CDIO工程教育模式下《逆向工程与快速成型技术》课程的教学改革研究.pdf

模具工业 2023年第49卷第9期CDIO工程教育模式下 逆向工程与快速成型技术 课程的教学改革研究曹剑飞，徐绍娟，李萌崛，林红英，廖益均（成都工业学院 材料与环境工程学院，四川 成都 611730）摘要：新工科背景下，培养创新能力强且具备先进制造技术的应用型人才是高校机械类专业开设 逆向工程与快速成型技术 课程的主要目标，归纳分析了 逆向工程与快速成型技术 课程的教学现状与存在的问题，结合CDIO工程教育模式下分别从课程目标、教学内容、教学与实践方法、课程评价方法等方面探讨课程改革的方法与措施，以提高学生自主学习能力与创新意识。关键词：逆向工程；快速成型技术；CDIO工程教育；教学改革；先进制造技术中图分类号：TG76 文献标识码：B 文章编号：1001-2168（2023）09-0079-04 DOI：10.16787/ki.1001-2168.dmi.2023.09.016Research on teaching reform of Reverse engineering and rapid prototyping technology under CDIO engineering education modeCAO Jianfei,XU Shaojuan,LI Mengjue,LIN Hongying,LIAO Yijun(School of Materials and Environmental Engineering,Chengdu Technological University,Chengdu,Sichuan 611730,China)Abstract:Under the background of new engineering,the course of Reverse engineering and rapid prototyping technology in mechanical majors is set up in order to cultivate applied talents with strong innovation ability and advanced manufacturing technology.It summarized and analyzed the teaching status and existing problems of the course,and discussed the teaching reform methods and measures from the aspects of curriculum objectives,teaching content,teaching and practice methods,curriculum evaluation in combination with the CDIO engineering education model to improve students independent learning ability and innovation consciousness.Key words:reverse engineering;rapid prototyping technology;CDIO engineering education;teaching reform;advanced manufacturing technology0引 言逆向工程与快速成型技术是指通过反向工程技术，结合数字化测量技术在计算机控制下由零件CAD模型直接驱动，采用材料精确堆积的方法以实现复杂外观造型的实体模型构建或零件制造的过程1,2。该技术的主要优势在于具有高度可控的加工精度，可以缩短产品的研发周期、促进客户的定制化与产品改型流程化、降低加工制造成本，这些优势使该技术在模具加工、装备制造业、电子产业、航空航天与汽车工业等领域获得了广泛应用，已成为当下先进制造技术的重要部分3.4。为满足国内制造业发展与社会建设的需求，国内众多高校也陆续增设了相关课程。成都工业学院从2019年开始为材料成型与控制工程专业开设 逆向工程与快速成型模具人才培养收稿日期：2023-04-19。作者简介：曹剑飞（1988-），男（汉族），江苏扬州人，讲师，主要研究方向：材料加工成型工艺、高分子3D打印技术。79模具工业 2023年第49卷第9期技术 课程，教学过程中以CDIO（分别代表conceive构思、design 设计、implement 实现、operate 运作）模式和工程教育专业认证标准为指导，在分析总结当下该课程的教学现状的基础上，重新构建了教学内容和模式，在传授学生专业基础知识外，更加注重对学生创新设计能力的培养，围绕如何培养具备工程实践能力的高素质应用型人才开展了一系列教学改革与探索。1课程特点及教学中的问题在教育部提出建设“新工科”的时代背景下，逆向工程与快速成型技术 已经成为机械类专业课程中的一门必修课程5。该课程有别于传统工科的专业课程，在突出机械原理、机械制图等基础知识外尤其强调思维的逻辑性6,7。以三维扫描建模教学章节为例，该章节内容需要学生拥有逆向思维构图的能力，具有较强的抽象性和实践性。课堂直接授课的教学效果不佳，应当更多地以三维扫描设备为教学辅助，给予学生足够实践操作机会。其次本课程具有涉及的知识面广、学科综合性较强，属于交叉学科，涉及材料学、数据采集技术、CAD模型重构、模具设计和数学分析等其它学科方面的知识。目前该课程实际教学中存在以下问题：课程学时偏少但内容多、学习强度较大，教师课堂直接讲授仍然是主要的教学方式，由于教学方法枯燥，学习难度大导致学生主动性不高且学习效率较低；作为应用型课程，该课程中实践性内容不足，理论知识与实践没有相辅相成，缺乏对学生实践能力的培养与创新能力的激发；另外，工程实例在教学内容中的引入较少，实践教学也不系统，无法满足应用型本科教育的人才培养要求；课程考核方式单一，传统的闭卷考试侧重考查学生对概念的掌握情况，但是真正的课程重点应该是模型建立与上机操作，闭卷考试不能真实反映学生工程实践能力；学生培养与企业实际的需求脱钩，教学过程中强调工程实践却没有相应配套的实践环境，缺少实践场所与工程实例，在一定程度上形成“学校热，企业冷”的需求不对称现象。综上所述，针对该课程存在的问题，急需进行教学改革以找出满足创新型和实践型人才培养要求的教学模式。2实践教学与CDIO工程教育模式将课堂理论知识转化为学生解决实际工程问题能力的重要路径之一便是实践教学，所以只有进行导向明确的实践教学改革才能使对应的实践类课程适应不断变化的行业与社会发展需求。CDIO工程教育模式是国际工程教育发展的最新成果，区别于传统教学模式，CDIO以实践案例的方式通过4个环节引导学生学习，能调动学生主观学习热情，实现工程实践与理论课程间的有机联系与互补8,9。CDIO教学理念一方面注重专业知识和动手能力的提高，另一方面也侧重培养学生的综合能力和工程理念。在目前工程教育的背景下，提高人才培养质量的关键路径是加强课程建设与改革。教学改革应该根据CDIO工程教育理念，从知识体系、学习目标与任务、实践技能要求和工程实践教学等维度对课程进行设计与改革。目前，成都工业学院材料成型与控制工程专业具有较强的工程性和应用性特点且已经纳入专业认证范围，对本专业的核心课程，引入CDIO工程教育模式是加快实现高质量人才培养的必经之路。3基于CDIO理念的课程改革探索与实践3.1课程目标的制定CDIO工程教育既强调知识体系也重视学生实践能力的培养10。近年来，成都工业学院材料成型与控制工程专业的毕业生就业单位主要是模具设计、装备制造业单位与机械设计企业，根据毕业生就业状况与企业需求，在学习目标的确立上更加注重让学生在实践项目中学习，以项目驱动教学。通过基础知识教学和工程实践，让学生可以在掌握主要的模型测量原理方法、数据预处理、逆向成型的工艺等理论的同时，能够熟练操作主流的设计工程软件、逆向构建CAD模型、操控FDM熔融型3D打印机，提高了学生实地操作能力，也培养了学生解决实际问题的能力。3.2课程内容改革将 逆向工程与快速成型技术 课程的学时制定为24学时，以实际工程项目为载体，将知识点贯穿于具体项目的实施工程环节中，制定了“手机后盖的逆向设计与快速成型”、“电脑充电器的逆向设计与快速成型”、“风力发电叶片的逆向设计与快速成型”和“汽车方向盘的逆向设计与快速成型”等实践项目，难度依次递增，循序渐进地引导学生完成80模具工业 2023年第49卷第9期学习任务。以“风力发电叶片的逆向设计与快速成型”项目为例（6学时），通过项目实施便可以让学生掌握：多视角点云数据的检测与处理Geomagic Studio工程软件应用和操作、曲面重构思维与处理流程、发电叶片的曲面参数确认与优化、熔融沉积制造（FDM）3D打印的基本原理和发电叶片的FDM打印过程等课程内容。学生通过“汽车方向盘的逆向设计与快速成型”（4学时）项目，又能够了解单视角数据点编辑处理方法、三坐标测量机的测量与使用、三维喷涂粘结（3DP）成型技术与3DP的加工工艺等知识技能。不同项目包含的内容相互关联但各有侧重，相互促进构建一套完整的实践课程体系。3.3课程教学模式与方法传统工程教育强调课堂讲授方式和教学呈现方式，所以课堂上教学多以教师口授为主，适当配合多媒体展示。CDIO工程教育的实质是让学生主动参与课程、学习课程和完成课程。立足于本课程的特点，在教学模式上进行以下4个方面的改革。（1）建立线上和线下协同的混合教学体系。逆向工程与快速成型技术 课程内容多、实践项目丰富但相对课时较少，为了提高课堂效率，采用“项目开放式”和线上线下相结合的教学模式。依靠慕课、云课堂等媒介开展线上讨论、课后答疑以及师生互动。（2）教学上加强对学生创新意识的培养，一方面教学中按照教学大纲要求引入企业项目到实践环节中，使学生了解项目的开发运行规律。另外，为了培养满足企业岗位需求的合格人才，在相关企业的协助下，以企业实际项目为素材，课程的教师团队录制了6节视频课程，针对一线生产研发中遇到的问题引导学生进行思考与分组交流，提高学生的个人反思和团队协作能力。（3）举办3D打印技能大赛，给予学生在课后有自我展示的平台，充分显示个人能力与职业精神，促进学生全面发展。利用技能大赛机制提升学生的职业素质也为毕业生今后顺利走向岗位和继续深造奠定基础。（4）为了增强学习互动性，教学中加入了答辩汇报环节，让学生以小组为单位汇报项目进展、反思与问题，最后由教师进行点评与答疑。鼓励学生走上讲台汇报，提高学生应变和语言表达能力。3.4课程成绩考核与评价如果课程实践主要以项目形式来开展，如何对学生的课程成绩进行合理的考核是一个问题。因此本课程采取了“项目实践性考核”与“考试考核”并用的成绩评价体系。为了兼顾课程的实践性与学生团队协作能力的培养，考核由三部分构成：项目考核与汇报占50%，期末考试成绩占35%，项目小组内的学生自评及互评占 15%。其中项目考核主要考察学生项目的完成度、过程实践能力和PPT答辩3个方面的情况，而学生评价则侧重于评估学习小组内部各成员间的团队协作能力和贡献大小，因此上述综合性的考核方式更有利于激发学生的积极性和主动性。3.5基于CDIO理念的师资队伍建设以实践项目为导向的教学法中，实践项目是由学生与教师共同完成，教师不再只是把现有的知识生硬古板地教给学生。CDIO教育理念认为通过实践过程与评价，师生的能力会取得共同进步，这要求教师首先应该具备相应的工程背景与实践经验11。在师资建设方面，本专业注重在日常教学中培养任课教师的实践能力。首先本课程组的教师会定期到企业进行实践锻炼，以提高工程实践与创新水平。其次，教研室定期组织学校与企业间的培训交流，聘请企业工程师作为学生的兼职导师与课程教学团队成员，打造具有高水平实践指导能力的教师团队。4结束语逆向工程与快速成型技术 课程是材料成型与控制工程以及机械工程专业的必修课程，也是当今世界上发展迅速的先进制造技术，传统的教学方法无法完成教育部“新工科”建设的人才培养要求。针对目前该课程在教学中存在的问题，基于 CDIO工程教育理念，提出了教学改革的新思路，突出了工程实践在课程中主导地位，在教学目标、课程内容、评价体系和师资队伍建设方面进行了教学与课程改革，提高了学生自主学习能力与创新意识，并增强学生的综合实践素质。（下转第86页）81模具工业 2023年第49卷第9期重复使用，成本较高，适合典型钣金件研制过程。反向粘性介质成形需要根据零件材料和特征尺寸控制好反向压力大小及分布，工艺较为复杂，生产成本较低、成形质量较高。4结束语通过铝合金半球形件不同成形方案及结果对比，进一步加深了学生对新技术、新工艺的认识，同时也培养了学生分析与解决问题的能力，激发了学生的创造性思维和创新能力。随着航空、航天事业的发展，薄壁钣金件的应用越来越多，薄壁复杂结构钣金件高质量成形越来越重要。如何在课程中针对复杂结构钣金件成形工艺难点，有效利用钣金成形原理，结合钣金成形新技术、新方法解决问题尤为重要。这要求任课教师不仅要有扎实的专业知识，还要具有广阔的专业视野。参考文献：1 卢文博,熊然,张珊,等.钣金成形技术在航空航天中的应用J.航天制造技术,2022(1):1-4,34.2 涂集林,王永军,魏生民.先进钣金成形技术及装备发展现状J.航空制造技术,2015(16):44-47.3 陈景宝,徐雪峰,邹剑秋.Z形钣金零件弯曲成形过程研究J.模具工业,2022,48(10):33-36.4 张凌云,周帅,孟伟琪,等.基于响应面法橡皮成形侧压块参数优化及验证J.材料科学与工艺,2018,26(1):39-46.5 郭建军,王永铭,焉嵩,等.复杂曲面薄壁零件充液成形分析及模具设计J.模具工业,2016,42(10):20-22,31.6 高铁军,任成林,刘凌云,等.薄壁回转体零件粘性介质外压成形及失稳起皱过程研究J.航空制造技术,2022,65(10):82-88.7 中国机械工程学会塑性工程学会.锻压手册:冲压(第2卷)M.北京:机械工业出版社,2008.8 高铁军,李少华,汪凯旋,等.铝合金半球形件反向粘性介质压力成形及有限元分析J.塑性工程学报,2022,29(4):8-13.9 高铁军,陈鹏,王耀,等.铝合金半球形件覆不锈钢粘性介质拉深成形及数值模拟J.锻压技术,2014,39(9):17-20.10 GAO T J,ZHANG J B,WANG K X.Viscous backpressure forming and feasibility study of hemispherical aluminum alloy partsJ.The International Journal of Advanced Manufacturing Technology,2022,119(7-8):5069-5078.参考文献：1 丁大为,杜秉明,林怡德.RP技术在各种产业中的应用研究J.模具工业,2012,38(2):7-8.2 尚广庆,孙春华,杨莉莉,等.基于逆向工程的注塑模具快速设计J.机械设计与制造,2011(10):2-6.3 朱振国,左武,汪涌,等.新工科背景下 逆向工程与快速成型技术应用 课程多元化混合教学模式研究J.模具工业,2021,47(11):86-89.4 闫磊,冯兰芳,惠延波,等.基于逆向工程的支架零件优化设计及快速成型J.制造业自动化,2019,41(6):4-7.5 诸进才,胡艳娥,罗武.基于逆向工程与快速成型技术的产品改良设计J.机电工程技术,2018,47(9):3-9.6 孙春华.“逆向工程与快速成型技术应用”开放课程建设之初探J.苏州市职业大学学报,2018,29(2):76-78.7 石光,陈晨.项目教学法在 快速成型技术 教学中的应用J.装备制造技术,2010(10):202-203.8 杨赫然,孙兴伟,董祉序,等.CDIO模式在面向工程教育专业认证的 机械制造装备设计 课程教学中的研究与设计J.教育现代化,2019,6(45):71-72,85.9 谢霞,马超,黄秋爽.基于CDIO理念的教学模式改革研究:以“机械制造工程原理与技术”为例J.高等教育研究学报,2022,45(2):108-111.10 杨毅刚,宋庆,唐浩.工程教育专业认证与CDIO模式异同分析与相互借鉴J.高等工程教育研究,2018(5):45-51.11 覃秀凤,程艳,刘升旭,等.基于CDIO理念的线上线下混合式教学改革与实践以逆向创新设计与快速成型技术课程为例J.广西职业技术学院学报,2020,13(1):4-9.（上接第81页）86