范恒亮 魏天路 王超

（蚌埠學(xué)院機(jī)械與車輛工程學(xué)院 安徽蚌埠 233030）

為更好地應(yīng)對(duì)新產(chǎn)業(yè)變革和科技革命，國(guó)家出臺(tái)了一系列面向新經(jīng)濟(jì)的“中國(guó)制造2025”“一帶一路”等戰(zhàn)略方針。隨著以新技術(shù)、新產(chǎn)業(yè)為引導(dǎo)的新經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，高校培養(yǎng)的人才很難跟上高速發(fā)展的節(jié)奏，這就為我國(guó)高校培養(yǎng)面向新工科的交叉型人才提出了新的挑戰(zhàn)和研究課題[1]。2017年，我國(guó)提出高等教育新工科計(jì)劃和實(shí)施建議，以及隨后形成新工科的“三部曲”，要求應(yīng)用型本科院校人才培養(yǎng)要以產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整為引導(dǎo)，不斷對(duì)人才培養(yǎng)模式進(jìn)行優(yōu)化[2]。在新工科建設(shè)的引領(lǐng)下，需要高校更新人才培養(yǎng)理念，加大課程思政融入的力度，重視學(xué)生工程實(shí)踐和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[3]。

“逆向工程技術(shù)”作為一門機(jī)械類專業(yè)的必修課程，是對(duì)現(xiàn)有產(chǎn)品或零件的技術(shù)要求、功能特性和組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，通過CAD/CAM軟件、3D掃描設(shè)備和快速成型工藝對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行反向再現(xiàn)的過程。該技術(shù)廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)和快速成型領(lǐng)域，具有縮短研發(fā)周期、減少企業(yè)成本和加快產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)的作用[4]。該課程涉及到數(shù)學(xué)模型建立、逆向建模、創(chuàng)新設(shè)計(jì)和3D打印技術(shù)，涵蓋基礎(chǔ)數(shù)學(xué)、材料科學(xué)、機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械制造等學(xué)科。針對(duì)目前逆向工程技術(shù)課程教學(xué)過程中存在的突出問題，根據(jù)學(xué)校依托地方產(chǎn)業(yè)、將工程教學(xué)理念貫穿教學(xué)、培養(yǎng)應(yīng)用型人才的辦學(xué)定位，積極探索逆向工程技術(shù)課程教學(xué)改革模式，逐步提升學(xué)生培養(yǎng)質(zhì)量。

一、教學(xué)現(xiàn)狀分析

（一）課程體系不足以支撐人才培養(yǎng)目標(biāo)。機(jī)械制造專業(yè)主要為社會(huì)培養(yǎng)具有較強(qiáng)的工程實(shí)踐能力的高素質(zhì)應(yīng)用型專門人才。逆向工程技術(shù)作為一門交叉學(xué)科的課程，對(duì)于學(xué)生的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)、加工工藝規(guī)劃和動(dòng)手能力的培養(yǎng)，具有較好地支撐作用[5]。但在課程設(shè)置上，僅僅有傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)與原理、工程材料及熱處理、機(jī)械制造技術(shù)、工業(yè)造型設(shè)計(jì)等課程，缺乏創(chuàng)新方法、3D掃描技術(shù)、3D檢測(cè)技術(shù)相關(guān)的課程，無法形成以數(shù)字化貫穿測(cè)量、設(shè)計(jì)與成型的整體意識(shí)。

（二）教學(xué)方法單調(diào)陳舊。目前，課程的教學(xué)方式往往以傳統(tǒng)的灌輸式和簡(jiǎn)單的借助PPT的方式進(jìn)行，學(xué)生對(duì)較為抽象的產(chǎn)品造型難以理解，進(jìn)而學(xué)生感覺枯燥，學(xué)習(xí)效果較差。同時(shí)，缺乏師生的互動(dòng)和學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)。隨著信息時(shí)代的到來，多媒體教育網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)日益增多，信息化的教學(xué)手段使課程教學(xué)更加自主和豐富。通過借助大學(xué)生MOOC、精品課程、學(xué)習(xí)通等資源和平臺(tái)，采用混合式的線上+線下的教學(xué)方式，可達(dá)到增加課堂活性和提高教學(xué)質(zhì)量的效果[6]。

（三）學(xué)生的工程實(shí)踐與創(chuàng)新能力不足。現(xiàn)有的課程體系中重理論輕實(shí)踐，僅在理論課后設(shè)置2-3個(gè)演示實(shí)驗(yàn)，缺乏創(chuàng)新訓(xùn)練的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，很難滿足新工科對(duì)于學(xué)生具有創(chuàng)新思維和解決復(fù)雜工程問題能力的要求。

（四）學(xué)生評(píng)價(jià)方式單一。逆向工程技術(shù)課程仍以傳統(tǒng)的考核方式為主，如期末理論考試和學(xué)生的出勤情況相結(jié)合。期末理論考試的知識(shí)點(diǎn)以教材的固定知識(shí)點(diǎn)為主，學(xué)生為應(yīng)付考試，只是掌握相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，而忽略其他知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)。缺乏對(duì)課程教學(xué)過程性考核，減少了學(xué)生課上、課下課程的參與度，不利于學(xué)生能力的提升。

二、課程改革實(shí)施途徑

（一）課程融入思政教育。2016年12月，習(xí)近平總書記明確指出，要把思想政治工作貫穿教育教學(xué)全過程。這就要求課程教師在完成專業(yè)知識(shí)講授的同時(shí)，還必須樹立以德育人的理念，將以德樹人的教育理念融入到專業(yè)課教學(xué)過程中。逆向工程技術(shù)作為高校機(jī)械類專業(yè)的一門專業(yè)課，在保持學(xué)科特征的基礎(chǔ)上，將以德樹人作為核心目標(biāo)，將思政元素融入課程教學(xué)中，如表1所示，從而指引逆向工程技術(shù)的教學(xué)改革落到實(shí)處。

表1 思政元素融入《逆向工程技術(shù)》教學(xué)內(nèi)容表

在課程導(dǎo)學(xué)階段，向?qū)W生介紹逆向工程技術(shù)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀以及在制造業(yè)所起的重要作用。如逆向工程技術(shù)在國(guó)內(nèi)重要的加工制造領(lǐng)域取得的成就、3D打印技術(shù)在龍門人像修復(fù)的應(yīng)用、國(guó)外在超音速飛機(jī)上的應(yīng)用，以此引導(dǎo)學(xué)生在看到差距的同時(shí)樹立自信[7]。同時(shí)，分析該課程的重難點(diǎn)及學(xué)習(xí)方法，使學(xué)生養(yǎng)成直面挫折的勇氣。在理論講授階段，注重各章節(jié)之間的聯(lián)系和在課程中所起的作用，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)課程體系的整體把握。對(duì)于難以理解的知識(shí)點(diǎn)，借助模型或信息化手段展現(xiàn)和講解。采用討論式教學(xué)，分析逆向工程技術(shù)發(fā)展的優(yōu)勢(shì)和瓶頸，讓學(xué)生學(xué)會(huì)尊重事實(shí)和明確發(fā)展目標(biāo)的教學(xué)目的。在實(shí)踐環(huán)節(jié)階段，使學(xué)生學(xué)會(huì)操作三坐標(biāo)測(cè)量、掃描儀、FDM成型機(jī)等設(shè)備，使學(xué)生逐步樹立愛崗敬業(yè)、工匠精神和立足崗位的職業(yè)素養(yǎng)。

（二）優(yōu)化課程體系。在新工科背景下，面向新經(jīng)濟(jì)的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)與制造的理念和方法已發(fā)生改變，隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、工藝和加工技術(shù)的發(fā)展，對(duì)優(yōu)化課程體系提出了高要求[8]。如，在《機(jī)械制圖》中可能只重視構(gòu)型和手繪的講授，而缺乏對(duì)三維軟件的教學(xué)，在《機(jī)械三維建模技術(shù)》中只重視產(chǎn)品的造型設(shè)計(jì)，而忽視對(duì)設(shè)計(jì)產(chǎn)品加工方法和工藝的規(guī)劃。針對(duì)逆向工程技術(shù)課程教學(xué)現(xiàn)狀和特點(diǎn)，結(jié)合新工科背景下對(duì)學(xué)生素養(yǎng)和能力要求，提出應(yīng)用型本科逆向工程課程體系優(yōu)化方案，即三層次、三模塊、四目標(biāo)，如圖1所示。

圖1 逆向工程課程體系優(yōu)化方案

逆向工程技術(shù)涉及到產(chǎn)品的三維掃描、正/逆向建模、產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)、產(chǎn)品成型制造和精密測(cè)量技術(shù)等環(huán)節(jié)?；谀嫦蚬こ陶n程體系優(yōu)化方案，以新工科對(duì)培養(yǎng)應(yīng)用型技能人才為引導(dǎo)，對(duì)于課程體系中涵蓋的課程分為三模塊，每個(gè)模塊在課程教學(xué)中通過基礎(chǔ)訓(xùn)練、綜合訓(xùn)練和創(chuàng)新訓(xùn)練，進(jìn)而達(dá)到人才培養(yǎng)的四目標(biāo)。以所學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)和機(jī)械原理為理論指導(dǎo)，以計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)相關(guān)軟件（Pro/E、SolidWorks、UG等）為平臺(tái)完成產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。利用實(shí)驗(yàn)室四目三維掃描儀、三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、GeoMagic軟件完成產(chǎn)品的逆向建模。根據(jù)設(shè)計(jì)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和性能要求，選擇合適的增材制造工藝，如FDM、SLM、SLS等完成產(chǎn)品的快速原型制造。

（三）引入混合式教學(xué)模式?；旌鲜浇虒W(xué)模式是將信息化技術(shù)手段與傳統(tǒng)課堂教學(xué)方式有機(jī)結(jié)合的新模式，該模式在保證教師主導(dǎo)地位的同時(shí)，圍繞以學(xué)生為中心的教學(xué)理念，完成教學(xué)全過程[9]。傳統(tǒng)的逆向工程技術(shù)授課方式，往往以PPT講解穿插少許動(dòng)畫為主，學(xué)生只是被動(dòng)接受書本知識(shí)，缺乏自主學(xué)習(xí)和師生互動(dòng)交流的機(jī)會(huì)。這種教學(xué)模式，很難調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，學(xué)生的積極性和創(chuàng)造性更是無法發(fā)揮，教學(xué)效果也很難達(dá)到預(yù)期的效果，教學(xué)質(zhì)量也無法保證。為緩解因教學(xué)模式陳舊帶來的教學(xué)質(zhì)量較差的狀況，改變目前的教學(xué)現(xiàn)狀，提升課程教學(xué)水平，引入線上+線下混合式教學(xué)模式，實(shí)施過程如圖2所示,課程教學(xué)分為課前準(zhǔn)備與學(xué)生預(yù)習(xí)（線上）、課堂教學(xué)與實(shí)踐環(huán)節(jié)教學(xué)（線下）和課后拓展三部分，主要側(cè)重于多手段的融合、交互和反饋，旨在提高教學(xué)效率和學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性。

圖2 實(shí)施過程圖

1.課前準(zhǔn)備。通過超星學(xué)習(xí)通平臺(tái)，鞏固上節(jié)重難點(diǎn)知識(shí)點(diǎn)，推送本節(jié)學(xué)習(xí)綱要、任務(wù)點(diǎn)和相關(guān)學(xué)習(xí)資源，如中國(guó)MOOC資源、PPT、課程相關(guān)視頻。布置課前作業(yè)，根據(jù)學(xué)生完成情況，了解學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的掌握情況，調(diào)整教學(xué)策略，對(duì)于薄弱環(huán)節(jié)列為課堂教學(xué)環(huán)節(jié)的重點(diǎn)。

2.課堂實(shí)施。通過教室客戶端登陸學(xué)習(xí)通，利用手勢(shì)簽到檢查學(xué)生出勤情況，對(duì)課前作業(yè)進(jìn)行點(diǎn)評(píng)。針對(duì)本節(jié)的難點(diǎn)開展組織教學(xué)，如常見的三維造型軟件如何與3D打印機(jī)聯(lián)機(jī)是難點(diǎn)，借助學(xué)生購(gòu)物會(huì)在第三方平臺(tái)完成啟發(fā)學(xué)生轉(zhuǎn)變思維。實(shí)操時(shí)，會(huì)將三維造型軟件轉(zhuǎn)化為stl中間格式，這樣就解決無法聯(lián)機(jī)的問題。針對(duì)知識(shí)點(diǎn)的重點(diǎn)內(nèi)容，在學(xué)習(xí)通平臺(tái)進(jìn)行課堂提問，要求學(xué)生限時(shí)完成。及時(shí)對(duì)學(xué)生掌握情況現(xiàn)場(chǎng)反饋，增加了學(xué)生參與度，有利于提高學(xué)生對(duì)課程興趣感，便于學(xué)生接受新知識(shí)和表達(dá)新想法。

3.課后作業(yè)和拓展。課后主要采用線下的方式完成，主要包括課后作業(yè)和課后拓展兩個(gè)環(huán)節(jié)。為了使學(xué)生掌握科學(xué)研究成果檢索方式，以逆向工程技術(shù)有關(guān)的論文和專利為主題，要求學(xué)生課后利用檢索工具完成檢索并在學(xué)習(xí)通討論模塊交流學(xué)習(xí)。這樣學(xué)生在學(xué)會(huì)使用檢索工具的同時(shí)，也拓寬了學(xué)生的視野。

（四）豐富實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)。在新工科專業(yè)建設(shè)過程中，需要將相關(guān)課程的實(shí)踐環(huán)節(jié)聯(lián)系起來，打造培養(yǎng)新工科人才的實(shí)踐教學(xué)體系[10]。針對(duì)現(xiàn)有的課程體系中注重課本知識(shí)而忽視知識(shí)外延和拓展的狀況，并結(jié)合新工科對(duì)學(xué)生培養(yǎng)目標(biāo)的要求，構(gòu)建實(shí)踐教學(xué)體系，如圖3所示。該體系以學(xué)生能力培養(yǎng)為引導(dǎo)，分別從課內(nèi)實(shí)驗(yàn)課程、課內(nèi)課程設(shè)計(jì)，集中實(shí)踐課程和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)課程開展教學(xué)。

圖3 面向新工科的逆向工程技術(shù)實(shí)踐教學(xué)體系

1.課內(nèi)實(shí)驗(yàn)課程。該課程設(shè)置4課時(shí)課內(nèi)實(shí)驗(yàn)，即三維四目掃描、產(chǎn)品設(shè)計(jì)與成型加工。掃描儀以齒輪減速器箱體為掃描對(duì)象，利用Imageware軟件完成對(duì)掃描軌跡優(yōu)化和點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理。產(chǎn)品設(shè)計(jì)與成型加工要求學(xué)生利用所會(huì)的軟件完成三維模型繪制，將處理完成的stl文件傳輸?shù)紽DM 3D打印設(shè)備進(jìn)行增材制造，打印結(jié)束后進(jìn)行去支撐和打磨處理，完成產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和加工，學(xué)生作品如圖4所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)課程學(xué)生作品

2.課內(nèi)課程設(shè)計(jì)。以汽輪機(jī)葉輪的復(fù)制為例，介紹課程設(shè)計(jì)的實(shí)施過程，具體包括葉輪表面數(shù)據(jù)掃描、數(shù)據(jù)處理、葉輪模型重構(gòu)、輕量化設(shè)計(jì)和增材制造等過程。

（1）葉輪表面掃描。首先對(duì)實(shí)驗(yàn)對(duì)象葉輪進(jìn)行標(biāo)定，利用實(shí)驗(yàn)室四維三目掃描系統(tǒng)對(duì)葉輪進(jìn)行非接觸式掃描，掃描過程如圖5（a）所示，將掃描后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)傳輸后臺(tái)軟件處理。

（2）數(shù)據(jù)處理。輪掃描過程中，會(huì)出現(xiàn)雜點(diǎn)、噪點(diǎn)和其他干擾點(diǎn)，因此葉輪每個(gè)方向掃描完成要利用軟件對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理，包括去噪點(diǎn)、拼接等環(huán)節(jié)。完整點(diǎn)云數(shù)據(jù)要封裝為stl文件，得到葉輪三維模型的原始文件，為下一步模型重構(gòu)做好準(zhǔn)備。

（3）葉輪模型重構(gòu)和增材制造。葉輪的stl文件需要借助Geomagic Design X軟件完成模型優(yōu)化，通過對(duì)葉輪的主體、回轉(zhuǎn)體進(jìn)行合并、縫合，利用面片對(duì)葉輪的輪廓面擬合，最終得到葉輪優(yōu)化后的三維模型，如圖5（b）所示。利用實(shí)驗(yàn)室SLS金屬成型裝備完成葉輪成型實(shí)物加工，從而驗(yàn)證產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案的可行性和葉輪的各項(xiàng)性能，實(shí)物圖如5（c）所示。

圖5 汽輪機(jī)葉輪的復(fù)制過程

3.集中實(shí)踐訓(xùn)練。該課程的集中實(shí)踐采用分散式方式開展，不設(shè)置考核指標(biāo)，主要用以引導(dǎo)學(xué)生在各項(xiàng)實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)著重知識(shí)的積累。如，在認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)，通過參觀相關(guān)產(chǎn)業(yè)的工程實(shí)踐，讓學(xué)生熟悉目前該技術(shù)在企業(yè)的應(yīng)用狀況。在生產(chǎn)實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)，結(jié)合企業(yè)所生產(chǎn)的產(chǎn)品，運(yùn)用逆向工程技術(shù)，提高勝任工作崗位的能力。

4.創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練。結(jié)合逆向工程課程中的逆向建模、輕量化設(shè)計(jì)和快速成型模塊，依托相關(guān)學(xué)科競(jìng)賽，如大學(xué)生先進(jìn)成圖技術(shù)與產(chǎn)品信息建模創(chuàng)新大賽、安徽省工業(yè)設(shè)計(jì)、全國(guó)3D大賽和“互聯(lián)網(wǎng)+”創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽，采用任務(wù)驅(qū)動(dòng)、項(xiàng)目式教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力。

（五）改革課程考核方式。為建立科學(xué)合理的考核評(píng)價(jià)體系，逐步改變單一的終結(jié)性評(píng)價(jià)，建立和完善多元、多主體、多形式的課程考核評(píng)價(jià)機(jī)制，客觀公正評(píng)價(jià)教學(xué)質(zhì)量，持續(xù)推動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)能力與學(xué)業(yè)成果的提升[11]。通過過程性考核進(jìn)行全過程的實(shí)時(shí)監(jiān)控，形成對(duì)教師即時(shí)性的影響效應(yīng)，促進(jìn)教師改進(jìn)課堂教學(xué)方法，制定逆向工程技術(shù)形成性考核體系，如圖6所示。形成性考核（評(píng)價(jià)）體系分為閉卷考試和過程性成果考核兩個(gè)方面，課堂測(cè)試和期中測(cè)試主要在學(xué)習(xí)通平臺(tái)完成，期末考試由學(xué)校期末統(tǒng)一組織。任課教師應(yīng)結(jié)合逆向工程技術(shù)課程的實(shí)際需要來確定課程具體的形成性考核（評(píng)價(jià)）實(shí)施方案，在教案中精心設(shè)計(jì)具體環(huán)節(jié)，及時(shí)分析、反饋、總結(jié)，切實(shí)結(jié)合學(xué)生情況實(shí)施課程考核。

圖6 形成性考核體系

三、結(jié)語

通過以新工科人才培養(yǎng)理念為引導(dǎo)，有力推動(dòng)了逆向工程技術(shù)課程教學(xué)改革。在改革過程中，緊緊圍繞課程思政教育、課程體系優(yōu)化、教學(xué)方法更新、豐富實(shí)踐教學(xué)和完善學(xué)生考核方式等環(huán)節(jié)，目的是構(gòu)建以培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐和創(chuàng)新能力的課程教學(xué)新模式，提升了教學(xué)效果和學(xué)生培養(yǎng)質(zhì)量。