基于模塊化教學的課程體系構建

陳貴清

摘? 要：針對工業產品逆向設計課程特點與職業崗位技能要求提出課程改革思路。對課程原有的知識點和技能點進行重新梳理，按照模塊化開展教學，突出項目引領和過程性考核。通過項目的實施達到對知識點和技能點的掌控，提升學生自學能力和創新能力，實踐表明，模塊化教學改革取得顯著實效。

關鍵詞：工業產品逆向設計;模塊化;教學改革

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A? ? ? ? ? ?文章編號：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

工業產品逆向設計在新產品開發方面起到重要作用，企業急需熟練掌握逆向設計技術的高技能人才，在很多職業院校中已開設專門課程，并出版相關教材。在實際教學中發現，課堂上講了很多，學生都能接收，但在實際應用中還是無法融會貫通，影響學生創新能力培養和后續就業。

加強對學生職業能力培養，對課程進行重組，以模塊化設置課程，強化案例教學或項目教學，注重以任務引領型案例或項目作業誘發學生興趣，使學生在案例分析或完成項目過程中掌握工業產品逆向設計的方法[1-3]。以學生為本，注重“教”與“學”的互動。通過選用典型活動項目，由教師提出要求或示范，組織學生進行活動，讓學生在活動中增強職業意識，掌握本課程的職業能力[4-6]。

一、課程概況

工業產品逆向設計主要內容包括逆向技術的概念、三維掃描儀的操作、點云數據的處理以及逆向設計軟件的應用，要求掌握從零件產品的數據采集、模型重建到最后設計創新的整個過程。通過課程學習，使學生了解逆向設計的概念與方法，逆向造型的設計特點，熟練操作逆向建模軟件，使學生具備利用逆向造型軟件進行工業產品設計的能力，為后續課程設計的開展和職業能力的發展奠定基礎。在課程設置上，前導課程有機械制圖、零件三維建模基礎、工業產品外觀創新設計，后續課程有3D打印技術、逆向設計與3D打印實訓。

課程專業目標是了解正向設計與逆向設計的區別，熟悉Geomagic DesignX逆向設計軟件，掌握運用軟件進行產品逆向設計。培養學生具有嚴謹認真、實事求是的科學態度;具備較強的動手能力、分析解決問題能力、創新能力以及自我學習和自我發展的能力。通過大量的網絡教學資源，包括視頻資料、教學錄像及課件等，鼓勵學生根據自己的能力和實際情況，有針對性地進行自學和超前學習，具備跟蹤專業技術發展方向，探求和更新知識的自學能力。要求學生具有較高的安全、質量及國家標準意識以及善于與人相處、與人溝通的團隊合作能力。

通過講授逆向設計概念、方法和運用的知識，讓學生了解產品設計的過程、方法，認識逆向設計概念，然后通過軟件各模塊操作命令的講解，使學生逐步了解逆向設計的基本概念和技術方法，技術發展趨勢，掌握面向工業產品設計實物的數字化、模型重建的設計方法與逆向建模方法，最后通過幾個實際案例的練習與鞏固，使學生初步掌握一種支持逆向設計的應用軟件工具，從而實現能自己進行產品逆向設計，培養逆向設計技術人才。

二、模塊化課程設計

2014年舉行全國職業院校技能大賽“三維數字化設計與制造”賽項以來，逆向設計的概念逐步進入職業院校的視野，很多學校開設了工業產品逆向設計課程，相關教材較少，主要以自編教材為主。這門課程已由選修課程上升為先進數字化設計與制造模塊的專業核心課程之一，但在教學上，還是傳統的先講指令操作，再講案例。此種做法容易造成學習時枯燥，知識技能碎片化，操作指令無法靈活應用，難以達到教學效果。因此，重點解決理論與實際操作脫節的問題，將指令的講解融入具體的項目中，提高學生的實戰能力[7-8]。

按照工業產品逆向設計課程特點，將教學內容劃分為七個模塊，模塊一為概述，重點介紹逆向設計的概念和應用場合，吸引學習興趣。模塊二介紹掃描儀的操作與數據采集，重在掃描儀的標定操作。模塊三講解點云數據的處理，以掃描儀采集的數據為案例展開，保持學習的連貫性。模塊四和模塊五介紹逆向軟件的操作和設計過程，通過項目形式將知識點和技能點融入其中。模塊六突出對產品設計精度的檢測能力，符合企業崗位對技能的實際需求。從模塊二到模塊六形成一個完整的系統，在掌握了逆向設計的操作技能后，模塊七是最后的學習成效檢驗，通過小組的分工配合，完成一個創新的產品。0836A388-65F6-40A4-85E4-D4A2D9BDD3E8

下面對各個模塊所涉及的基本任務、擴展任務、目的要求、涵蓋知識點和學時等進行說明。

1. 模塊一、逆向工程概述（4學時）

基本任務：逆向工程的概述與應用;逆向工程的流程及技術。

目的要求：知道逆向工程的概念;了解逆向工程的應用場合;熟悉逆向工程的工作過程。

2. 模塊二、 三維掃描儀操作（6學時）

基本任務：三維掃描儀的標定;三維掃描儀的一體掃操作;三維掃描儀的對半掃操作。

目的要求：了解三維掃描儀的結構和工作原理;熟悉三維掃描儀標定的基本步驟;能夠獨立完成三維掃描儀標定的過程;能夠對工件進行正確的噴粉和貼標志點操作;能夠正確采集點云數據;知道一體掃操作和對半掃操作的區別;熟悉三維掃描儀開關機和維護的基本方法。

3. 模塊三、點云處理（10學時）

基本任務： Wrap綜合實例1;Wrap綜合實例2。

擴展任務：一體掃點云處理;對半掃點云處理。

目的要求：分析掃描件的基本結構，確定點云處理的方法;熟悉點云處理的基本步驟;能夠手動刪除點云周邊的雜點;采用非連接項和體外弧點方法刪除手動方式不易刪除的雜點;能夠將兩個對半掃的工件合并成一個整體;將合并的整體進一步進行降噪處理，最后封裝完成;能夠分析封裝件中存在的不足和問題，能夠刪除封裝件釘狀物，并進行降噪處理;應用套索選擇刪除有缺陷的位置，并進行填孔處理;應用網格醫生分析點云處理的效果;根據曲面的不同曲率，采用自由曲面形狀、棱柱形（積極）和棱柱形（保守）等方式進行降噪。

4. 模塊四、Geomagic DX基本操作（6學時）

基本任務：模型重構概述;領域;對齊;草圖;拉伸與旋轉;放樣與掃描;編輯特征;面片擬合;曲面編輯。

擴展任務：坐標對齊的操作;曲面放樣與裁剪綜合應用。

目的要求：知道模型重構含義;了解正逆向常用軟件的功能和區別;掌握模型重構的過程;知道基于實體特征和曲面特征的模型重構方法;明白坐標對齊的目的;知道通過布爾運算創建實體的方法。

5. 模塊五、Geomagic DX綜合應用（14學時）

基本任務： Geomagic DX綜合實例1;Geomagic DX綜合實例2;Geomagic DX綜合實例3;Geomagic DX綜合實例4。

擴展任務：歷年省賽與國賽試題的訓練。

目的要求：能夠分析零件圖的基本結構，知道零件由哪些部分組成，可以用搭積木的形式予以創建;能夠說出零件的繪圖步驟;熟悉曲面回轉操作生成片體的方法;能夠用曲面切割實體;掌握體偏差檢查的方法，并進行圖形的調整。

6. 模塊六、建模精度分析（4學時）

基本任務：測量模塊+精度分析模塊;Control分析軟件應用。

擴展任務：對復雜零件進行精度分析并生成報表。

目的要求：知道測量模塊的基本功能;熟悉精度分析模塊的操作過程;掌握測量數據的分析方法。熟練操作Control分析軟件;掌握Control分析軟件的分析過程;能夠分析測試數據，評價模型的質量。

7. 模塊七、實踐模塊（10學時）

基本要求：學生分組，4個學生為一組;由小組根據實踐課程培養目標和大綱要求自選題目，要求題目難度不能低于前面六個模塊的項目;小組討論并設計出產品方案;小組完成產品的制作與組裝;項目匯報，小組自評+組間互評+教師評價，確定綜合成績。

擴展要求：不局限于使用三維掃描儀及其相關正、逆向設計軟件，可將3D打印機、數控機床等相結合。

三、模塊化課程網絡平臺建設

目前，隨著信息化教育技術的飛速發展，傳統的課堂教育模式已經難以滿足現代職業教育的需求。在《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010-2020年）》中強調：“信息技術對教育發展具有革命性影響，必須給予高度重視。”尤其在疫情期間要求“停課不停教、停課不停學”，保障學生學業不受疫情影響，建設網絡課程教學資源更加凸顯其重要性和必要性。

有些教師對信息化教學以及網絡平臺資源建設認識不足，認為信息化教學只是把課件、教案搬到了網絡平臺，缺乏信息化教學與信息傳播媒介之間關系的認識。學生在網上自主搜索到的教學資源是海量的，但學生初次接觸工業產品逆向設計課程，對逆向設計的思路和軟件使用不夠熟練，造成上網搜索的資料質量不高且缺乏知識技能的系統性。因此，需要教師對教學資源進行整合和優化。許多教師在傳統課堂講授知識的過程中，已經積累較為豐富的教學經驗，課堂上以教師為中心，主要通過傳統的課件或者教案作為課堂教學資源。教師采用交互式教學，與學生面對面地溝通，通過課堂練習或者提問來掌握學生對知識技能的理解程度[9]。這種反饋有助于教師了解學生的學習情況，及時調整課堂教學進度。因此，有些教師認為信息化教學無法與傳統課堂教學比擬，導致對采取信息化教學積極性不高，影響課程網絡教學平臺的建設質量。在工業產品逆向設計信息化網絡平臺建設中，需要抓住課程實踐性強的特點，不能僅僅將線下的教學素材放在網絡平臺上，這樣只是單純地堆砌大量教學資源，缺乏對資源的整合和優化，造成學生對教學資源的吸收率不高。

對課程中的知識點和技能點進行梳理，確定課程的重點和難點，包括易錯點，拍攝制作微課視頻，掛在網絡教學平臺，便于學生課前預習和課后復習。對于典型案例，根據逆向設計的過程，將軟件的操作錄制成視頻，供學生練習時使用參考。制作練習題庫，作為學生課后的作業或者課堂在線測試使用。設計課堂問卷調查，根據學生的反饋情況，及時調整教學策略。將相關的微課視頻、課件和教案等資料上傳到優慕課教學平臺，按照使用情況進行動態調整。

信息化教學需要教師轉變教學觀念，不能僅局限于信息化資源和手段的應用，要求教師從以“教”為中心轉向以學生“學”為中心，教學目的要由知識獲取轉向能力培養轉變[10]。這就要求對課程內容進行重新整合，對教學設計也提出更高要求。0836A388-65F6-40A4-85E4-D4A2D9BDD3E8

教學設計應以學生為中心，著重培養學生的能力。對各類線上資源進行篩選和整合，優化教學資源，為學生的學習提供多樣化的選擇，讓學生真正利用信息化教學資源提升自身的綜合素質。期間要充分利用網絡教學平臺的討論區，重視學生與學生之間、學生與教師之間的溝通合作，創新課程的教學模式;同時，要設計學習效果的監測點、學習過程的跟蹤，使學生能查擺問題，跟上教學節奏，根據學生的學習反饋，教師也可以發現教學設計中存在的問題，進行不斷改進更新，促進教學質量提升，有助于學生的學習與進步。

四、模塊化課程實施與考核評價

以Geomagic DX綜合應用實例進行詳細介紹模塊化課程實施過程：

（1）課前預習，自學能力培養。通過網絡教學平臺發布學習任務，學生根據課件和微課視頻進行自我學習。

（2）分組討論，激發學習興趣。根據網絡教學平臺收集的學習反饋，針對重點難點問題開展小組討論，激發學習的內生動力。

（3）產品演示，觀察能力培養。能夠分析零件圖的基本結構，知道零件由哪些部分組成，可以用搭積木的形式予以創建。

（4）逆向設計軟件操作，動手能力培養。知道零件的繪圖步驟，掌握逆向設計軟件的操作過程。

（5）巡回檢查，問題點撥。教師根據學生操作過程中遇到的問題，及時給予指導，引導學生積極思考問題，靈活掌握解決問題的方法。

（6）任務升級，提升逆向設計的能力。引入曲面設計，在訓練過程中掌握曲面建模的不同方法。

（7）舉一反三，知識遷移能力培養。完成一個產品的設計，由學生上臺談設計的體會，總結歸納逆向設計的方法和技巧。

（8）項目延伸，創新能力提升。由逆向設計零件圖紙，通過3D打印機打印作品，根據設計方案和最終打印樣件綜合評價學習效果。

課程考核突出過程與模塊評價，結合課堂提問、業務操作、課后作業和模塊考核等手段，加強實踐性教學環節的考核，并注重平時成績的評定與管理。強調目標評價和理論與實踐一體化評價，引導學生進行學習方式的改變。重視課程結束后綜合評價，結合案例分析、角色扮演以及崗位輪訓操作等手段，充分發揮學生的主動性和創造力，全面考核學生所擁有的綜合職業能力及水平。建議在教學中按任務模塊評分，分為三個任務模塊，分別是實物三維數據采集、三維建模、產品創新設計，課程結束時進行綜合模塊考核。

五、模塊化教學效果

采用模塊化課程設計之后，將知識點和技能點進行重新歸納，并以項目為載體，減少了理論知識的說教，提高了學生學習興趣。同時，模塊之間互為遞進，項目設計的技能點不斷升級，增強學習的挑戰性，激發學生探索創新的能力。將模塊化課程資源上傳至網絡教學平臺，學生可以隨時隨地學習，并可在網絡討論區留言，及時發現問題和解決問題。模塊一的內容可以自學完成，課堂分小組上臺發言交流，明確課程學習的目的意義。從模塊二開始，學生重在實踐操作，跟著微課視頻邊學邊做。通過對一個班（50人）學習情況的調查發現，模塊二和模塊三的學習優秀率在70%以上，到了模塊四、模塊五和模塊六，學習優秀率上升到85%，說明模塊化課程設計有利于教學效果提升。到了模塊七，學生可以自行組隊設計方案，加工產品，達到了企業崗位對工程師的技術技能素質要求。

六、結束語

根據工業產品逆向設計課程傳統教學存在的問題和不足，并通過企業崗位技能需求調研，對課程進行重新解構與重構。按照模塊化安排課程教學，每個教學模塊設置多個項目，將知識點和技能點融入項目。通過項目的執行達到對知識點和技能點的掌握，同時注重過程性考核，加強學生學習效果的監管，倒逼學生提升學習的主動性。課程中增設了實踐模塊，通過前幾個模塊的學習，可以完成較為復雜的設計任務，并借助3D打印或者數控機床加工制作產品，培養學生的綜合創新能力和實踐能力。

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