基于CDIO理念的線上線下混合式教學(xué)改革與實(shí)踐*
——以逆向創(chuàng)新設(shè)計(jì)與快速成型技術(shù)課程為例

覃秀鳳，程 艷，劉升旭，翟麗華

（廣西職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧，530226）

逆向工程與快速成型技術(shù)是一門(mén)先進(jìn)的制造技術(shù)，廣泛應(yīng)用于新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和產(chǎn)品改型設(shè)計(jì)、產(chǎn)品仿制、質(zhì)量分析檢測(cè)等領(lǐng)域。目前，多數(shù)職業(yè)院校的機(jī)械類(lèi)專(zhuān)業(yè)都開(kāi)設(shè)有逆向工程與快速成型技術(shù)課程，廣西職業(yè)技術(shù)學(xué)院根據(jù)3D打印造型師崗位對(duì)知識(shí)、能力及素養(yǎng)的要求，對(duì)課程進(jìn)行了改革并更名為逆向創(chuàng)新設(shè)計(jì)與快速成型技術(shù)。該課程以CDIO工程教育理論為指導(dǎo)，充分利用“互聯(lián)網(wǎng)+”優(yōu)勢(shì)，積極開(kāi)展基于CDIO理念的線上線下混合式教學(xué)探索與實(shí)踐，除了培養(yǎng)學(xué)生掌握逆向工程與快速成型技術(shù)的基礎(chǔ)知識(shí)和技能外，更注重對(duì)學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)，并取得了初步成效。

1 教學(xué)現(xiàn)狀

目前職業(yè)院校逆向工程與快速成型技術(shù)課程的教學(xué)存在以下問(wèn)題，影響了教學(xué)質(zhì)量的提升。

（1）教材單一，缺乏綜合性的項(xiàng)目式教材。逆向工程與快速成型技術(shù)包含四大能力要求模塊：三維數(shù)據(jù)采集及處理、逆向模型重構(gòu)、正向創(chuàng)新設(shè)計(jì)、3D打印。技術(shù)對(duì)理論與實(shí)踐的結(jié)合要求很高，除了要求掌握三維掃描儀、3D打印機(jī)等硬件設(shè)備的操作技能之外，還要求掌握數(shù)據(jù)處理軟件（Wrap）、逆向模型重構(gòu)（DX）等軟件的操作技能?，F(xiàn)有教材很少有全部囊括上述四大模塊的，很多教材缺乏按照工作過(guò)程編寫(xiě)的案例，存在與工作過(guò)程相脫節(jié)的情況。

（2）各能力模塊的教學(xué)相對(duì)獨(dú)立，缺乏延續(xù)性和系統(tǒng)性。由于教材缺乏系統(tǒng)性，教師一般是采用不同的任務(wù)載體逐次完成各能力模塊的教學(xué)，最后再通過(guò)一個(gè)綜合訓(xùn)練把各能力模塊串聯(lián)起來(lái)。由于教學(xué)不是按照產(chǎn)品逆向開(kāi)發(fā)創(chuàng)新的工作流程來(lái)開(kāi)展的，學(xué)生無(wú)法系統(tǒng)掌握產(chǎn)品逆向設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的工作流程，也無(wú)法建立起系統(tǒng)的逆向開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)概念。

（3）軟件的教學(xué)較多采用傳統(tǒng)課堂授課模式，即先由教師講解和演示，學(xué)生再進(jìn)行操作練習(xí)。由于軟件教學(xué)知識(shí)點(diǎn)多，實(shí)踐性強(qiáng)，學(xué)生在課堂上練習(xí)的時(shí)間較少，而課后學(xué)生投入練習(xí)的時(shí)間各不相同，導(dǎo)致教學(xué)質(zhì)量難以保證[1]。此外，傳統(tǒng)教學(xué)不能滿足不同層次學(xué)生的學(xué)習(xí)需求。

2 基于CDIO理念的教學(xué)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)

2.1 CDIO理念

CDIO 是構(gòu)思 (Conceive)、設(shè)計(jì) (Design)、實(shí)現(xiàn)(Implement)、運(yùn)作(Operate)4 個(gè)英文單詞的縮寫(xiě)。它的愿景是為學(xué)生提供一種強(qiáng)調(diào)工程基礎(chǔ)的，培養(yǎng)集構(gòu)思—設(shè)計(jì)—實(shí)現(xiàn)—運(yùn)作于一體的系統(tǒng)化思維的工程教育，讓學(xué)習(xí)者以主動(dòng)的、實(shí)踐的、課程之間有機(jī)聯(lián)系的方式學(xué)習(xí)工程[2]。除了注重專(zhuān)業(yè)知識(shí)和實(shí)踐能力的培養(yǎng)外，還注重培養(yǎng)系統(tǒng)觀念和綜合能力。

2.2 CDIO理念下的教學(xué)項(xiàng)目

基于CDIO工程教育理念，課程團(tuán)隊(duì)從工作任務(wù)、知識(shí)要求與技能要求三個(gè)維度對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行規(guī)劃與設(shè)計(jì)。知識(shí)點(diǎn)的選取緊緊考慮工作任務(wù)的需要，同時(shí)又充分考慮高等職業(yè)教育對(duì)知識(shí)深度的要求，同時(shí)融合3D打印造型師（中級(jí)）職業(yè)資格證書(shū)以及“工業(yè)產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造”“工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)與快速成型”兩項(xiàng)技能大賽對(duì)知識(shí)、技能和態(tài)度的要求，最終選取了8個(gè)企業(yè)真實(shí)產(chǎn)品作為逆向開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的項(xiàng)目載體（見(jiàn)表1）。每個(gè)項(xiàng)目的教學(xué)都按照產(chǎn)品逆向開(kāi)發(fā)創(chuàng)新的工作流程來(lái)開(kāi)展，具體包含數(shù)據(jù)采集及處理、逆向模型重構(gòu)、創(chuàng)新設(shè)計(jì)、3D打印、裝配驗(yàn)證等五項(xiàng)任務(wù)，可使學(xué)生在掌握技能的同時(shí)，養(yǎng)成嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致、有序工作、善于交流、團(tuán)隊(duì)合作的崗位職業(yè)素養(yǎng)。

表1 CDIO理念下的教學(xué)項(xiàng)目

3 線上線下混合式教學(xué)模式的構(gòu)建

3.1 教學(xué)環(huán)境和課程資源的準(zhǔn)備

（1）教學(xué)環(huán)境的構(gòu)建。基于3D打印造型師的工作過(guò)程，構(gòu)建“三區(qū)一體”理實(shí)一體化教學(xué)環(huán)境，即按照3D打印造型師的工作過(guò)程將“數(shù)據(jù)采集區(qū)、建模設(shè)計(jì)區(qū)、3D打印區(qū)”布置于同一實(shí)訓(xùn)室內(nèi)。實(shí)訓(xùn)室內(nèi)WIFI全覆蓋，便于利用網(wǎng)絡(luò)資源開(kāi)展一體化的教學(xué)。

（2）教學(xué)資源的準(zhǔn)備。在網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)建課，并上傳教學(xué)資源，包括課程信息資源，教學(xué)文本資源、教學(xué)活動(dòng)資源[3]。課程信息資源包括課程簡(jiǎn)介、課程目標(biāo)、課程標(biāo)準(zhǔn)、教學(xué)條件等。教學(xué)文本資源包括課件、項(xiàng)目任務(wù)書(shū)、微課、軟件操作視頻等。不同層次的學(xué)生可根據(jù)教師提供的優(yōu)質(zhì)文本資源，進(jìn)行碎片化學(xué)習(xí)。軟件操作視頻可反復(fù)觀看，可提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性。教學(xué)活動(dòng)資源包括試題庫(kù)、在線測(cè)試、搶答互動(dòng)、在線答疑等，師生可通過(guò)網(wǎng)上測(cè)試、在線討論、在線答疑等活動(dòng)，隨時(shí)隨地進(jìn)行課程互動(dòng)，教師根據(jù)各途徑獲知的反饋進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)教與學(xué)的充分融合。

3.2 教學(xué)模式的構(gòu)建

圖1 基于CDIO的線上線下混合式教學(xué)模式

建構(gòu)主義認(rèn)為，學(xué)生應(yīng)該是知識(shí)意義的主動(dòng)建構(gòu)者，而非外部的被動(dòng)接受者；教師應(yīng)該是學(xué)生主動(dòng)建構(gòu)知識(shí)意義的幫助者，而非知識(shí)的灌輸者[4]。基于CDIO理念的線上線下教學(xué)模式，堅(jiān)持以學(xué)生為主體、教師為主導(dǎo)的理念進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)（見(jiàn)圖1）。該模式以產(chǎn)品的逆向設(shè)計(jì)工作過(guò)程為主線，以項(xiàng)目為載體，將每個(gè)項(xiàng)目按照能力模塊分解成若干任務(wù)，將課程知識(shí)點(diǎn)融入其中，再以任務(wù)為驅(qū)動(dòng)，利用“三區(qū)一體”理實(shí)教學(xué)環(huán)境和線上課程平臺(tái)教學(xué)資源，在課前、課中、課后開(kāi)展教學(xué)。教學(xué)方法采用任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法，小組合作探究學(xué)習(xí)，做中學(xué)，學(xué)中做，從而達(dá)成學(xué)習(xí)目標(biāo)。

4 線上線下混合式教學(xué)過(guò)程設(shè)計(jì)——以“水龍頭開(kāi)關(guān)的逆向創(chuàng)新設(shè)計(jì)”為例

項(xiàng)目三“水龍頭開(kāi)關(guān)的逆向創(chuàng)新設(shè)計(jì)”的逆向設(shè)計(jì)工作開(kāi)發(fā)過(guò)程包含6個(gè)步驟：需求分析—三維數(shù)據(jù)采集及處理—逆向模型重構(gòu)—?jiǎng)?chuàng)新設(shè)計(jì)—3D打印—裝配驗(yàn)證。按照CDIO理念來(lái)設(shè)計(jì)項(xiàng)目教學(xué)流程，上述步驟可構(gòu)建為構(gòu)思（項(xiàng)目需求分析）—設(shè)計(jì)（三維數(shù)據(jù)采集處理、逆向模型重構(gòu)、創(chuàng)新設(shè)計(jì)）—實(shí)現(xiàn)（3D打?。\(yùn)行（裝配驗(yàn)證）。

4.1 課前準(zhǔn)備

課前，教師在教學(xué)平臺(tái)發(fā)布項(xiàng)目任務(wù)書(shū)，并發(fā)布課前在線導(dǎo)學(xué)任務(wù)。學(xué)生登錄學(xué)習(xí)通，接收項(xiàng)目任務(wù)書(shū)，完成導(dǎo)學(xué)任務(wù)（自學(xué)課件、軟件操作視頻、預(yù)習(xí)測(cè)試等），完成學(xué)習(xí)任務(wù)后，在平臺(tái)填寫(xiě)預(yù)習(xí)反饋。教師通過(guò)統(tǒng)計(jì)測(cè)試情況和學(xué)生留言，總結(jié)學(xué)生的疑問(wèn)點(diǎn)，分析反饋問(wèn)題，調(diào)整教學(xué)策略。

4.2 課堂實(shí)施

在課堂實(shí)施模塊，改變以往灌輸知識(shí)的講授模式，強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為主體，教師重在引導(dǎo)。

（1）項(xiàng)目導(dǎo)入及分析（構(gòu)思）

在分析學(xué)生需求的基礎(chǔ)上，教師總結(jié)出完成項(xiàng)目的難點(diǎn)，缺少的知識(shí)點(diǎn)和技能點(diǎn)。

（2）項(xiàng)目實(shí)施準(zhǔn)備

項(xiàng)目實(shí)施準(zhǔn)備實(shí)上是教師借助信息化手段，基于學(xué)生的項(xiàng)目分析和預(yù)習(xí)反饋，開(kāi)展教學(xué)活動(dòng)，解決教學(xué)重難點(diǎn)的過(guò)程。如使用轉(zhuǎn)盤(pán)采集水龍頭的三維數(shù)據(jù)是教學(xué)的難點(diǎn)。轉(zhuǎn)盤(pán)掃描概念抽象，不易理解和掌握。教師可引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)仿真平臺(tái)模擬相似零件的掃描，學(xué)生通過(guò)反復(fù)模擬，探究原理，理解內(nèi)涵，牢記步驟，進(jìn)而制定水龍頭的掃描策略。為優(yōu)化掃描策略，教師在學(xué)習(xí)通平臺(tái)發(fā)起討論，學(xué)生以小組為單位上傳標(biāo)志點(diǎn)粘貼圖片及掃描策略微視頻。學(xué)生觀看圖片和微視頻，討論分析其中的優(yōu)缺點(diǎn)，進(jìn)而優(yōu)化本組掃描策略。又如，逆向建模軟件中坐標(biāo)對(duì)齊、回轉(zhuǎn)命令的操作是本次課重點(diǎn)之一。教師精講命令后，學(xué)生可在平臺(tái)上反復(fù)觀看軟件操作視頻，直至完全熟悉。

（3）項(xiàng)目任務(wù)實(shí)施

在完成項(xiàng)目準(zhǔn)備后，開(kāi)始任務(wù)實(shí)施（見(jiàn)表2）。每個(gè)任務(wù)實(shí)施完成后，通過(guò)教學(xué)平臺(tái)提交完成的任務(wù)數(shù)據(jù)模型。教師及時(shí)查看和評(píng)閱，對(duì)學(xué)生的設(shè)計(jì)提出改進(jìn)意見(jiàn)。

（4）PPT制作及答辯

為提高課堂效率，鼓勵(lì)學(xué)生走上講臺(tái)，培養(yǎng)學(xué)生的語(yǔ)言表達(dá)和應(yīng)變能力，設(shè)計(jì)了答辯匯報(bào)環(huán)節(jié)。學(xué)生以小組為單位制作PPT，匯報(bào)設(shè)計(jì)思路、心得、創(chuàng)新點(diǎn)等。匯報(bào)之后各小組互評(píng)，最后由教師點(diǎn)評(píng)。答辯匯報(bào)不但活躍課堂氛圍，也可以鍛煉學(xué)生的綜合能力。

（5）課后提升

課后，教師利用平臺(tái)設(shè)置線上答疑或交流活動(dòng)，學(xué)生也可在線上進(jìn)行交流?；旌鲜浇虒W(xué)打破了時(shí)空限制，有利于鞏固教學(xué)內(nèi)容，提高學(xué)習(xí)效率。

表2 水龍頭開(kāi)關(guān)的逆向創(chuàng)新設(shè)計(jì)任務(wù)實(shí)施流程

5 項(xiàng)目評(píng)價(jià)

課程構(gòu)建了以“過(guò)程性考核+項(xiàng)目實(shí)踐性考核”為主的評(píng)價(jià)體系[5]。過(guò)程考核主要考核學(xué)生在八個(gè)項(xiàng)目的實(shí)施過(guò)程中各階段任務(wù)完成、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力、PPT答辯及安全文明生產(chǎn)表現(xiàn)等情況。實(shí)踐過(guò)程考核包含線上線下兩部分，各占50%。線上部分主要考核學(xué)生完成在線任務(wù)點(diǎn)的學(xué)習(xí)、在線測(cè)試、在線練習(xí)、在線討論的情況，線下部分包括對(duì)學(xué)生出勤、課堂表現(xiàn)的考核及期末考試等。綜合性的評(píng)價(jià)體系加強(qiáng)了對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)的督促，有利于提高學(xué)生的積極性和主動(dòng)性。

6 實(shí)施效果

基于CDIO理念的混合教學(xué)模式取得了良好的教學(xué)效果。它可為不同層次的學(xué)生提供差異化輔導(dǎo)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。學(xué)生自主探究性學(xué)習(xí)能力，分析問(wèn)題、解決問(wèn)題能力，整體產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)意識(shí)以及創(chuàng)新意識(shí)和能力都得到了提高、增強(qiáng)或激發(fā)。部分學(xué)生參加“機(jī)械行業(yè)產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)與快速成型技術(shù)大賽”“廣西大學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽”“全國(guó)三維數(shù)字化創(chuàng)新大賽”等技能大賽，取得均獲二等獎(jiǎng)的優(yōu)異成績(jī)。