基于模块化教学的课程体系构建

陈贵清

摘  要：针对工业产品逆向设计课程特点与职业岗位技能要求提出课程改革思路。对课程原有的知识点和技能点进行重新梳理，按照模块化开展教学，突出项目引领和过程性考核。通过项目的实施达到对知识点和技能点的掌控，提升学生自学能力和创新能力，实践表明，模块化教学改革取得显著实效。

关键词：工业产品逆向设计;模块化;教学改革

中图分类号：G642 文献标志码：A           文章编号：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

工業产品逆向设计在新产品开发方面起到重要作用，企业急需熟练掌握逆向设计技术的高技能人才，在很多职业院校中已开设专门课程，并出版相关教材。在实际教学中发现，课堂上讲了很多，学生都能接收，但在实际应用中还是无法融会贯通，影响学生创新能力培养和后续就业。

加强对学生职业能力培养，对课程进行重组，以模块化设置课程，强化案例教学或项目教学，注重以任务引领型案例或项目作业诱发学生兴趣，使学生在案例分析或完成项目过程中掌握工业产品逆向设计的方法[1-3]。以学生为本，注重“教”与“学”的互动。通过选用典型活动项目，由教师提出要求或示范，组织学生进行活动，让学生在活动中增强职业意识，掌握本课程的职业能力[4-6]。

一、课程概况

工业产品逆向设计主要内容包括逆向技术的概念、三维扫描仪的操作、点云数据的处理以及逆向设计软件的应用，要求掌握从零件产品的数据采集、模型重建到最后设计创新的整个过程。通过课程学习，使学生了解逆向设计的概念与方法，逆向造型的设计特点，熟练操作逆向建模软件，使学生具备利用逆向造型软件进行工业产品设计的能力，为后续课程设计的开展和职业能力的发展奠定基础。在课程设置上，前导课程有机械制图、零件三维建模基础、工业产品外观创新设计，后续课程有3D打印技术、逆向设计与3D打印实训。

课程专业目标是了解正向设计与逆向设计的区别，熟悉Geomagic DesignX逆向设计软件，掌握运用软件进行产品逆向设计。培养学生具有严谨认真、实事求是的科学态度;具备较强的动手能力、分析解决问题能力、创新能力以及自我学习和自我发展的能力。通过大量的网络教学资源，包括视频资料、教学录像及课件等，鼓励学生根据自己的能力和实际情况，有针对性地进行自学和超前学习，具备跟踪专业技术发展方向，探求和更新知识的自学能力。要求学生具有较高的安全、质量及国家标准意识以及善于与人相处、与人沟通的团队合作能力。

通过讲授逆向设计概念、方法和运用的知识，让学生了解产品设计的过程、方法，认识逆向设计概念，然后通过软件各模块操作命令的讲解，使学生逐步了解逆向设计的基本概念和技术方法，技术发展趋势，掌握面向工业产品设计实物的数字化、模型重建的设计方法与逆向建模方法，最后通过几个实际案例的练习与巩固，使学生初步掌握一种支持逆向设计的应用软件工具，从而实现能自己进行产品逆向设计，培养逆向设计技术人才。

二、模块化课程设计

2014年举行全国职业院校技能大赛“三维数字化设计与制造”赛项以来，逆向设计的概念逐步进入职业院校的视野，很多学校开设了工业产品逆向设计课程，相关教材较少，主要以自编教材为主。这门课程已由选修课程上升为先进数字化设计与制造模块的专业核心课程之一，但在教学上，还是传统的先讲指令操作，再讲案例。此种做法容易造成学习时枯燥，知识技能碎片化，操作指令无法灵活应用，难以达到教学效果。因此，重点解决理论与实际操作脱节的问题，将指令的讲解融入具体的项目中，提高学生的实战能力[7-8]。

按照工业产品逆向设计课程特点，将教学内容划分为七个模块，模块一为概述，重点介绍逆向设计的概念和应用场合，吸引学习兴趣。模块二介绍扫描仪的操作与数据采集，重在扫描仪的标定操作。模块三讲解点云数据的处理，以扫描仪采集的数据为案例展开，保持学习的连贯性。模块四和模块五介绍逆向软件的操作和设计过程，通过项目形式将知识点和技能点融入其中。模块六突出对产品设计精度的检测能力，符合企业岗位对技能的实际需求。从模块二到模块六形成一个完整的系统，在掌握了逆向设计的操作技能后，模块七是最后的学习成效检验，通过小组的分工配合，完成一个创新的产品。0836A388-65F6-40A4-85E4-D4A2D9BDD3E8

下面对各个模块所涉及的基本任务、扩展任务、目的要求、涵盖知识点和学时等进行说明。

1. 模块一、逆向工程概述（4学时）

基本任务：逆向工程的概述与应用;逆向工程的流程及技术。

目的要求：知道逆向工程的概念;了解逆向工程的应用场合;熟悉逆向工程的工作过程。

2. 模块二、 三维扫描仪操作（6学时）

基本任务：三维扫描仪的标定;三维扫描仪的一体扫操作;三维扫描仪的对半扫操作。

目的要求：了解三维扫描仪的结构和工作原理;熟悉三维扫描仪标定的基本步骤;能够独立完成三维扫描仪标定的过程;能够对工件进行正确的喷粉和贴标志点操作;能够正确采集点云数据;知道一体扫操作和对半扫操作的区别;熟悉三维扫描仪开关机和维护的基本方法。

3. 模块三、点云处理（10学时）

基本任务： Wrap综合实例1;Wrap综合实例2。

扩展任务：一体扫点云处理;对半扫点云处理。

目的要求：分析扫描件的基本结构，确定点云处理的方法;熟悉点云处理的基本步骤;能够手动删除点云周边的杂点;采用非连接项和体外弧点方法删除手动方式不易删除的杂点;能够将两个对半扫的工件合并成一个整体;将合并的整体进一步进行降噪处理，最后封装完成;能够分析封装件中存在的不足和问题，能够删除封装件钉状物，并进行降噪处理;应用套索选择删除有缺陷的位置，并进行填孔处理;应用网格医生分析点云处理的效果;根据曲面的不同曲率，采用自由曲面形状、棱柱形（积极）和棱柱形（保守）等方式进行降噪。

4. 模块四、Geomagic DX基本操作（6学时）

基本任务：模型重构概述;领域;对齐;草图;拉伸与旋转;放样与扫描;编辑特征;面片拟合;曲面编辑。

扩展任务：坐标对齐的操作;曲面放样与裁剪综合应用。

目的要求：知道模型重构含义;了解正逆向常用软件的功能和区别;掌握模型重构的过程;知道基于實体特征和曲面特征的模型重构方法;明白坐标对齐的目的;知道通过布尔运算创建实体的方法。

5. 模块五、Geomagic DX综合应用（14学时）

基本任务： Geomagic DX综合实例1;Geomagic DX综合实例2;Geomagic DX综合实例3;Geomagic DX综合实例4。

扩展任务：历年省赛与国赛试题的训练。

目的要求：能够分析零件图的基本结构，知道零件由哪些部分组成，可以用搭积木的形式予以创建;能够说出零件的绘图步骤;熟悉曲面回转操作生成片体的方法;能够用曲面切割实体;掌握体偏差检查的方法，并进行图形的调整。

6. 模块六、建模精度分析（4学时）

基本任务：测量模块+精度分析模块;Control分析软件应用。

扩展任务：对复杂零件进行精度分析并生成报表。

目的要求：知道测量模块的基本功能;熟悉精度分析模块的操作过程;掌握测量数据的分析方法。熟练操作Control分析软件;掌握Control分析软件的分析过程;能够分析测试数据，评价模型的质量。

7. 模块七、实践模块（10学时）

基本要求：学生分组，4个学生为一组;由小组根据实践课程培养目标和大纲要求自选题目，要求题目难度不能低于前面六个模块的项目;小组讨论并设计出产品方案;小组完成产品的制作与组装;项目汇报，小组自评+组间互评+教师评价，确定综合成绩。

扩展要求：不局限于使用三维扫描仪及其相关正、逆向设计软件，可将3D打印机、数控机床等相结合。

三、模块化课程网络平台建设

目前，随着信息化教育技术的飞速发展，传统的课堂教育模式已经难以满足现代职业教育的需求。在《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020年）》中强调：“信息技术对教育发展具有革命性影响，必须给予高度重视。”尤其在疫情期间要求“停课不停教、停课不停学”，保障学生学业不受疫情影响，建设网络课程教学资源更加凸显其重要性和必要性。

有些教师对信息化教学以及网络平台资源建设认识不足，认为信息化教学只是把课件、教案搬到了网络平台，缺乏信息化教学与信息传播媒介之间关系的认识。学生在网上自主搜索到的教学资源是海量的，但学生初次接触工业产品逆向设计课程，对逆向设计的思路和软件使用不够熟练，造成上网搜索的资料质量不高且缺乏知识技能的系统性。因此，需要教师对教学资源进行整合和优化。许多教师在传统课堂讲授知识的过程中，已经积累较为丰富的教学经验，课堂上以教师为中心，主要通过传统的课件或者教案作为课堂教学资源。教师采用交互式教学，与学生面对面地沟通，通过课堂练习或者提问来掌握学生对知识技能的理解程度[9]。这种反馈有助于教师了解学生的学习情况，及时调整课堂教学进度。因此，有些教师认为信息化教学无法与传统课堂教学比拟，导致对采取信息化教学积极性不高，影响课程网络教学平台的建设质量。在工业产品逆向设计信息化网络平台建设中，需要抓住课程实践性强的特点，不能仅仅将线下的教学素材放在网络平台上，这样只是单纯地堆砌大量教学资源，缺乏对资源的整合和优化，造成学生对教学资源的吸收率不高。

对课程中的知识点和技能点进行梳理，确定课程的重点和难点，包括易错点，拍摄制作微课视频，挂在网络教学平台，便于学生课前预习和课后复习。对于典型案例，根据逆向设计的过程，将软件的操作录制成视频，供学生练习时使用参考。制作练习题库，作为学生课后的作业或者课堂在线测试使用。设计课堂问卷调查，根据学生的反馈情况，及时调整教学策略。将相关的微课视频、课件和教案等资料上传到优慕课教学平台，按照使用情况进行动态调整。

信息化教学需要教师转变教学观念，不能仅局限于信息化资源和手段的应用，要求教师从以“教”为中心转向以学生“学”为中心，教学目的要由知识获取转向能力培养转变[10]。这就要求对课程内容进行重新整合，对教学设计也提出更高要求。0836A388-65F6-40A4-85E4-D4A2D9BDD3E8

教学设计应以学生为中心，着重培养学生的能力。对各类线上资源进行筛选和整合，优化教学资源，为学生的学习提供多样化的选择，让学生真正利用信息化教学资源提升自身的综合素质。期间要充分利用网络教学平台的讨论区，重视学生与学生之间、学生与教师之间的沟通合作，创新课程的教学模式;同时，要设计学习效果的监测点、学习过程的跟踪，使学生能查摆问题，跟上教学节奏，根据学生的学习反馈，教师也可以发现教学设计中存在的问题，进行不断改进更新，促进教学质量提升，有助于学生的学习与进步。

四、模块化课程实施与考核评价

以Geomagic DX综合应用实例进行详细介绍模块化课程实施过程：

（1）课前预习，自学能力培养。通过网络教学平台发布学习任务，学生根据课件和微课视频进行自我学习。

（2）分组讨论，激发学习兴趣。根据网络教学平台收集的学习反馈，针对重点难点问题开展小组讨论，激发学习的内生动力。

（3）产品演示，观察能力培养。能够分析零件图的基本结构，知道零件由哪些部分组成，可以用搭积木的形式予以创建。

（4）逆向设计软件操作，动手能力培养。知道零件的绘图步骤，掌握逆向设计软件的操作过程。

（5）巡回检查，问题点拨。教师根据学生操作过程中遇到的问题，及时给予指导，引导学生积极思考问题，灵活掌握解决问题的方法。

（6）任务升级，提升逆向设计的能力。引入曲面设计，在训练过程中掌握曲面建模的不同方法。

（7）举一反三，知识迁移能力培养。完成一个产品的设计，由学生上台谈设计的体会，总结归纳逆向设计的方法和技巧。

（8）项目延伸，创新能力提升。由逆向设计零件图纸，通过3D打印机打印作品，根据设计方案和最终打印样件综合评价学习效果。

课程考核突出过程与模块评价，结合课堂提问、业务操作、课后作业和模块考核等手段，加强实践性教学环节的考核，并注重平时成绩的评定与管理。强调目标评价和理论与实践一体化评价，引导学生进行学习方式的改变。重视课程结束后综合评价，结合案例分析、角色扮演以及岗位轮训操作等手段，充分发挥学生的主动性和创造力，全面考核学生所拥有的综合职业能力及水平。建议在教学中按任务模块评分，分为三个任务模块，分别是实物三维数据采集、三维建模、产品创新设计，课程结束时进行综合模块考核。

五、模块化教学效果

采用模块化课程设计之后，将知识点和技能点进行重新归纳，并以项目为载体，减少了理论知识的说教，提高了学生学习兴趣。同时，模块之间互为递进，项目设计的技能点不断升级，增强学习的挑战性，激发学生探索创新的能力。将模块化课程资源上传至网络教学平台，学生可以随时随地学习，并可在网络讨论区留言，及时发现问题和解决问题。模块一的内容可以自学完成，课堂分小组上台发言交流，明确课程学习的目的意义。从模块二开始，学生重在实践操作，跟着微课视频边学边做。通过对一个班（50人）学习情况的调查发现，模块二和模块三的学习优秀率在70%以上，到了模块四、模块五和模块六，学习优秀率上升到85%，说明模块化课程设计有利于教学效果提升。到了模块七，学生可以自行组队设计方案，加工产品，达到了企业岗位对工程师的技术技能素质要求。

六、结束语

根据工业产品逆向设计课程传统教学存在的问题和不足，并通过企业岗位技能需求调研，对课程进行重新解构与重构。按照模块化安排课程教学，每个教学模块设置多个项目，将知识点和技能点融入项目。通过项目的执行达到对知识点和技能点的掌握，同时注重过程性考核，加强学生学习效果的监管，倒逼学生提升学习的主动性。课程中增设了实践模块，通过前几个模块的学习，可以完成较为复杂的设计任务，并借助3D打印或者数控机床加工制作产品，培养学生的综合創新能力和实践能力。

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