劉　鋒，陳仙明

(浙江水利水電學(xué)院 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，浙江 杭州　310018)

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CDIO教育模式在逆向工程課程教學(xué)中的應(yīng)用研究

劉鋒，陳仙明

(浙江水利水電學(xué)院 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，浙江 杭州310018)

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

關(guān)鍵詞：CDIO；逆向工程；項目分級制；教學(xué)改革

《逆向工程》課程是應(yīng)用型高校機(jī)械類專業(yè)的一門重要的專業(yè)課程.它整合了前期《機(jī)械設(shè)計》《機(jī)械制圖》《計算機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)》《CAD技術(shù)及其應(yīng)用》等一系列專業(yè)基礎(chǔ)課程相關(guān)知識[1-2]，注重對學(xué)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(zhì)的培養(yǎng).通過該課程的學(xué)習(xí)，要求學(xué)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(biāo)測量儀和主流逆向工程軟件完成中等復(fù)雜程度產(chǎn)品和模具的點云數(shù)據(jù)采集、幾何特征重構(gòu)和創(chuàng)新再設(shè)計[3-4]，為后續(xù)專業(yè)課程如《機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計》《模具設(shè)計與制造》等課程的學(xué)習(xí)以及進(jìn)一步從事相關(guān)工作奠定必要的基礎(chǔ).同時逆向工程技術(shù)是一項開拓性、實用性和綜合性很強的技術(shù)[5]，要使學(xué)生學(xué)好逆向工程、掌握逆向工程技術(shù)并不是件容易的事情.本文在分析逆向工程教學(xué)現(xiàn)狀不足的基礎(chǔ)上，結(jié)合學(xué)?，F(xiàn)有的設(shè)備資源，抓住學(xué)校大力建設(shè)應(yīng)用型本科院校機(jī)遇，探討了在CDIO理念指導(dǎo)下構(gòu)建基于項目的“教學(xué)做”三位一體的《逆向工程》課程新的教學(xué)模式.

1《逆向工程》教學(xué)現(xiàn)狀分析

傳統(tǒng)的《逆向工程》教學(xué)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(cè)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(jù)教材的固定順序講解若干操作命令，學(xué)生再跟隨鞏固操作，教學(xué)形式較單調(diào)、乏味.學(xué)生填鴨式被動參與課程學(xué)習(xí)，這樣的授課形式無法激起學(xué)生對課程的興趣，且易造成課程結(jié)束后不能對所學(xué)知識融會貫通和活用.歸納總結(jié)現(xiàn)有《逆向工程》教學(xué)的不足，發(fā)現(xiàn)存在以下幾個主要問題：

(1)教材內(nèi)容程式固定，編排欠合理.《逆向工程》課程相關(guān)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(xué)描述講解太多，學(xué)生理解困難.[7]

(2)授課方式單一.根據(jù)教材固定的編排內(nèi)容，教師采用流水授課，課堂教學(xué)模式不靈活，側(cè)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(jī)融合.雖然學(xué)生參與度高，但是學(xué)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(nèi)容，無法做到獨立思考，在進(jìn)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(xué)效果不甚理想.

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

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

2CDIO教學(xué)理念的引入

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

3基于CDIO的逆向工程教改實施

3.1構(gòu)建4級項目制教學(xué)體系

根據(jù)CDIO強調(diào)“做中學(xué)”和“基于項目的學(xué)習(xí)”[11]，《逆向工程》課程的教學(xué)體系改革將使學(xué)生在本門課程的學(xué)習(xí)過程中不但學(xué)到一些必要的知識，更重要的是獲得自學(xué)、應(yīng)用、創(chuàng)新能力和個人非專業(yè)素質(zhì)如溝通能力、團(tuán)隊協(xié)作精神等綜合素質(zhì)的全面提高.通過系統(tǒng)研究逆向設(shè)計常用的設(shè)計流程、典型工程案例以及主流逆向設(shè)計工程軟件的通用功能模塊，精心設(shè)計出具有典型性、復(fù)合性、實用性、連貫性的與工程實例相結(jié)合的教學(xué)項目，采取課堂教學(xué)與項目實踐相結(jié)合的方法，來提高學(xué)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(shè)計構(gòu)建了初、中、高級、個性化自選產(chǎn)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(xué)生掌握課程基本內(nèi)容；中級項目旨在加強課程內(nèi)容的應(yīng)用和提高，使學(xué)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(jī)地結(jié)合起來，達(dá)到觸類旁通的效果；個性化自選產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計項目，以學(xué)生為主體，要求學(xué)生自選個性化產(chǎn)品完成逆向設(shè)計，學(xué)生根據(jù)自選件的結(jié)構(gòu)特點，規(guī)劃測量路徑及逆向重構(gòu)、再設(shè)計方法.在具體的實施中，學(xué)生各有分工、各盡其職，通過團(tuán)隊協(xié)作共同完成自選件的模型重構(gòu)及創(chuàng)新再設(shè)計，充分體現(xiàn)活中學(xué)、學(xué)中做、做中思，從而充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性和團(tuán)隊協(xié)作精神.部分項目分級表(見表1)，以項目為驅(qū)動，知識點的教學(xué)貫穿于項目教學(xué)的整個環(huán)節(jié)，按照工程實例產(chǎn)品逆向設(shè)計的復(fù)雜程度，融合理論知識講解內(nèi)容，循序漸進(jìn)，逐步提高學(xué)生能力，充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)自主性、探究性、合作性.

表1　部分項目分級表

3.2引進(jìn)“教、學(xué)、做”教學(xué)模式

結(jié)合CDIO教學(xué)大綱，為方便以項目為驅(qū)動的課堂教學(xué)順利實施，將《逆向工程》的教學(xué)分為理論教學(xué)和實操兩大環(huán)節(jié)，并突出實操部分，增強學(xué)生的實際動手解決問題能力.理論授課環(huán)節(jié)結(jié)合學(xué)科發(fā)展前沿，側(cè)重對學(xué)生進(jìn)行逆向工程的常用基礎(chǔ)知識培養(yǎng)；實際操作環(huán)節(jié)側(cè)則重于對學(xué)生對所掌握知識的綜合應(yīng)用能力、動手能力以及學(xué)習(xí)態(tài)度的培養(yǎng).《逆向工程》的教學(xué)主要內(nèi)容(見圖2).并采取“教、學(xué)、做”三位一體的《逆向工程》教學(xué)模式：第一階段“教”，第二階段“學(xué)”，第三階段“做”.第一階段“教”主要是理論授課部分.學(xué)生通過對這部分的學(xué)習(xí)能掌握點云數(shù)據(jù)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(jù)預(yù)處理、熟悉基于測量點云數(shù)據(jù)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(xué)”以項目為導(dǎo)向，由教師通過對精選的初、中、高三級典型模型的逆向構(gòu)建來講解產(chǎn)品逆向設(shè)計思路、設(shè)計步驟及對產(chǎn)品外觀點云數(shù)據(jù)采集儀器設(shè)備功能指令、操作要領(lǐng)等基礎(chǔ)知識[12]，增強學(xué)生的動手操作的能力，鼓勵學(xué)生獨自思考完成對應(yīng)項目，通過實操不斷加深對已學(xué)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(xué)生設(shè)計思路的培養(yǎng)是該階段教師關(guān)注的重點，這有助于促進(jìn)學(xué)生積極自主思考習(xí)慣的養(yǎng)成.第三階段“做”，以自選產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計項目實施為主線，采用分組方式，通過激發(fā)學(xué)生的自主探究精神和團(tuán)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(guān)鍵時間節(jié)點，督促學(xué)生按時完成階段任務(wù)，并對學(xué)生問題引導(dǎo)解答是該階段教師關(guān)注的重點，同時整個過程中教師應(yīng)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(xué)生自主學(xué)習(xí)的潛能，調(diào)動學(xué)生個性化思考和主動性發(fā)揮，培養(yǎng)團(tuán)隊協(xié)作精神.“學(xué)”、“做”階段主要是實操部分，通過實操，學(xué)生能運用逆向工程技術(shù)解決實際問題.

圖2　理論教學(xué)和實操兩大環(huán)節(jié)教學(xué)內(nèi)容

3.3“知識+技能+態(tài)度”教學(xué)評價

根據(jù)CDIO大綱要求，考核不僅僅是對學(xué)生知識掌握情況的評估，還是激勵學(xué)生自主學(xué)習(xí)的動力，通過對該課程的考核方式和成績評定方式做相應(yīng)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(xué)生進(jìn)行“知識+技能+態(tài)度”三位一體考核，能充分反映學(xué)生的實際學(xué)習(xí)情況.

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

(2)“學(xué)”階段的評價：由于學(xué)生在該階段主要是由老師指導(dǎo)來完成項目，因此應(yīng)體現(xiàn)學(xué)生的項目完成情況、學(xué)習(xí)態(tài)度和項目完成的熟練程度等情況進(jìn)行考核，該階段以鼓勵為主、兼顧公平的指導(dǎo)思想進(jìn)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(xué)生在該階段主要由老師引導(dǎo)，以小組形式，每個小組(5～6人)，通過自主探究和團(tuán)隊合作來分析、解決問題，最終共同完成項目，因此應(yīng)體現(xiàn)對學(xué)生過程考核，通過小組階段性項目進(jìn)度報告、項目總結(jié)完成情況報告(以小組為單位推選代表，進(jìn)行項目涉及的關(guān)鍵技術(shù)和完成情況進(jìn)行課堂總結(jié)答辯形式進(jìn)行)，并結(jié)合項目結(jié)束后項目成員各自提交的個人項目貢獻(xiàn)情況總結(jié)報告，進(jìn)行綜合考核.該階段考評重點參考指標(biāo)有：每個學(xué)生在該項目中的參與程度、團(tuán)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(nèi)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(xué)成員小組具體結(jié)構(gòu)和運行模式.項目小組分組以“組內(nèi)異質(zhì)、組間同質(zhì)”為原則，組內(nèi)異質(zhì)保證小組成員間的互補性，為小組成員互助合作奠定基礎(chǔ)，而組間同質(zhì)則保證了各小組之間實力均衡，避免由于差異過大，導(dǎo)致學(xué)生抵觸、厭學(xué)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(lǐng)劃分成員任務(wù)和考核方法、安排項目進(jìn)程.同時，教師利用互聯(lián)網(wǎng)的便利性[13]，采取課前給預(yù)習(xí)、課后留復(fù)習(xí)；積極組織開展小組成員互評，教師抽查；通過設(shè)置課堂觀察員以及在每個項目級結(jié)束后讓學(xué)生通過書面報告及時反饋學(xué)習(xí)效果，和對后面教學(xué)的期望、建議來加強拓寬教師與學(xué)生溝通的途徑；充分發(fā)揮學(xué)生的自主性和教師的引導(dǎo)性，處理好課堂教學(xué)的計劃性與靈活性關(guān)系，充分提高學(xué)生的參與度與課堂教學(xué)效率和效果.

圖3　項目制教學(xué)成員小組具體結(jié)構(gòu)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(nèi)容評價標(biāo)準(zhǔn)個人自評組長評價組間互評教師評價產(chǎn)品三維點云獲取產(chǎn)品實物外觀幾何特征分析5數(shù)據(jù)采集路徑規(guī)劃10點云數(shù)據(jù)采集5點云數(shù)據(jù)優(yōu)化處理5產(chǎn)品外觀逆向重構(gòu)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(xué)習(xí)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(tuán)隊合作能力(含領(lǐng)導(dǎo)、組織和執(zhí)行力、合作意識)10職業(yè)態(tài)度、職業(yè)素質(zhì)5合計100教師總評(成績)

4結(jié)語

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

參考文獻(xiàn)：

[1]羅烽.開設(shè)逆向工程實訓(xùn)課程的探索[J].現(xiàn)代教育技術(shù)，2011(5):145-147.

[2]張海英，郭光立,劉萬強.等《逆向工程技術(shù)》課程設(shè)置的教學(xué)改革探索與實踐[J].中國科教創(chuàng)新導(dǎo)刊，2009(22)：177-178.

[3]譚昌柏.《逆向工程技術(shù)》課程教學(xué)探索[J].中國科技信息，2009(18):276-277.

[4]楊雪榮，何佳樂，成思源.基于逆向工程技術(shù)的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計試驗教學(xué)[J].實驗技術(shù)與管理，2013，30(10):152-154.

[5]張學(xué)昌.逆向建模技術(shù)與產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計[M].北京：北京大學(xué)出版社，2009.

[6]張渝，安治國，胡啟國.基于NetOpSchool的《逆向工程》課程教學(xué)優(yōu)化[J].中國科技信息，2010(2):251-252.

[7]王金蓮.《逆向工程技術(shù)》課程建設(shè)初探[J].職業(yè)教育研究，2011(10):92-93.

[8]JOHAN BANKEL,KARL-FREDRIK BERGGREN, KARIN BLOM. The CDIO Syllabus :a comparative study of expected student proficiency[J]. European Journal of Engineering Education,2003(3):26.

[9]克勞雷.重新認(rèn)識工程教育：國際CDIO培養(yǎng)模式與方法[M].顧佩華，沈民奮,譯北京：高等教育出版社，2009

[10]查建中.論做中學(xué)戰(zhàn)略下的CDIO模式[J].高等工程教育研究,2008(3):1-9.

[11]顧佩華，包能勝，康全禮,等.CDIO在中國(上)[J].高等工程教育研究,2012(3):24-40.

[12]成思源，黎波，張湘?zhèn)?基于COMET測量系統(tǒng)的逆向工程試驗教學(xué)研究[J].實驗室研究與探索，2010，29(11):90-93.

[13]戴軍，張鋒美.微薄在實訓(xùn)課程中的應(yīng)用研究[J].實驗技術(shù)與管理，2015,32(2):201-203.

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(xiàn)標(biāo)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(jìn)模具技術(shù)、逆向工程.

收稿日期：2015-11-12