基于OBE理念的工业设计工程训练教学设计与实践

孙 薇,张立昌

(西安工程大学服装与艺术设计学院, 陕西 西安 710600)

工程实践能力与创新能力培养是高等院校本科教学必不可少的环节,是推进我国高等工程教育改革和发展的重要途径。在工程教育背景下,工程实践成为培养大学生工程意识和创新能力的重要环节,是大学生将理论知识及专业知识进行具象化的重要平台,具有复杂问题具体化、形象化、简单化、兴趣化的独特优势[1-2]。

成果导向教育(outcome-based education,OBE)是一种基于学习成果或者结果为导向的教育理念,以成果导向理念指导工业设计类工程训练教学,对推进人才培养质量工程、促进高等院校工程训练教学改革、构建设计艺术与制造技术相结合的教学模式、凸显工程实践创新的时代优势,具有积极的推动作用。

1 基于OBE理念的工业设计工程训练教学设计的意义

工业设计是跨学科的专业,其将创新、技术、工程及研究紧密联系在一起,共同进行创造性活动。近年来该专业呈现出强劲的发展态势,同时也存在着诸多问题,主要表现在学生理论设计与实践、创新制作联系不紧密,同时实践环节不能将设计思维具象化,并且缺乏相应的创新实践平台。因此,针对现状,在工程教育背景下,依托工程训练优质的数字化设计与制造实践平台,开展创意设计+数字化制造实践。通过一组丰富的立体文创产品,使学生了解产品的整个逆向设计及制造流程,同时富有艺术内涵和情感呼应的立体文创产品能更好地激发学生在理论与实践环节感受机械理性与艺术感性的完美结合、感受美学元素,并且在不断的实践中也能使学生了解产品在生产中的相关技艺,增强了实训环节趣味性与专业性[3-4]。

2 基于OBE理念的工业设计工程训练教学设计与实践

2.1 教学项目设计方法

本文采用项目教学法,以典型文创产品为载体,通过理论与实践相结合,将三维扫描、逆向工程、CAD/CAM软件设计、数字化制造等知识融入实践教学中。教学过程中在OBE理念的指导下进行教学设计,优化教学内容,完善考评体系;将产品设计理论知识、专业理论知识与工程能力、创新意识、文化自信贯穿于整个教学过程;培养学生实践能力、创新能力、团队协作及劳动精神。课程目标如图1所示。

图1 课程目标图

2.2 教学项目准备

为确保教学项目的成功组织,将教学环节分为项目引入、教学演示、任务实施、任务评价4个阶段,使学生在进行创意设计与数字化制造的各个环节实现“学、做、评、思”一体化。根据项目内容,统筹安排设备及实践资源,包括三维扫描实训室、CADCAM实训室、数控加工实训室。通过设计环节使学生掌握三维扫描仪操作及Geo-magic Studio三维逆向软件,并且掌握创意图形产品曲面修补、设计的基本方法,同时结合制造环节将理论设计与工程实践教学相互融合[5-6]。

2.3 教学项目引入

在充分分析课程教学目标的基础上,为便于有效组织教学项目,发挥工程训练实践教学环节优势,首先引入工业设计发展案例,体会工业产品设计的发展历程;然后通过机械工程的发展史,追溯机械的来源与演变,借鉴历史、温故知新,探索科技的发展规律,将思政元素逐步渗入到专业知识学习中,激发学生的内在学习动力,最后通过观看北京冬奥会宣传片,引入本次文创产品“冰墩墩”,让学生坚定“四个自信”,使学生既有家国情怀,又有环球视野,同时构建德育并举、文化育人载体,实现课程思政与专业教学深度融合,主要内容如图2所示。

图2 项目引入思政元素图

通过课程设计,向学生介绍工业产品数字化设计与数字化制造项目所涉及的相关专业知识、难点与重点,包括产品数字化设计原理、数字化制造关键工艺,实现知识传授和能力培养的紧密融合。确定以三维扫描成像原理、逆向设计技术、数字化制造技术为主的能力教学。

2.4 教学项目实施

项目的关键在于项目实施过程,该过程应凸显学科之间的融合交叉,通过将创意工业设计与数字化制造环节结合起来,培养学生的工程思维、设计能力、实践能力、创新意识,帮助学生获取工程经验,如图3所示。

图3 工业设计类工程训练教学设计图

2.4.1课堂教学组织

在教学组织上,项目实施前,由学生查阅资料并对三维扫描、逆向设计、数字化制造这3个方向提出问题;项目实施中,由教师引导学生在课堂上学习三维扫描方法、逆向设计原理、数字化设计难点与重点,并提出设计要求,学生通过查阅资料、小组协作、师生互动等方式全过程参与产品的数字化设计,同时明确本次课程任务,学生明确项目任务后,积极参与演示并针对课前的3个问题进行激烈讨论,激发学生学习的主动性、创新性,从而达到良好的教学效果[7-8]。课堂教学组织见表1。

表1 课堂教学组织表

2.4.2实践环节组织

在实践环节中,由实训指导教师引导学生进行产品工艺分析,讲解加工难点与重点,并提出零件质量要求,同时实训教师在教学中对整个过程进行全程演示,学生按照任务实施时的分组进行实践操作,每组成员应针对所设计的产品进行模拟验证,确保实践加工中的正确性与安全性,发现错误及安全隐患时应及时修改,避免因设计模型、数字化程序问题导致废品及在实际加工中存在安全隐患;整个设计与制造过程始终以学生为中心,小组之间相互交流,教师进行问题修正,保证设计与制造达到理论与实践相结合。同时,通过工程实践教学一体化,让学生具备独立设计及独立操作数控加工设备的能力。

2.4.3项目实施步骤

以项目1为例,要求学生使用三维扫描软件扫描“冰墩墩”实物逆向生成三维片体造型,如图4所示,由于三维扫描时会出现断面、缺面及圆角过渡不均匀等情况,因此使用逆向软件对片体文件进行修补并转换为实体造型,如图5所示,再通过CAD/CAM软件自主设计生产加工工艺,编写零件数控加工程序,如图6所示,通过UG软件进行仿真加工,如图7所示,最后利用数控机床完成“冰墩墩”立体模型作品的加工。

图4 “冰墩墩”扫描片体

图5 “冰墩墩”造型

图6 “冰墩墩”刀路轨迹

图7 “冰墩墩”加工仿真

3 基于OBE理念的工业设计工程训练教学设计与实践成果

创意设计+数字化制造是对学生进行产品设计、编制程序以及工程实践、创新思维的综合考查,并且在每个环节都要填写任务评价表,见表2。任务评价表可以直观地反映学生项目进度以及存在问题,使整个课程形成全闭环,学生通过实践操作加工出创意作品,实训成绩以任务评价表作为评定标准。

表2 任务评价表

通过工程教育背景下工业设计专业实践课程教学设计与实践,每个项目小组可以完成一整套立体文创作品,首件立体文创作品的数字化设计与数字化制作工程尤为重要,既可以为后续项目的三维扫描、逆向设计提供数据参考,又可以为数字化制造提供实践操作经验[9-10]。图8所示为学生加工完成的“冰墩墩”作品图,图9所示为“大力神杯”作品图,图10所示为逆向设计“碗”三维模型。

图8 “冰墩墩”作品图

图10 “碗”作品图

经过教学实践,取得了良好的教学效果。向课程所涉及的工业设计大三所有班级学生发放课程问卷调查表,共设置5个问题。该项反馈结果充分表明,在基于OBE理念的教学过程中融入课程思政,学生在课程中对其工程实践能力、创新能力、团队合作能力及工匠精神、劳动精神的培养认可度较高。反馈结果如图11所示。

图11 教学效果反馈结果

4 总结与反思

本文以工程教育为背景,基于OBE理念,采用项目化教学方法,以培养工业设计类学生工程能力为重点,在教学设计中将实践教学与课程思政相结合,以贯彻党的教育方针、落实立德树人为根本任务,经过课程建设、教学项目开发、教学设计优化、工程能力实践、创新能力培养等一系列举措,使学生全方位体验设计+制造,让学生充分认识到设计与工程结合的重要性,提高工业设计类专业学生的学习兴趣和主动性;具象化学生专业知识,增强学生实践动手能力,实现了课程的知识传授和思政育人功能。同时工程训练数字化设计+数字化制造课程在第二届“陕西省本科高校工程训练教师教学能力竞赛微课竞赛”项目中获得陕西省教育厅二等奖。通过课程的实施及结果反馈,对于工程实践教学改革具有实际参考依据[11-12]。

虽然基于OBE理念的工业设计工程训练教学设计与实践取得了一定成效,但今后在课程建设中,还需加大力度探索新模式、新工艺、新技术,优化教学设计、完善考核机制与考核形式,充分落实两会精神及立德树人根本任务,将劳动教育与专业实践结合起来,培养学生精益求精的工匠精神和爱岗敬业的劳动态度,推进高等教育创新。