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CDIO教育模式在逆向工程课程教学中的应用研究

2016-04-16陈仙明

浙江水利水电学院学报 2016年1期
关键词:逆向工程教学改革

刘 锋,陈仙明

(浙江水利水电学院 机械与汽车工程学院,浙江 杭州 310018)



CDIO教育模式在逆向工程课程教学中的应用研究

刘锋,陈仙明

(浙江水利水电学院 机械与汽车工程学院,浙江 杭州310018)

摘要:针对逆向工程教学现状的不足,采取了在CDIO理念指导下构建基于项目的“教学做”三位一体《逆向工程》课程新的教学模式.从教学方法、教学体系、教学评价三方面对《逆向工程》教学进行一系列改革试验,探讨了培养应用型高素质人才的课堂教学方法.实践证明该方法提高了学生对《逆向工程》课程的学习兴趣和积极性,可以有效提高学生的动手能力和综合能力,并取得了较好的教学效果,具有较强的借鉴意义.

关键词:CDIO;逆向工程;项目分级制;教学改革

《逆向工程》课程是应用型高校机械类专业的一门重要的专业课程.它整合了前期《机械设计》《机械制图》《计算机应用基础》《CAD技术及其应用》等一系列专业基础课程相关知识[1-2],注重对学生知识综合运用能力、创新意识、创新能力、动手能力等素质的培养.通过该课程的学习,要求学生了解逆向工程的基本工作原理、工作流程和工作方法,并能熟练运用坐标测量仪和主流逆向工程软件完成中等复杂程度产品和模具的点云数据采集、几何特征重构和创新再设计[3-4],为后续专业课程如《机电产品设计》《模具设计与制造》等课程的学习以及进一步从事相关工作奠定必要的基础.同时逆向工程技术是一项开拓性、实用性和综合性很强的技术[5],要使学生学好逆向工程、掌握逆向工程技术并不是件容易的事情.本文在分析逆向工程教学现状不足的基础上,结合学校现有的设备资源,抓住学校大力建设应用型本科院校机遇,探讨了在CDIO理念指导下构建基于项目的“教学做”三位一体的《逆向工程》课程新的教学模式.

1《逆向工程》教学现状分析

传统的《逆向工程》教学方式重点以介绍建模软件逆向造型功能、以熟练掌握软件基本操作为目的,侧重讲解而看轻实际动手能力[6].每节课教师先基本“照本宣科”,即根据教材的固定顺序讲解若干操作命令,学生再跟随巩固操作,教学形式较单调、乏味.学生填鸭式被动参与课程学习,这样的授课形式无法激起学生对课程的兴趣,且易造成课程结束后不能对所学知识融会贯通和活用.归纳总结现有《逆向工程》教学的不足,发现存在以下几个主要问题:

(1)教材内容程式固定,编排欠合理.《逆向工程》课程相关教材不多,大都是软件建模功能操作的简单堆砌,知识点零散或者理论数学描述讲解太多,学生理解困难.[7]

(2)授课方式单一.根据教材固定的编排内容,教师采用流水授课,课堂教学模式不灵活,侧重对具体功能操作讲解,对分散知识点不能做到及时通过综合案例贯通分析,理论和实操无法做到有机融合.虽然学生参与度高,但是学生往往是对所授知识点知其然而不知其所以然的被动接受、模仿所讲内容,无法做到独立思考,在进行综合大作业独立完成环节,往往对所掌握知识不能融会贯通灵活运用,教学效果不甚理想.

(3)不注重对学生团队协作能力培养.课程所定教学目标侧重对学生硬技能知识的掌握,忽视对学生软技能团队协作精神的培养.

(4)课程考核形式简单.常采用学生被动接受考核,考核指标制定注重学生硬技能,专业知识的考核,而忽视对学生软技能,综合素质的考核,无法激发学生的学习潜能.

2CDIO教学理念的引入

CDIO教学理念是近来国际教育界倡导的较流行的工程教育模式[8-9],将工程项目分解为Conceive(构思)、Design(设计)、Implement(实现)及Operate(运作)几部分,注重对学生工程基础知识能力、个人能力、人际团队能力和工程系统能力的全方位综合素质能力训练,让学生化被动为主动的学习、理论与实践相结合的学习.它是学与做的结合,知与行的统一,使培养出来的学生理论知识和工程应用能力都很强[10].在分析《逆向工程》现有课程教学方式存在的问题的基础上,引入先进的CDIO工程教育理念,提出了将CDIO应用到《逆向工程》课程教学中,并建立基于CDIO的《逆向工程》课堂教学体系,在产品实物外观点云数据采集和产品逆向重构、再设计两方面映射构思(C)、设计(D)、实现(I)和运作(O)4个阶段.图1所示CDIO在产品高质量三维点云数据采集中的映射为C:产品实物外观几何分析;D:数据采集路径规划;I:点云数据采集;O:点云数据优化处理.CDIO在产品外观逆向重构中的映射为C:三维点云几何特征分解;D:外观曲面重建方法设计;I:曲线/曲面重建,创新再设计;O:各小组撰写项目PPT汇报.并从教学方法、教学体系、教学评价三方面对《逆向工程》教学进行一系列改革试验,探讨培养专业成才、精神成仁的应用型高素质人才的课堂教学方法.

3基于CDIO的逆向工程教改实施

3.1构建4级项目制教学体系

根据CDIO强调“做中学”和“基于项目的学习”[11],《逆向工程》课程的教学体系改革将使学生在本门课程的学习过程中不但学到一些必要的知识,更重要的是获得自学、应用、创新能力和个人非专业素质如沟通能力、团队协作精神等综合素质的全面提高.通过系统研究逆向设计常用的设计流程、典型工程案例以及主流逆向设计工程软件的通用功能模块,精心设计出具有典型性、复合性、实用性、连贯性的与工程实例相结合的教学项目,采取课堂教学与项目实践相结合的方法,来提高学生综合解决问题的能力,而不局限于某个项目涉及到的具体知识.按照这种目的,精心设计构建了初、中、高级、个性化自选产品创新项目为载体的四级项目体系.初级项目以介绍本课程的核心模块功能为主,每个项目包含多个知识点,通过项目实施使学生掌握课程基本内容;中级项目旨在加强课程内容的应用和提高,使学生深化知识运用;高级项目为综合性项目,该类项目将整个课程体系有机地结合起来,达到触类旁通的效果;个性化自选产品的创新设计项目,以学生为主体,要求学生自选个性化产品完成逆向设计,学生根据自选件的结构特点,规划测量路径及逆向重构、再设计方法.在具体的实施中,学生各有分工、各尽其职,通过团队协作共同完成自选件的模型重构及创新再设计,充分体现活中学、学中做、做中思,从而充分调动学生的学习主动性和团队协作精神.部分项目分级表(见表1),以项目为驱动,知识点的教学贯穿于项目教学的整个环节,按照工程实例产品逆向设计的复杂程度,融合理论知识讲解内容,循序渐进,逐步提高学生能力,充分调动学生的学习自主性、探究性、合作性.

表1 部分项目分级表

3.2引进“教、学、做”教学模式

结合CDIO教学大纲,为方便以项目为驱动的课堂教学顺利实施,将《逆向工程》的教学分为理论教学和实操两大环节,并突出实操部分,增强学生的实际动手解决问题能力.理论授课环节结合学科发展前沿,侧重对学生进行逆向工程的常用基础知识培养;实际操作环节侧则重于对学生对所掌握知识的综合应用能力、动手能力以及学习态度的培养.《逆向工程》的教学主要内容(见图2).并采取“教、学、做”三位一体的《逆向工程》教学模式:第一阶段“教”,第二阶段“学”,第三阶段“做”.第一阶段“教”主要是理论授课部分.学生通过对这部分的学习能掌握点云数据的接触式与非接触式基本测量原理、测量方法、会对测量数据预处理、熟悉基于测量点云数据的曲线曲面常用逆向造型方法等基本理论知识.第二阶段“学”以项目为导向,由教师通过对精选的初、中、高三级典型模型的逆向构建来讲解产品逆向设计思路、设计步骤及对产品外观点云数据采集仪器设备功能指令、操作要领等基础知识[12],增强学生的动手操作的能力,鼓励学生独自思考完成对应项目,通过实操不断加深对已学知识的理解和巩固,掌握典型案例中涉及的建模思想、方法.学生设计思路的培养是该阶段教师关注的重点,这有助于促进学生积极自主思考习惯的养成.第三阶段“做”,以自选产品的创新设计项目实施为主线,采用分组方式,通过激发学生的自主探究精神和团队合作精神来分析、解决问题,最终共同完成项目.把控项目的可行性、项目的关键时间节点,督促学生按时完成阶段任务,并对学生问题引导解答是该阶段教师关注的重点,同时整个过程中教师应注意不直接给出问题的解决方法,而是启发式教育,激发学生自主学习的潜能,调动学生个性化思考和主动性发挥,培养团队协作精神.“学”、“做”阶段主要是实操部分,通过实操,学生能运用逆向工程技术解决实际问题.

图2 理论教学和实操两大环节教学内容

3.3“知识+技能+态度”教学评价

根据CDIO大纲要求,考核不仅仅是对学生知识掌握情况的评估,还是激励学生自主学习的动力,通过对该课程的考核方式和成绩评定方式做相应的改革,借此来改变原来由期末考试的成绩评定的单一方式,期望注重对学生进行“知识+技能+态度”三位一体考核,能充分反映学生的实际学习情况.

(1)“教”阶段评价:由于学生在该阶段主要是跟着老师进行相关理论知识的学习,因此应体现对学生的课堂参与度、课堂表现情况进行考核.该部分成绩占最后总评成绩的10%.

(2)“学”阶段的评价:由于学生在该阶段主要是由老师指导来完成项目,因此应体现学生的项目完成情况、学习态度和项目完成的熟练程度等情况进行考核,该阶段以鼓励为主、兼顾公平的指导思想进行评价.该部分成绩占最后总评成绩的40%.

(3)“做”阶段的评价:由于学生在该阶段主要由老师引导,以小组形式,每个小组(5~6人),通过自主探究和团队合作来分析、解决问题,最终共同完成项目,因此应体现对学生过程考核,通过小组阶段性项目进度报告、项目总结完成情况报告(以小组为单位推选代表,进行项目涉及的关键技术和完成情况进行课堂总结答辩形式进行),并结合项目结束后项目成员各自提交的个人项目贡献情况总结报告,进行综合考核.该阶段考评重点参考指标有:每个学生在该项目中的参与程度、团队合作能力及最终的完成效果,个人自评分、小组成员成

绩互评分、组间答辩成绩互评分.具体评价内容(见表2),该成绩占总评成绩的50%.

图3所示为逆向工程课程改革项目制教学成员小组具体结构和运行模式.项目小组分组以“组内异质、组间同质”为原则,组内异质保证小组成员间的互补性,为小组成员互助合作奠定基础,而组间同质则保证了各小组之间实力均衡,避免由于差异过大,导致学生抵触、厌学情况的发生,为各小组间的公平竞争环境创造条件.每个小组在组长带领划分成员任务和考核方法、安排项目进程.同时,教师利用互联网的便利性[13],采取课前给预习、课后留复习;积极组织开展小组成员互评,教师抽查;通过设置课堂观察员以及在每个项目级结束后让学生通过书面报告及时反馈学习效果,和对后面教学的期望、建议来加强拓宽教师与学生沟通的途径;充分发挥学生的自主性和教师的引导性,处理好课堂教学的计划性与灵活性关系,充分提高学生的参与度与课堂教学效率和效果.

图3 项目制教学成员小组具体结构和运行模式

班级、姓名项目组长项目名称小组成员评价类别评价内容评价标准个人自评组长评价组间互评教师评价产品三维点云获取产品实物外观几何特征分析5数据采集路径规划10点云数据采集5点云数据优化处理5产品外观逆向重构点云几何特征分析5曲面重建方法规划10曲线/曲面重建15项目报告PPT汇报(含表述能力)20学习态度独立解决问题能力(含运用知识、发现知识能力)5创新程度5团队合作能力(含领导、组织和执行力、合作意识)10职业态度、职业素质5合计100教师总评(成绩)

4结语

针对学校目前《逆向工程》课程教学现状的不足,引入CDIO教学理念,以项目为载体,采取“教学做”三位一体的《逆向工程》课程教学模式,在教学体系、教学方法、教学评价三方面进行一系列改革,使工程与学生的知识、素质、能力挂钩.通过改革尝试,很好的提升了学生对课程的学习兴趣,提升了学生的工程设计能力,创新能力和团队协作能力,从而使学生的专业硬技能和软技能得到了全面发展.

参考文献:

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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

中图分类号:G642

文献标志码:A

文章编号:1008-536X(2016)02-0081-05

作者简介:刘锋(1978-),男,湖北荆门人,在读博士,讲师,研究方向为先进模具技术、逆向工程.

收稿日期:2015-11-12

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