新工科背景下逆向工程技术课程改革与实践

2021-09-03范恒亮魏天路王超

绥化学院学报 2021年8期

范恒亮魏天路王超

（蚌埠学院机械与车辆工程学院安徽蚌埠 233030）

为更好地应对新产业变革和科技革命，国家出台了一系列面向新经济的“中国制造2025”“一带一路”等战略方针。随着以新技术、新产业为引导的新经济的高速发展，高校培养的人才很难跟上高速发展的节奏，这就为我国高校培养面向新工科的交叉型人才提出了新的挑战和研究课题[1]。2017年，我国提出高等教育新工科计划和实施建议，以及随后形成新工科的“三部曲”，要求应用型本科院校人才培养要以产业结构调整为引导，不断对人才培养模式进行优化[2]。在新工科建设的引领下，需要高校更新人才培养理念，加大课程思政融入的力度，重视学生工程实践和创新能力的培养[3]。

“逆向工程技术”作为一门机械类专业的必修课程，是对现有产品或零件的技术要求、功能特性和组织结构进行分析，通过CAD/CAM软件、3D扫描设备和快速成型工艺对产品进行反向再现的过程。该技术广泛应用于产品创新设计和快速成型领域，具有缩短研发周期、减少企业成本和加快产品造型设计的作用[4]。该课程涉及到数学模型建立、逆向建模、创新设计和3D打印技术，涵盖基础数学、材料科学、机械设计、机械制造等学科。针对目前逆向工程技术课程教学过程中存在的突出问题，根据学校依托地方产业、将工程教学理念贯穿教学、培养应用型人才的办学定位，积极探索逆向工程技术课程教学改革模式，逐步提升学生培养质量。

一、教学现状分析

（一）课程体系不足以支撑人才培养目标。机械制造专业主要为社会培养具有较强的工程实践能力的高素质应用型专门人才。逆向工程技术作为一门交叉学科的课程，对于学生的产品创新设计、加工工艺规划和动手能力的培养，具有较好地支撑作用[5]。但在课程设置上，仅仅有传统的机械设计与原理、工程材料及热处理、机械制造技术、工业造型设计等课程，缺乏创新方法、3D扫描技术、3D检测技术相关的课程，无法形成以数字化贯穿测量、设计与成型的整体意识。

（二）教学方法单调陈旧。目前，课程的教学方式往往以传统的灌输式和简单的借助PPT的方式进行，学生对较为抽象的产品造型难以理解，进而学生感觉枯燥，学习效果较差。同时，缺乏师生的互动和学生自主学习能力的培养。随着信息时代的到来，多媒体教育网络平台日益增多，信息化的教学手段使课程教学更加自主和丰富。通过借助大学生MOOC、精品课程、学习通等资源和平台，采用混合式的线上+线下的教学方式，可达到增加课堂活性和提高教学质量的效果[6]。

（三）学生的工程实践与创新能力不足。现有的课程体系中重理论轻实践，仅在理论课后设置2-3个演示实验，缺乏创新训练的实验项目，很难满足新工科对于学生具有创新思维和解决复杂工程问题能力的要求。

（四）学生评价方式单一。逆向工程技术课程仍以传统的考核方式为主，如期末理论考试和学生的出勤情况相结合。期末理论考试的知识点以教材的固定知识点为主，学生为应付考试，只是掌握相关知识点，而忽略其他知识点的学习。缺乏对课程教学过程性考核，减少了学生课上、课下课程的参与度，不利于学生能力的提升。

二、课程改革实施途径

（一）课程融入思政教育。2016年12月，习近平总书记明确指出，要把思想政治工作贯穿教育教学全过程。这就要求课程教师在完成专业知识讲授的同时，还必须树立以德育人的理念，将以德树人的教育理念融入到专业课教学过程中。逆向工程技术作为高校机械类专业的一门专业课，在保持学科特征的基础上，将以德树人作为核心目标，将思政元素融入课程教学中，如表1所示，从而指引逆向工程技术的教学改革落到实处。

表1 思政元素融入《逆向工程技术》教学内容表

在课程导学阶段，向学生介绍逆向工程技术的国内外发展现状以及在制造业所起的重要作用。如逆向工程技术在国内重要的加工制造领域取得的成就、3D打印技术在龙门人像修复的应用、国外在超音速飞机上的应用，以此引导学生在看到差距的同时树立自信[7]。同时，分析该课程的重难点及学习方法，使学生养成直面挫折的勇气。在理论讲授阶段，注重各章节之间的联系和在课程中所起的作用，培养学生对课程体系的整体把握。对于难以理解的知识点，借助模型或信息化手段展现和讲解。采用讨论式教学，分析逆向工程技术发展的优势和瓶颈，让学生学会尊重事实和明确发展目标的教学目的。在实践环节阶段，使学生学会操作三坐标测量、扫描仪、FDM成型机等设备，使学生逐步树立爱岗敬业、工匠精神和立足岗位的职业素养。

（二）优化课程体系。在新工科背景下，面向新经济的产品创新设计与制造的理念和方法已发生改变，随着计算机辅助设计、工艺和加工技术的发展，对优化课程体系提出了高要求[8]。如，在《机械制图》中可能只重视构型和手绘的讲授，而缺乏对三维软件的教学，在《机械三维建模技术》中只重视产品的造型设计，而忽视对设计产品加工方法和工艺的规划。针对逆向工程技术课程教学现状和特点，结合新工科背景下对学生素养和能力要求，提出应用型本科逆向工程课程体系优化方案，即三层次、三模块、四目标，如图1所示。

图1 逆向工程课程体系优化方案

逆向工程技术涉及到产品的三维扫描、正/逆向建模、产品创新设计、产品成型制造和精密测量技术等环节。基于逆向工程课程体系优化方案，以新工科对培养应用型技能人才为引导，对于课程体系中涵盖的课程分为三模块，每个模块在课程教学中通过基础训练、综合训练和创新训练，进而达到人才培养的四目标。以所学机械设计和机械原理为理论指导，以计算机辅助设计相关软件（Pro/E、SolidWorks、UG等）为平台完成产品的设计。利用实验室四目三维扫描仪、三坐标测量机、GeoMagic软件完成产品的逆向建模。根据设计产品的结构特点和性能要求，选择合适的增材制造工艺，如FDM、SLM、SLS等完成产品的快速原型制造。

（三）引入混合式教学模式。混合式教学模式是将信息化技术手段与传统课堂教学方式有机结合的新模式，该模式在保证教师主导地位的同时，围绕以学生为中心的教学理念，完成教学全过程[9]。传统的逆向工程技术授课方式，往往以PPT讲解穿插少许动画为主，学生只是被动接受书本知识，缺乏自主学习和师生互动交流的机会。这种教学模式，很难调动学生的学习兴趣，学生的积极性和创造性更是无法发挥，教学效果也很难达到预期的效果，教学质量也无法保证。为缓解因教学模式陈旧带来的教学质量较差的状况，改变目前的教学现状，提升课程教学水平，引入线上+线下混合式教学模式，实施过程如图2所示,课程教学分为课前准备与学生预习（线上）、课堂教学与实践环节教学（线下）和课后拓展三部分，主要侧重于多手段的融合、交互和反馈，旨在提高教学效率和学生学习主动性。

图2 实施过程图

1.课前准备。通过超星学习通平台，巩固上节重难点知识点，推送本节学习纲要、任务点和相关学习资源，如中国MOOC资源、PPT、课程相关视频。布置课前作业，根据学生完成情况，了解学生对相关知识点的掌握情况，调整教学策略，对于薄弱环节列为课堂教学环节的重点。

2.课堂实施。通过教室客户端登陆学习通，利用手势签到检查学生出勤情况，对课前作业进行点评。针对本节的难点开展组织教学，如常见的三维造型软件如何与3D打印机联机是难点，借助学生购物会在第三方平台完成启发学生转变思维。实操时，会将三维造型软件转化为stl中间格式，这样就解决无法联机的问题。针对知识点的重点内容，在学习通平台进行课堂提问，要求学生限时完成。及时对学生掌握情况现场反馈，增加了学生参与度，有利于提高学生对课程兴趣感，便于学生接受新知识和表达新想法。

3.课后作业和拓展。课后主要采用线下的方式完成，主要包括课后作业和课后拓展两个环节。为了使学生掌握科学研究成果检索方式，以逆向工程技术有关的论文和专利为主题，要求学生课后利用检索工具完成检索并在学习通讨论模块交流学习。这样学生在学会使用检索工具的同时，也拓宽了学生的视野。

（四）丰富实践教学环节。在新工科专业建设过程中，需要将相关课程的实践环节联系起来，打造培养新工科人才的实践教学体系[10]。针对现有的课程体系中注重课本知识而忽视知识外延和拓展的状况，并结合新工科对学生培养目标的要求，构建实践教学体系，如图3所示。该体系以学生能力培养为引导，分别从课内实验课程、课内课程设计，集中实践课程和创新创业课程开展教学。

图3 面向新工科的逆向工程技术实践教学体系

1.课内实验课程。该课程设置4课时课内实验，即三维四目扫描、产品设计与成型加工。扫描仪以齿轮减速器箱体为扫描对象，利用Imageware软件完成对扫描轨迹优化和点云数据处理。产品设计与成型加工要求学生利用所会的软件完成三维模型绘制，将处理完成的stl文件传输到FDM 3D打印设备进行增材制造，打印结束后进行去支撑和打磨处理，完成产品的设计和加工，学生作品如图4所示。

图4 实验课程学生作品

2.课内课程设计。以汽轮机叶轮的复制为例，介绍课程设计的实施过程，具体包括叶轮表面数据扫描、数据处理、叶轮模型重构、轻量化设计和增材制造等过程。

（1）叶轮表面扫描。首先对实验对象叶轮进行标定，利用实验室四维三目扫描系统对叶轮进行非接触式扫描，扫描过程如图5（a）所示，将扫描后的点云数据传输后台软件处理。

（2）数据处理。轮扫描过程中，会出现杂点、噪点和其他干扰点，因此叶轮每个方向扫描完成要利用软件对点云数据处理，包括去噪点、拼接等环节。完整点云数据要封装为stl文件，得到叶轮三维模型的原始文件，为下一步模型重构做好准备。

（3）叶轮模型重构和增材制造。叶轮的stl文件需要借助Geomagic Design X软件完成模型优化，通过对叶轮的主体、回转体进行合并、缝合，利用面片对叶轮的轮廓面拟合，最终得到叶轮优化后的三维模型，如图5（b）所示。利用实验室SLS金属成型装备完成叶轮成型实物加工，从而验证产品设计方案的可行性和叶轮的各项性能，实物图如5（c）所示。

图5 汽轮机叶轮的复制过程

3.集中实践训练。该课程的集中实践采用分散式方式开展，不设置考核指标，主要用以引导学生在各项实习环节着重知识的积累。如，在认识实习环节，通过参观相关产业的工程实践，让学生熟悉目前该技术在企业的应用状况。在生产实习环节，结合企业所生产的产品，运用逆向工程技术，提高胜任工作岗位的能力。

4.创新创业训练。结合逆向工程课程中的逆向建模、轻量化设计和快速成型模块，依托相关学科竞赛，如大学生先进成图技术与产品信息建模创新大赛、安徽省工业设计、全国3D大赛和“互联网+”创新创业大赛，采用任务驱动、项目式教学，培养学生创新创业能力。

（五）改革课程考核方式。为建立科学合理的考核评价体系，逐步改变单一的终结性评价，建立和完善多元、多主体、多形式的课程考核评价机制，客观公正评价教学质量，持续推动学生学习能力与学业成果的提升[11]。通过过程性考核进行全过程的实时监控，形成对教师即时性的影响效应，促进教师改进课堂教学方法，制定逆向工程技术形成性考核体系，如图6所示。形成性考核（评价）体系分为闭卷考试和过程性成果考核两个方面，课堂测试和期中测试主要在学习通平台完成，期末考试由学校期末统一组织。任课教师应结合逆向工程技术课程的实际需要来确定课程具体的形成性考核（评价）实施方案，在教案中精心设计具体环节，及时分析、反馈、总结，切实结合学生情况实施课程考核。