面向实践能力培养的逆向工程技术教学探索
2023-06-20张小雪
张小雪
面向实践能力培养的逆向工程技术教学探索
张小雪
(山东华宇工学院 机械工程学院,山东 德州 253034)
逆向工程技术是车辆工程、材料以及机制专业一门实践性较强的专业课程,为了提高学生的工程实践能力,根据课程特点,通过分析目前教学中存在的问题,探索了“以学为中心,以培养学生工程实践能力为主线”的课程教学改革;文章主要围绕课程内容、教学方法、课程建设以及考核评价等四个方面进行探索,打破了原有知识结构,将课程以项目贯穿始终。通过教学改革,提高了学生的学习兴趣和对课程的参与度,对学生的工程实践应用能力的培养起到了关键的作用,对缩短学校所学与社会所需之间的差距具有一定的推动作用。
实践能力;教学改革;逆向工程技术;教学探索
逆向工程技术又称反求工程、反向工程等,我国作为最大的发展中国家,消化、吸收发达国家先进技术,并在此基础上进行改进是重要的产品设计手段,逆向工程技术为产品的改进设计提供了更加快捷的工具,缩短了开发周期,据统计逆向工程技术可使产品的研制周期缩短40%以上[1],极大地提高了生产效率,现已广泛应用于航空航天、生物医学、机械制造、工艺等方面,已成为产品创新设计的强有力的支撑。逆向工程技术作为高校本科机械设计制造及其自动化和材料成型及控制工程的一门课程,是对现有零件或者产品进行分析,通过测量设备、CAD/CAM软件以及快速成型制造技术对其再创造的过程。课程包括实物或产品的数据采集、数据处理及反求建模、模型制造几个阶段,是一门跨越多学科、多领域的课程。这就要求学生不仅要有建模相关的理论知识,还要具备较强的动手能力,能够熟练操作设备对产品进行数据采集、数据处理并进行再创造的能力。基于应用型本科院校人才培养要求培养高素质应用型人才总目标,重视学生工程实践能力和创新能力的培养[2],从教学现有问题出发,积极探索课程改革内容,提高学生的工程实践能力。
1 教学现状分析
1.1 教学内容缺乏连贯性
逆向工程技术是一门理论性和实践性都较强的课程,教学内容缺乏完整性和系统性。逆向工程作为一种新兴技术,一方面在原理层面上还在不断地有大量研究成果出现,另一方面已成熟的一些技术已进入企业实用阶段。课程包括数据测量、反求建模和快速成型三大部分,目前学校将其分成了三门课程,导致教学内容分散,无法形成以数字化贯穿测量、设计与成型的整体意识。基于应用型本科院校要求培养高素质的应用型本科人才的前提下,有必要对内容进行整合,突出学生的工程实践能力。
1.2 教学重理论轻实践,不足以支撑人才培养方案
逆向工程技术作为一门交叉学科的课程,从整个产品开发看,一个完整的流程应该包括逆向测量→逆向建模→快速成型。逆向工程技术有近三分之二的工作是应用软件和设备的操作,目前课程教学更偏向于注重培养学生的理论知识,这就使得很多学生的理论知识牢固,但实际操作应用能力不强,在学生就业过程中还要接受一定的岗前培训才能适应现有的工作,然而很多企业在培养人才的时候并不愿意再花更多的时间来对学生进行岗前培训,这就使得学生的就业能力下降。一些学生也会因为缺乏实践能力而放弃自己所学的专业。
1.3 教学方法单一
逆向工程技术课程是一门实践性非常强的课程。要求学生具有熟练操作设备进行数据采集的能力、熟练运用软件进行反求建模的能力以及熟练运用快速成型技术制造的能力,传统教学主要以教师讲授为主,花费多学时让学生学习理论知识,但是在实际操作中,往往无法将所学理论知识应用上,导致理论知识的脱节和学生应用能力的缺乏。
2 面向工程实践能力培养的教学探索
2.1 教学改革思路
基于目前学现状的分析,在教学中转变思维,变“以教为中心”为“以学为中心”,更多地关注学生在学习完课程后,具备怎样的知识和能力?他们学习过程中应该完成哪些学习任务,我如何通过这些学习任务的完成情况来评价学生的学习效果?
确定了以学为中心,以培养实践应用能力为主线的建设思路,整合教学内容、优化教学方法、丰富教学资源,改进评价方式,达到从多维度联合提高学生的工程实践能力,缩小学校所教与企业所需之间的差距,增强学生的就业竞争力,如图1所示。
图1 教学改革思路
2.2 以培养实践应用能力为主线的教学内容
结合我校专业特色,对逆向工程技术课程的教学内容开展教学研究,构建以实用性内容为主的,培养学生工程应用能力的课程内容体系。基于此以产品数据采集→造型→产品制造为导向,打破原有章节,对教学内容进行了划分与融合,实现了内容从模块化到项目化[3-4]的转变过程。将教学内容细化为轴承座测量及建模、汽车指示灯罩反求建模2大项目贯穿全部内容,2个小组学习项目,如表1所示,使学生能够通过团队协作完成项目内容。
表1 教学内容
项目教学内容要求备注 鼠首反求造型(观看视频)逆向工程技术概述以视频案例引出,了解逆向工程技术 逆向工程关键技术(数据采集技术、数字化反求建模和快速成制造技术) 轴承座测量及建模三坐标数据采集系统观察轴承座结构特征,完成数据采集及建模对比两种模型的结构特点,针对不同的物体选用合适的数据采集设备,学习快速成型制造相关知识,完成产品的逆向成型 三坐标测量机的认知 平面立体测量 曲面立体测量 汽车指示灯罩反求建模激光扫描仪观察汽车指示灯罩结构特征,进行数据采集及建模 关节臂式测量机 建模(快速曲面造型和传统曲面造型 计算机辅助检测 汽车后视镜逆向设计逆向工程技术的综合应用小组自选任务 公交车乘客拉手逆向设计
根据课程教学进程的需要设计的实践项目,具有规模小、成本低、学时短的特点,通过项目的分析与实施串联知识点,加深和强化同学对课程内容的理解与应用,培养学生的测量设备的动手操作能力、反求建模能力、绘图能力及3D打印操作能力,使学生在学习完课程后,能够针对某一实物,通过分析选择合适的测量设备对其进行数据采集,并能够对数据进行处理建立模型,选用合适的3D打印设备进行打印成型。实现了源于实物,归于实物的闭环学习。
逆向工程技术主要服务于创新设计以及还原设计。这就需要学生具有勇于探索的创新精神、善于解决问题的能力及精益求精的大国工匠精神,思政建设目标为坚持知识传授与思政教育密切融合的原则,以新时代工匠精神为切入点,把爱国情怀、严谨认真的工作态度与学习紧密结合,实现全程育人、全方位育人,引导学生树立正确的世界观、人生观、价值观,思政元素如表2所示。
表2 课程思政融入
课程内容融入案例培养目标 逆向工程的关键技术电影《十二生肖》片段爱国情怀、责任感 三坐标测量系统因图纸审核不清楚造成的钻孔定位偏差严谨性、责任意识 手持式激光扫描仪3D扫描仪助力整形外科手术高效开展创新是引领发展的第一动力 快速成型制造江西宝航新材料有限公司,已经成功研制了超高强度铝合金HS5601科技是第一生产力 3D打印技术3D打印技术之父查克·赫尔的故事踏实敬业,开拓创新的工匠精神
2.3 教学方法多样化
课程注重“以工程实践能力培养为主线,以学为中心”,由传统的课堂讲授优化为以线下教学为主,线上教学为辅的教学新方式[5]。以学为中心的教学方式,更好地促进了“以学生为中心”和学生能力的培养。
线上,学生通过提前预习课程内容,参与线上测试,做好笔记;线下,利用三坐标测量实验室、两个快速成型实验室,五个机房,以学生的工程实践能力培养为主,实现两个一体化:教学内容一体化,即理论知识和实践知识融合在一起,实现做中学,学中做;教学场所一体化,即软件操作、硬件操作和知识讲解同在一个场所。
在教学过程中以项目化教学为主,融合了任务化教学、小组讨论、实验教学法、翻转课堂等多种教学方法,突出重点,突破难点,让学生“知其然,并知其所以然”。
例如在学习汽车指示灯罩的制造过程中,采用项目化教学和小组式教学,班级共32人,5人一组,合作完成从数据的采集,反求建模和模型的成型制造(见图2)。学生首先在线上学习手持式激光扫描仪的原理并搜集相关应用资料,参加线上测试,线下上课时,要求学生汇报所学资料,教师根据各组汇报内容进行总结讲解,并进行演示操作,学生按照分好的小组进行测量,完成数据的采集及处理,同时考虑到数据采集和成型制造的过程较慢,课上时间不足以完成整个的制造过程,要求学生利用课下时间完成模型的3D成型过程,与项目一轴承座进行对比,总结激光扫描测量与三坐标测量机的优缺点,加深印象的同时培养学生的数据采集能力、数据处理能力、建模的能力和成型制造的能力。同时也会将小组的自选任务进行下发,要求学生充分利用时间完成学习任务。
图2 小组式学习
为了进一步提高学生对课程的参与度,基于此优化教学资源建设方式,课程资源采用“师生共建”的方式,如图3所示。例如由于软件版本的不同,遴选学生优秀演示案例加入课程资源建设,或者通过布置作业的方式,学生梳理每一项目或任务的知识点(为了提高学生的实践能力,会提醒学生用思维导图的方式进行梳理知识点),遴选优秀案例加入每一节的学习导论,这样的方式既能够激发学生对学习的积极性,又能提高学生的动手实践能力,也提高了学生对于课程的参与度,进一步激发学生对课程的兴趣。
图3 遴选学生优秀案例
2.4 过程性考核为主的评价
课程优化后,通过对教学内容的研究与探索,整合了教学内容,加大了实践环节占比,基于此加强教学过程性考核,其中平时成绩占50%,期末考试成绩占50%。具体课程成绩评定标准如表3所示。根据逆向测量→逆向建模→快速成型的教学思路,通过对学生数据处理的结果、建模的质量以及作品的完成度等全方位的教学过程性评价,消除学生等、靠的懒惰思想,提高学生学习主动性。
表3 课程成绩评定标准
项目分数占比评分 一级指标二级指标 过程性考核(50%)线上资源学习10%根据超星平台学习数据进行评分 线上测试5%根据学生回答是否正确,提交是否及时评阅得分 课中讨论及总结10%主要根据学生是否参与讨论以及课堂小结得分 小组作业15%根据小组间的互评和小组汇报综合量化得分 实验10%根据学生动手操作情况以及实验结果是否正确情况综合量化得分 期末测试(50%)专业知识测试50%由评分标准评阅试卷给出得分
3 改革成效
结合人才培养方案,以项目引领,结合多种教学方式,将传统的理论课堂搬到了学、练、做于一体的实验室,将课程所有知识点及技能穿插在各个项目中,化知识的“无形”为实物的“有形”,教学中突出学生的实践应用能力培养,提高了学生对课程的学习兴趣,大大提高了学生的学习积极性和课程的参与度,对于提高学生的工程实践能力起到了关键作用。其中,在小组任务中除了自选任务之外学生完成了公交车拉手、农用车灯、汽车后视镜等的逆向工程设计,另外完成了实验室汽车轮毂的数据采集、建模及快速成型,并参与了课程的任务的拓展及课程模型的制作中,通过对比,2018级本科机制1班的逆向工程技术考核成绩相较于2017级本科机制1班的学生成绩良好率由原来的6.25%,提高到了23.73%。
4 结论
以现有教学问题出发,确定了“以学为中心,以培养实践应用能力为主线”的建设思路,对教学内容进行了重组,以项目为核心,穿插理论与实践,实现了源于实物,归于实物的闭环学习。深挖思政元素,使思政教育与专业教育同步同行,在此基础上优化了教学方法和教学评价方式,使其更加贴合应用型人才培养目标。同时为进一步激发学生对课程的参与度,确定了师生共建的方式,使学生真正成为课程的主人,进一步提高学生对课程的参与度,激发学生的自主性和对课程的学习兴趣,提高学生的工程实践能力。
[1] 成思源,杨雪荣.逆向工程技术[M].北京:机械工业出版社,2022.
[2] 张圆圆,王跃飞,庄远,等.面向工程能力培养的“电工电子实训”课程改革[J].装备制造技术,2022(6):193- 195.
[3] 张其亮,王爱春,陈永生.能力递进式项目教学法在嵌入式系统课程中的实践[J].实验室研究与探索,2014, 31(8):185-189.
[4] 贡雪梅.项目教学法在单片机原理课程设计中的应用[J].实验技术与管理,2011,28(2):164-167.
[5] 张军科.线上线下混合式教学模式的探索与实践:以“精细化学品检验技术”课程为例[J].安徽化工, 2022,48(4):200-203.
Exploration of Reverse Engineering Technology Teaching Oriented to Practical Ability Training
ZHANG Xiaoxue
( School of Mechanical Engineering, Shandong Huayu University of Technology, Dezhou 253034, China )
Reverse engineering technology is a professional course with strong practicality for the majors of vehicle engineering, materials, mechanical design and manufacturing and automation. In order to improve the students' engineering practice ability, according to the characteristics of the course, by analyzing the problems existing in the current teaching, this paper explores the curriculum teaching reform of "learning centered, and cultivating students' engineering practice ability as the main line".The article mainly focuses on the four aspects of curriculum content, teaching methods, curriculum construction and evaluation, breaking the original knowledge structure, and running the curriculum through projects. Through the teaching reform,students'interest in learning and participation in the curriculum have been improved, which has played a key role in the cultivation of students' engineering practical application ability, and has a certain role in promoting the gap between what the school has learned and what the society needs.
Practical ability; Teaching reform; Reverse engineering technology;Teading exploration
G420
A
1671-7988(2023)11-202-05
张小雪(1993-),女,硕士,讲师,研究方向为机械设计,E-mail:1120898096@qq.com。
山东华宇工学院教育教学改革研究项目“面向工程实践能力培养的《逆向工程技术》课程教学改革研究”(2021JG12)。
10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.011.038