實力均衡，避免由于差異過大，導致學生抵觸、厭學情況的發(fā)生，為各小組間的公平競爭環(huán)境創(chuàng)造條件.每個小組在組長帶領劃分成員任務和考核方法、安排項目進程.同時，教師利用互聯(lián)網的便利性[13]，采取課前給預習、課后留復習；積極組織開展小組成員互評，教師抽查；通過設置課堂觀察員以及在每個項目級結束后讓學生通過書面報告及時反饋學習效果，和對后面教學的期望、建議來加強拓寬教師與學生溝通的途徑；充分發(fā)揮學生的自主性和教師的引導性，處理好課堂教學的計劃性與靈活性關系，充分提高學生的參與度與課堂教學效率和效果.

圖3　項目制教學成員小組具體結構和運行模式

班級、姓名項目組長項目名稱小組成員評價類別評價內容評價標準個人自評組長評價組間互評教師評價產品三維點云獲取產品實物外觀幾何特征分析5數(shù)據采集路徑規(guī)劃10點云數(shù)據采集5點云數(shù)據優(yōu)化處理5產品外觀逆向重構點云幾何特征分析5曲面重建方法規(guī)劃10曲線/曲面重建15項目報告PPT匯報(含表述能力)20學習態(tài)度獨立解決問題能力(含運用知識、發(fā)現(xiàn)知識能力)5創(chuàng)新程度5團隊合作能力(含領導、組織和執(zhí)行力、合作意識)10職業(yè)態(tài)度、職業(yè)素質5合計100教師總評(成績)

4結語

針對學校目前《逆向工程》課程教學現(xiàn)狀的不足，引入CDIO教學理念，以項目為載體，采取“教學做”三位一體的《逆向工程》課程教學模式，在教學體系、教學方法、教學評價三方面進行一系列改革，使工程與學生的知識、素質、能力掛鉤.通過改革嘗試，很好的提升了學生對課程的學習興趣，提升了學生的工程設計能力，創(chuàng)新能力和團隊協(xié)作能力，從而使學生的專業(yè)硬技能和軟技能得到了全面發(fā)展.

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Application of CDIO Teaching Mode in Reverse Engineering Curriculum

LIU Feng, CHEN Xian-ming

(College of Mechanical and Automotive Engineering, Zhejiang University of Water Resources and Electric Power, Hangzhou 310018, China)

Abstract:To solve the problems of the current teaching method of Reverse Engineering, a new teaching mode based on projects with integrated teaching method under the guidance of CDIO concept was proposed. And a series of reform experiments were tried from these three areas: teaching method, teaching system, and teaching evaluation. The teaching method of how to cultivate high quality application talents was explored. The teaching results show that this method can improve the learning interest and enthusiasm of the students, improving their practical ability and comprehensive ability, which has stronger reference meanings.

Key words:CDIO; reverse engineering; project classification system; teaching reform

中圖分類號：G642

文獻標志碼：A

文章編號：1008-536X(2016)02-0081-05

作者簡介：劉鋒(1978-)，男,湖北荊門人,在讀博士,講師,研究方向為先進模具技術、逆向工程.

收稿日期：2015-11-12