基于模塊化教學(xué)的課程體系構(gòu)建

陳貴清

摘? 要：針對工業(yè)產(chǎn)品逆向設(shè)計課程特點與職業(yè)崗位技能要求提出課程改革思路。對課程原有的知識點和技能點進(jìn)行重新梳理，按照模塊化開展教學(xué)，突出項目引領(lǐng)和過程性考核。通過項目的實施達(dá)到對知識點和技能點的掌控，提升學(xué)生自學(xué)能力和創(chuàng)新能力，實踐表明，模塊化教學(xué)改革取得顯著實效。

關(guān)鍵詞：工業(yè)產(chǎn)品逆向設(shè)計;模塊化;教學(xué)改革

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2022）11-0106-04

Abstract： In view of the characteristics of Industrial Product Reverse Design course and the requirements of vocational skills， this study puts forward the ideas of curriculum reform. In this paper， the original knowledge and skill points of the course are reorganized， and the teaching is carried out in accordance with the modularization， highlighting the project guidance and process assessment. Through the implementation of the project， this study achieves the mastery of knowledge points and skill points to improve students' self-learning ability and innovation ability.? Practice shows that the modular teaching reform has achieved remarkable results.

Keywords： Industrial Product Reverse Design; modular; teaching reform

工業(yè)產(chǎn)品逆向設(shè)計在新產(chǎn)品開發(fā)方面起到重要作用，企業(yè)急需熟練掌握逆向設(shè)計技術(shù)的高技能人才，在很多職業(yè)院校中已開設(shè)專門課程，并出版相關(guān)教材。在實際教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，課堂上講了很多，學(xué)生都能接收，但在實際應(yīng)用中還是無法融會貫通，影響學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)和后續(xù)就業(yè)。

加強(qiáng)對學(xué)生職業(yè)能力培養(yǎng)，對課程進(jìn)行重組，以模塊化設(shè)置課程，強(qiáng)化案例教學(xué)或項目教學(xué)，注重以任務(wù)引領(lǐng)型案例或項目作業(yè)誘發(fā)學(xué)生興趣，使學(xué)生在案例分析或完成項目過程中掌握工業(yè)產(chǎn)品逆向設(shè)計的方法[1-3]。以學(xué)生為本，注重“教”與“學(xué)”的互動。通過選用典型活動項目，由教師提出要求或示范，組織學(xué)生進(jìn)行活動，讓學(xué)生在活動中增強(qiáng)職業(yè)意識，掌握本課程的職業(yè)能力[4-6]。

一、課程概況

工業(yè)產(chǎn)品逆向設(shè)計主要內(nèi)容包括逆向技術(shù)的概念、三維掃描儀的操作、點云數(shù)據(jù)的處理以及逆向設(shè)計軟件的應(yīng)用，要求掌握從零件產(chǎn)品的數(shù)據(jù)采集、模型重建到最后設(shè)計創(chuàng)新的整個過程。通過課程學(xué)習(xí)，使學(xué)生了解逆向設(shè)計的概念與方法，逆向造型的設(shè)計特點，熟練操作逆向建模軟件，使學(xué)生具備利用逆向造型軟件進(jìn)行工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計的能力，為后續(xù)課程設(shè)計的開展和職業(yè)能力的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。在課程設(shè)置上，前導(dǎo)課程有機(jī)械制圖、零件三維建?；A(chǔ)、工業(yè)產(chǎn)品外觀創(chuàng)新設(shè)計，后續(xù)課程有3D打印技術(shù)、逆向設(shè)計與3D打印實訓(xùn)。

課程專業(yè)目標(biāo)是了解正向設(shè)計與逆向設(shè)計的區(qū)別，熟悉Geomagic DesignX逆向設(shè)計軟件，掌握運用軟件進(jìn)行產(chǎn)品逆向設(shè)計。培養(yǎng)學(xué)生具有嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真、實事求是的科學(xué)態(tài)度;具備較強(qiáng)的動手能力、分析解決問題能力、創(chuàng)新能力以及自我學(xué)習(xí)和自我發(fā)展的能力。通過大量的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源，包括視頻資料、教學(xué)錄像及課件等，鼓勵學(xué)生根據(jù)自己的能力和實際情況，有針對性地進(jìn)行自學(xué)和超前學(xué)習(xí)，具備跟蹤專業(yè)技術(shù)發(fā)展方向，探求和更新知識的自學(xué)能力。要求學(xué)生具有較高的安全、質(zhì)量及國家標(biāo)準(zhǔn)意識以及善于與人相處、與人溝通的團(tuán)隊合作能力。

通過講授逆向設(shè)計概念、方法和運用的知識，讓學(xué)生了解產(chǎn)品設(shè)計的過程、方法，認(rèn)識逆向設(shè)計概念，然后通過軟件各模塊操作命令的講解，使學(xué)生逐步了解逆向設(shè)計的基本概念和技術(shù)方法，技術(shù)發(fā)展趨勢，掌握面向工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計實物的數(shù)字化、模型重建的設(shè)計方法與逆向建模方法，最后通過幾個實際案例的練習(xí)與鞏固，使學(xué)生初步掌握一種支持逆向設(shè)計的應(yīng)用軟件工具，從而實現(xiàn)能自己進(jìn)行產(chǎn)品逆向設(shè)計，培養(yǎng)逆向設(shè)計技術(shù)人才。

二、模塊化課程設(shè)計

2014年舉行全國職業(yè)院校技能大賽“三維數(shù)字化設(shè)計與制造”賽項以來，逆向設(shè)計的概念逐步進(jìn)入職業(yè)院校的視野，很多學(xué)校開設(shè)了工業(yè)產(chǎn)品逆向設(shè)計課程，相關(guān)教材較少，主要以自編教材為主。這門課程已由選修課程上升為先進(jìn)數(shù)字化設(shè)計與制造模塊的專業(yè)核心課程之一，但在教學(xué)上，還是傳統(tǒng)的先講指令操作，再講案例。此種做法容易造成學(xué)習(xí)時枯燥，知識技能碎片化，操作指令無法靈活應(yīng)用，難以達(dá)到教學(xué)效果。因此，重點解決理論與實際操作脫節(jié)的問題，將指令的講解融入具體的項目中，提高學(xué)生的實戰(zhàn)能力[7-8]。

按照工業(yè)產(chǎn)品逆向設(shè)計課程特點，將教學(xué)內(nèi)容劃分為七個模塊，模塊一為概述，重點介紹逆向設(shè)計的概念和應(yīng)用場合，吸引學(xué)習(xí)興趣。模塊二介紹掃描儀的操作與數(shù)據(jù)采集，重在掃描儀的標(biāo)定操作。模塊三講解點云數(shù)據(jù)的處理，以掃描儀采集的數(shù)據(jù)為案例展開，保持學(xué)習(xí)的連貫性。模塊四和模塊五介紹逆向軟件的操作和設(shè)計過程，通過項目形式將知識點和技能點融入其中。模塊六突出對產(chǎn)品設(shè)計精度的檢測能力，符合企業(yè)崗位對技能的實際需求。從模塊二到模塊六形成一個完整的系統(tǒng)，在掌握了逆向設(shè)計的操作技能后，模塊七是最后的學(xué)習(xí)成效檢驗，通過小組的分工配合，完成一個創(chuàng)新的產(chǎn)品。0836A388-65F6-40A4-85E4-D4A2D9BDD3E8

下面對各個模塊所涉及的基本任務(wù)、擴(kuò)展任務(wù)、目的要求、涵蓋知識點和學(xué)時等進(jìn)行說明。

1. 模塊一、逆向工程概述（4學(xué)時）

基本任務(wù)：逆向工程的概述與應(yīng)用;逆向工程的流程及技術(shù)。

目的要求：知道逆向工程的概念;了解逆向工程的應(yīng)用場合;熟悉逆向工程的工作過程。

2. 模塊二、 三維掃描儀操作（6學(xué)時）

基本任務(wù)：三維掃描儀的標(biāo)定;三維掃描儀的一體掃操作;三維掃描儀的對半掃操作。

目的要求：了解三維掃描儀的結(jié)構(gòu)和工作原理;熟悉三維掃描儀標(biāo)定的基本步驟;能夠獨立完成三維掃描儀標(biāo)定的過程;能夠?qū)ぜM(jìn)行正確的噴粉和貼標(biāo)志點操作;能夠正確采集點云數(shù)據(jù);知道一體掃操作和對半掃操作的區(qū)別;熟悉三維掃描儀開關(guān)機(jī)和維護(hù)的基本方法。

3. 模塊三、點云處理（10學(xué)時）

基本任務(wù)： Wrap綜合實例1;Wrap綜合實例2。

擴(kuò)展任務(wù)：一體掃點云處理;對半掃點云處理。

目的要求：分析掃描件的基本結(jié)構(gòu)，確定點云處理的方法;熟悉點云處理的基本步驟;能夠手動刪除點云周邊的雜點;采用非連接項和體外弧點方法刪除手動方式不易刪除的雜點;能夠?qū)蓚€對半掃的工件合并成一個整體;將合并的整體進(jìn)一步進(jìn)行降噪處理，最后封裝完成;能夠分析封裝件中存在的不足和問題，能夠刪除封裝件釘狀物，并進(jìn)行降噪處理;應(yīng)用套索選擇刪除有缺陷的位置，并進(jìn)行填孔處理;應(yīng)用網(wǎng)格醫(yī)生分析點云處理的效果;根據(jù)曲面的不同曲率，采用自由曲面形狀、棱柱形（積極）和棱柱形（保守）等方式進(jìn)行降噪。

4. 模塊四、Geomagic DX基本操作（6學(xué)時）

基本任務(wù)：模型重構(gòu)概述;領(lǐng)域;對齊;草圖;拉伸與旋轉(zhuǎn);放樣與掃描;編輯特征;面片擬合;曲面編輯。

擴(kuò)展任務(wù)：坐標(biāo)對齊的操作;曲面放樣與裁剪綜合應(yīng)用。

目的要求：知道模型重構(gòu)含義;了解正逆向常用軟件的功能和區(qū)別;掌握模型重構(gòu)的過程;知道基于實體特征和曲面特征的模型重構(gòu)方法;明白坐標(biāo)對齊的目的;知道通過布爾運算創(chuàng)建實體的方法。

5. 模塊五、Geomagic DX綜合應(yīng)用（14學(xué)時）

基本任務(wù)： Geomagic DX綜合實例1;Geomagic DX綜合實例2;Geomagic DX綜合實例3;Geomagic DX綜合實例4。

擴(kuò)展任務(wù)：歷年省賽與國賽試題的訓(xùn)練。

目的要求：能夠分析零件圖的基本結(jié)構(gòu)，知道零件由哪些部分組成，可以用搭積木的形式予以創(chuàng)建;能夠說出零件的繪圖步驟;熟悉曲面回轉(zhuǎn)操作生成片體的方法;能夠用曲面切割實體;掌握體偏差檢查的方法，并進(jìn)行圖形的調(diào)整。

6. 模塊六、建模精度分析（4學(xué)時）

基本任務(wù)：測量模塊+精度分析模塊;Control分析軟件應(yīng)用。

擴(kuò)展任務(wù)：對復(fù)雜零件進(jìn)行精度分析并生成報表。

目的要求：知道測量模塊的基本功能;熟悉精度分析模塊的操作過程;掌握測量數(shù)據(jù)的分析方法。熟練操作Control分析軟件;掌握Control分析軟件的分析過程;能夠分析測試數(shù)據(jù)，評價模型的質(zhì)量。

7. 模塊七、實踐模塊（10學(xué)時）

基本要求：學(xué)生分組，4個學(xué)生為一組;由小組根據(jù)實踐課程培養(yǎng)目標(biāo)和大綱要求自選題目，要求題目難度不能低于前面六個模塊的項目;小組討論并設(shè)計出產(chǎn)品方案;小組完成產(chǎn)品的制作與組裝;項目匯報，小組自評+組間互評+教師評價，確定綜合成績。

擴(kuò)展要求：不局限于使用三維掃描儀及其相關(guān)正、逆向設(shè)計軟件，可將3D打印機(jī)、數(shù)控機(jī)床等相結(jié)合。

三、模塊化課程網(wǎng)絡(luò)平臺建設(shè)

目前，隨著信息化教育技術(shù)的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)的課堂教育模式已經(jīng)難以滿足現(xiàn)代職業(yè)教育的需求。在《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020年）》中強(qiáng)調(diào)：“信息技術(shù)對教育發(fā)展具有革命性影響，必須給予高度重視?！庇绕湓谝咔槠陂g要求“停課不停教、停課不停學(xué)”，保障學(xué)生學(xué)業(yè)不受疫情影響，建設(shè)網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)資源更加凸顯其重要性和必要性。

有些教師對信息化教學(xué)以及網(wǎng)絡(luò)平臺資源建設(shè)認(rèn)識不足，認(rèn)為信息化教學(xué)只是把課件、教案搬到了網(wǎng)絡(luò)平臺，缺乏信息化教學(xué)與信息傳播媒介之間關(guān)系的認(rèn)識。學(xué)生在網(wǎng)上自主搜索到的教學(xué)資源是海量的，但學(xué)生初次接觸工業(yè)產(chǎn)品逆向設(shè)計課程，對逆向設(shè)計的思路和軟件使用不夠熟練，造成上網(wǎng)搜索的資料質(zhì)量不高且缺乏知識技能的系統(tǒng)性。因此，需要教師對教學(xué)資源進(jìn)行整合和優(yōu)化。許多教師在傳統(tǒng)課堂講授知識的過程中，已經(jīng)積累較為豐富的教學(xué)經(jīng)驗，課堂上以教師為中心，主要通過傳統(tǒng)的課件或者教案作為課堂教學(xué)資源。教師采用交互式教學(xué)，與學(xué)生面對面地溝通，通過課堂練習(xí)或者提問來掌握學(xué)生對知識技能的理解程度[9]。這種反饋有助于教師了解學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，及時調(diào)整課堂教學(xué)進(jìn)度。因此，有些教師認(rèn)為信息化教學(xué)無法與傳統(tǒng)課堂教學(xué)比擬，導(dǎo)致對采取信息化教學(xué)積極性不高，影響課程網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺的建設(shè)質(zhì)量。在工業(yè)產(chǎn)品逆向設(shè)計信息化網(wǎng)絡(luò)平臺建設(shè)中，需要抓住課程實踐性強(qiáng)的特點，不能僅僅將線下的教學(xué)素材放在網(wǎng)絡(luò)平臺上，這樣只是單純地堆砌大量教學(xué)資源，缺乏對資源的整合和優(yōu)化，造成學(xué)生對教學(xué)資源的吸收率不高。

對課程中的知識點和技能點進(jìn)行梳理，確定課程的重點和難點，包括易錯點，拍攝制作微課視頻，掛在網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺，便于學(xué)生課前預(yù)習(xí)和課后復(fù)習(xí)。對于典型案例，根據(jù)逆向設(shè)計的過程，將軟件的操作錄制成視頻，供學(xué)生練習(xí)時使用參考。制作練習(xí)題庫，作為學(xué)生課后的作業(yè)或者課堂在線測試使用。設(shè)計課堂問卷調(diào)查，根據(jù)學(xué)生的反饋情況，及時調(diào)整教學(xué)策略。將相關(guān)的微課視頻、課件和教案等資料上傳到優(yōu)慕課教學(xué)平臺，按照使用情況進(jìn)行動態(tài)調(diào)整。

信息化教學(xué)需要教師轉(zhuǎn)變教學(xué)觀念，不能僅局限于信息化資源和手段的應(yīng)用，要求教師從以“教”為中心轉(zhuǎn)向以學(xué)生“學(xué)”為中心，教學(xué)目的要由知識獲取轉(zhuǎn)向能力培養(yǎng)轉(zhuǎn)變[10]。這就要求對課程內(nèi)容進(jìn)行重新整合，對教學(xué)設(shè)計也提出更高要求。0836A388-65F6-40A4-85E4-D4A2D9BDD3E8

教學(xué)設(shè)計應(yīng)以學(xué)生為中心，著重培養(yǎng)學(xué)生的能力。對各類線上資源進(jìn)行篩選和整合，優(yōu)化教學(xué)資源，為學(xué)生的學(xué)習(xí)提供多樣化的選擇，讓學(xué)生真正利用信息化教學(xué)資源提升自身的綜合素質(zhì)。期間要充分利用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺的討論區(qū)，重視學(xué)生與學(xué)生之間、學(xué)生與教師之間的溝通合作，創(chuàng)新課程的教學(xué)模式;同時，要設(shè)計學(xué)習(xí)效果的監(jiān)測點、學(xué)習(xí)過程的跟蹤，使學(xué)生能查擺問題，跟上教學(xué)節(jié)奏，根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)反饋，教師也可以發(fā)現(xiàn)教學(xué)設(shè)計中存在的問題，進(jìn)行不斷改進(jìn)更新，促進(jìn)教學(xué)質(zhì)量提升，有助于學(xué)生的學(xué)習(xí)與進(jìn)步。

四、模塊化課程實施與考核評價

以Geomagic DX綜合應(yīng)用實例進(jìn)行詳細(xì)介紹模塊化課程實施過程：

（1）課前預(yù)習(xí)，自學(xué)能力培養(yǎng)。通過網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺發(fā)布學(xué)習(xí)任務(wù)，學(xué)生根據(jù)課件和微課視頻進(jìn)行自我學(xué)習(xí)。

（2）分組討論，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺收集的學(xué)習(xí)反饋，針對重點難點問題開展小組討論，激發(fā)學(xué)習(xí)的內(nèi)生動力。

（3）產(chǎn)品演示，觀察能力培養(yǎng)。能夠分析零件圖的基本結(jié)構(gòu)，知道零件由哪些部分組成，可以用搭積木的形式予以創(chuàng)建。

（4）逆向設(shè)計軟件操作，動手能力培養(yǎng)。知道零件的繪圖步驟，掌握逆向設(shè)計軟件的操作過程。

（5）巡回檢查，問題點撥。教師根據(jù)學(xué)生操作過程中遇到的問題，及時給予指導(dǎo)，引導(dǎo)學(xué)生積極思考問題，靈活掌握解決問題的方法。

（6）任務(wù)升級，提升逆向設(shè)計的能力。引入曲面設(shè)計，在訓(xùn)練過程中掌握曲面建模的不同方法。

（7）舉一反三，知識遷移能力培養(yǎng)。完成一個產(chǎn)品的設(shè)計，由學(xué)生上臺談設(shè)計的體會，總結(jié)歸納逆向設(shè)計的方法和技巧。

（8）項目延伸，創(chuàng)新能力提升。由逆向設(shè)計零件圖紙，通過3D打印機(jī)打印作品，根據(jù)設(shè)計方案和最終打印樣件綜合評價學(xué)習(xí)效果。

課程考核突出過程與模塊評價，結(jié)合課堂提問、業(yè)務(wù)操作、課后作業(yè)和模塊考核等手段，加強(qiáng)實踐性教學(xué)環(huán)節(jié)的考核，并注重平時成績的評定與管理。強(qiáng)調(diào)目標(biāo)評價和理論與實踐一體化評價，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行學(xué)習(xí)方式的改變。重視課程結(jié)束后綜合評價，結(jié)合案例分析、角色扮演以及崗位輪訓(xùn)操作等手段，充分發(fā)揮學(xué)生的主動性和創(chuàng)造力，全面考核學(xué)生所擁有的綜合職業(yè)能力及水平。建議在教學(xué)中按任務(wù)模塊評分，分為三個任務(wù)模塊，分別是實物三維數(shù)據(jù)采集、三維建模、產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計，課程結(jié)束時進(jìn)行綜合模塊考核。

五、模塊化教學(xué)效果

采用模塊化課程設(shè)計之后，將知識點和技能點進(jìn)行重新歸納，并以項目為載體，減少了理論知識的說教，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。同時，模塊之間互為遞進(jìn)，項目設(shè)計的技能點不斷升級，增強(qiáng)學(xué)習(xí)的挑戰(zhàn)性，激發(fā)學(xué)生探索創(chuàng)新的能力。將模塊化課程資源上傳至網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺，學(xué)生可以隨時隨地學(xué)習(xí)，并可在網(wǎng)絡(luò)討論區(qū)留言，及時發(fā)現(xiàn)問題和解決問題。模塊一的內(nèi)容可以自學(xué)完成，課堂分小組上臺發(fā)言交流，明確課程學(xué)習(xí)的目的意義。從模塊二開始，學(xué)生重在實踐操作，跟著微課視頻邊學(xué)邊做。通過對一個班（50人）學(xué)習(xí)情況的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，模塊二和模塊三的學(xué)習(xí)優(yōu)秀率在70%以上，到了模塊四、模塊五和模塊六，學(xué)習(xí)優(yōu)秀率上升到85%，說明模塊化課程設(shè)計有利于教學(xué)效果提升。到了模塊七，學(xué)生可以自行組隊設(shè)計方案，加工產(chǎn)品，達(dá)到了企業(yè)崗位對工程師的技術(shù)技能素質(zhì)要求。

六、結(jié)束語

根據(jù)工業(yè)產(chǎn)品逆向設(shè)計課程傳統(tǒng)教學(xué)存在的問題和不足，并通過企業(yè)崗位技能需求調(diào)研，對課程進(jìn)行重新解構(gòu)與重構(gòu)。按照模塊化安排課程教學(xué)，每個教學(xué)模塊設(shè)置多個項目，將知識點和技能點融入項目。通過項目的執(zhí)行達(dá)到對知識點和技能點的掌握，同時注重過程性考核，加強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)效果的監(jiān)管，倒逼學(xué)生提升學(xué)習(xí)的主動性。課程中增設(shè)了實踐模塊，通過前幾個模塊的學(xué)習(xí)，可以完成較為復(fù)雜的設(shè)計任務(wù)，并借助3D打印或者數(shù)控機(jī)床加工制作產(chǎn)品，培養(yǎng)學(xué)生的綜合創(chuàng)新能力和實踐能力。

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