高质量发展背景下高职逆向设计实训课程改革与实践

摘"要：逆向工程是一种先进的制造技术，逆向设计是高质量制造强国建设中不可或缺的技术之一。在高质量发展背景下，以高职三维检测与逆向设计实训课程为例，针对实训时间紧迫导致的实训作品质量不高、实训素材单一、学生兴趣较低等教学现状，通过优化教学内容、搭建数字资源等进行改革，课程取得良好效果，提高了人才培养质量，助力制造类专业群课程进一步发展。关键词：三维检测与逆向设计；逆向工程；实训课程；高职0"引言党的二十大报告明确指出实现高质量发展是“中国式现代化的本质要求”之一[1]。而推动高质量发展就要把实体经济特别是制造业做实做强做优。在以信息产业为主导的经济发展新时代，制造业也在全面推进转型升级，即实现制造业的高质量发展。逆向工程是一种先进的智能制造技术，是中国制造高质量发展的一个重要体现。采用逆向工程的方法进行原型快速重建，在此基础上进行设计创新、样件加工、模具设计等快速开发制造的方法，已经成为工程技术人员快速获取设计模型的重要手段[2]。本文以高质量发展下高技术技能人才的需求为背景，以学生能力培养为本位，依据机械设计与制造专业国家教学标准和合作企业产品数据重构的岗位标准，有机融入全国职业院校技能大赛“工业产品数字化设计与制造”赛项的要求，对接增材制造模型设计1+X职业技能等级标准，对三维检测与逆向设计实训课程进行教学改革与实践，以期提高智能制造人才的培养质量，助力国家高质量发展。1"课程教学现状分析三维检测与逆向设计实训是湖北科技职业学院开设的逆向工程技术实训课程，对标产品设计岗。课程自开设至今，取得了较好的效果。但制造业不断转型升级和高质量发展，对课程和人才培养提出了更高的要求。通过近几年高职学生在三维检测与逆向设计实训课程中的表现和学习效果，总结归纳该课程存在的问题，其主要表现为以下四个方面。1.1"实训时间紧迫，实训作品质量不高该课程的正常教学安排应在三维检测与逆向设计课程授课结束之后，实训时间安排两周较为合适，但是由于学分和课时量的调整，课程的实训时间只有一周。同时由于不同专业的教学安排，三维检测与逆向设计和三维检测与逆向设计实训课程安排不连贯，学生的理论知识不能及时通过实训得到练习巩固，导致在短短的一周内，教师为了完成教学任务，将实训课程的任务简单化，学生只满足于及格，实训作品没有质量的提升。1.2"综合能力要求高，学生综合知识应用薄弱该课程要求学生在一周时间内完成零部件的扫描操作、点云处理、逆向设计建模、正向设计创新到3D打印的全过程。学生需要掌握的技能包括扫描仪的使用，GeomagicWrap、GeomagicDX、GeomagicControl、UG等软件和3D打印机的使用。实训涵盖的内容广泛且多样，需要学生在充分掌握好前置课程的基础上综合运用各科目技能，做好各部分的有效衔接，进而完成作品，达到课程的实训目标。学生现有知识和能力无法满足实训的要求。1.3"实训素材单一，学生兴趣不高本课程是三维检测与逆向设计课程的后续实训课程，主要以大赛案例为主，相对来说难度较大，学生选择性不多。加上该实训课程增加了正向创新和3D打印过程，所以从实训时间要求和心理上来说，学生会产生畏难情绪，学习兴趣和积极性受到严重影响，不利于课程的开展。1.4"评价内容不够全面该课程之前的考核主要集中于学生对各部分操作技能点的掌握情况，考核内容多元化不足。在实训课程的考核中，学生的团队合作、职业素养、工程创新等内容都需要贯穿其中，对其进行客观、全面评价，充分发现他们的闪光点，提高学习积极性。2"高质量发展背景下的课程改革与实践本研究对标高质量发展背景下制造行业的升级改造，围绕智能制造技能人才培养目标，在充分调研学情基础上，从修订课程目标、优化课程内容和考核评价等途径，解决该课程目前面临的教学问题，让学生成为课堂的主人和任务的主要实施者，不断引导和激励他们的设计兴趣和能动性，提高课堂教学的有效性。2.1"根据职业教育高质量发展内涵的要求修订课程培养目标新时代职业教育高质量发展的内涵[3]包括四个方面：1）技能人才的继承与创新，即现代产业体系不仅需要各层次传统的高质量技术技能人才，也需要创新型技术技能人才引领产业变革与产业结构调整；2）学科交叉与融合、经济与生态协调共享的新途径，即高质量发展背景下的职业教育培养的是经济发展与绿色生态和谐共处的综合性人才；3）应对变化，迎接未来的新理念，即职业教育系统要不断改革创新与动态调整，始终呈现可持续发展样态；4）培养未来多元化和创新型卓越工程人才的新要求，即职业教育要通过培养复合型、创新型技术技能人才来服务国家经济社会发展需求，最终实现高质量发展的目标。按照职业教育高质量发展要求，未来的技术人才培养强调的核心素养包括创新能力、工匠精神、家国情怀、多学科交叉融合能力、沟通与合作能力、数字素养等。为了顺应职业教育高质量发展趋势，在教学中更好地对接产业，进一步提高学生的技术技能，课程组调研多家企业和职业院校，将三维检测与逆向设计实训课程目标修订如下。2.1.1"知识目标在掌握逆向工程基本原理和工作流程的基础上，增加多学科知识交叉融合运用。比如，加强并熟练运用多种软件操作、3D打印技术等多学科知识，在课程的实施中让学生将多学科知识融会贯通，提高其数字素养。2.1.2"能力目标在具备扫描仪使用、数据采集、逆向建模能力基础上，增加对正向建模和创新能力培养的内容，提升全流程的系统性工程的设计与制造、分析与解决问题、交流沟通和不断学习、持续改进等能力。2.1.3"素质目标在具备产品创新设计意识和团队合作精神的基础上，提高学生的设计审美意识和绿色意识，大力培育和弘扬家国情怀、工匠精神、创新精神、良好职业素养和社会责任感。2.2"根据学生实情与实训内容优化教学内容三维检测与逆向设计实训课程是综合项目的实战巩固练习课程，目的是培养学生全流程的系统性工程的设计与制造的能力。实训内容要更真实地接近企业任务和赛项要求，使学生能身临其境地开展操作训练，提高实战能力，为将来的就业打好基础。该课程的教学任务主要有：1）选一个现有的模型，使用扫描仪进行扫描，保存点云；2）将点云数据导入Wrap软件，对数据进行处理，删除杂点等，将最终数据从点变成三角面片，并保存为.stl格式；3）将三角面片导入DX软件进行逆向模型设计，保存为.stp格式；4）将逆向模型导入UG软件进行创新设计（功能、绿色环保、外观、实用性等）；5）3D打印；6）写实训报告，并进行汇报展示。可以看出，实训内容包括数据扫描、数据处理、逆向建模、正向创新、3D打印、汇报展示六个模块。各模块之间紧密连接，环环相扣，对精度要求较高，特别在数据扫描和数据处理阶段，软件没有撤回步骤，需要学生用技巧或者按照规定步骤进行保存和操作，否则会重复一个步骤停滞不前。因而该实训内容量比较大，需要对教学内容进行优化和调整。2.2.1"调研学情为了更好地掌握学生学习情况，提高课程教学针对性和实用性，本研究在开展三维检测与逆向设计实训课程教学之前，通过问卷调查和座谈互动的方式对在校模具设计与制造专业大二学生进行调研，主要了解学生在学习三维检测与逆向设计、计算机辅助设计和3D打印课程后，对知识的掌握程度以及各部分内容的擅长程度，便于后续教师分组开展实训课程。调研结果显示，78%的学生表示对前置课程各部分软件使用和操作流程出现遗忘的情况，其中81%的学生表示在实训过程中只要老师点拨后，无太大问题；85%的学生可以完成中等难度的模型逆向设计，说明复杂模型曲面的逆向设计对学生来说难度比较大，花的时间也比较长，在一周内完成确实有难度；几乎所有学生都明晰实训的全部流程，各部分保存的文件类型，各软件之间的衔接等；50%的学生表示自己擅长扫描仪使用，80%的学生认为自己点云处理模块操作学习扎实，78%的学生擅长逆向设计，79%的学生觉得自己正向设计做得好，85%的学生表示3D打印没有问题。通过调研，教师完成了对学情的摸底和了解。2.2.2"分层次优化教学内容通过调研学情发现了学生在不同层次的课程上的优势。若按照原来的教学计划，给班级所有学生安排一致的任务，肯定会对部分学生造成压力，最终导致教学质量下降。教师研究后决定灵活变通课程任务（如表1所示），比如，考虑到扫描的模型比较复杂，逆向建模不容易操作，教师可以让学生在逆向设计时选择一个新模型进行逆向，然后再做后面的设计创新；或者将逆向的模型创新设计后，让学生改变其原来的功能特征，成为新产品等。通过设置不同维度的教学任务，对学生进行分层教学，保证了学生的学习热情和作业质量。2.3"采用“课内有效分组，课外社团帮扶”的教学方法分工合作，既体现团队精神又体现个人才干[4]。课内对学生进行有效分组，使组内成员各自都有擅长的领域，不仅改变了学生在实训中零沟通的局面，也培养了学生的职业素养，增强了团队协作能力。教师根据实训前的调研情况，将学生有效分组：保证每个小组内都有擅长各项技能的学生，并由组内学生推选小组组长。组内成员密切配合，从扫描仪的标定到扫描数据采集，要求步步精确；之后的数据处理、逆向设计、创新设计和3D打印环节，小组内学生根据各自技能优势取长补短，互帮互助，以一带三，以二带二，以三带一，将问题化整为零，共同进步，效率大大提升。学生社团是高校“第二课堂”与素质教育育人实践的重要载体，是培养学生集体主义价值观、创新精神、创造力和进一步完善其知识体系的重要途径[5]。数字化设计社团和3D打印社团是机械专业与模具专业开设的学生社团，旨在培养学生数字化设计与制造的兴趣、进一步巩固与提升所学技能，并拓展知识边界。课外社团不定期组织各种活动，让学生相互分享学习经验，营造了积极活跃的学习氛围，并通过教师的指导和反馈，培养学生的自律性和责任感，提升持续学习能力，实现实践技能的螺旋上升。通过课外社团的帮扶，学生的综合能力得以提升，实现了交叉学科知识的融会贯通，助力该实训课程的开展。2.4"搭建数字化教学资源，助力学生技能提升学校依托智能工厂、3D创新协同中心搭建校内实训平台，紧密联系校企合作单位，为学生搭建校外实习实训基地，构造校企深度合作共建的校内校外双场地教学环境。同时自建校内精品在线开放课程，通过学习通平台建立课前导学—课中督学—课后促学的线上线下混合式全过程教学模式，建成了以数字课程、新形态教材、电子习题库和虚仿采集试验为代表的系列信息化数字资源，提升学生的专业自信度和自豪感，助力其技能水平的提升。2.5"引入岗、赛、证项目载体，丰富教学项目一个好的项目载体可以为项目运行起到很好的促进作用。课程组紧跟国家、企业技术新发展动态，密切关注全国职业院校技能大赛“工业产品数字化设计与制造技能”赛项的竞赛指南，深度融合增材制造模型设计1+X职业技能证书教学案例，丰富了课程的教学项目。比如，引入合作企业的国产连杆模型，工业产品数字化设计与制造技能比赛的国产过滤器模型，增材制造模型设计1+X职业技能证书国产电子器件等。通过岗、赛、证国产化项目载体的引入，逐渐树立学生的民族自豪感，提高学习兴趣，增强自信心。同时项目载体种类多样化、难度层次化，使学生选择多元化，进一步促进实训任务的顺利开展。2.6"校内专职教师与校外企业人员合作打造“双师型”教师队伍多次聘请合作企业资深员工进校开展新技术新发展、相关竞赛等交流活动，对教师进行逆向设计培训；同时教师暑期赴企业顶岗实践，学习最前沿的数字化设计与制造技术知识，不断提升自己的技能水平，建立理论、实践水平一流的“双师型”教师队伍。课程组教师积极参加教学能力大赛，提高信息化教学能力，提升数字信息素养，以适应当今信息化迅速发展的时代，为更好地传道授业解惑打下坚实的基础。依托国家创新教学团队和技能名师工作室，为本地微制造企业的产业升级提供技术支持，教师的科研服务能力不断增强。2.7"采用PBL分组评价，考核更科学全面建立适合高职教育的课程考核评分标准，坚持以职业岗位能力为重点，从专业知识、实践技能、职业素质各方面进行综合考评[6]。本课程基于学习通信息化网络平台，采用PBL分组评价。评价对象多元化，满分100分，其中教师评价占50%，组内互评占20%，组间互评占20%，自评占10%；评价内容多元化，包括技能实操、职业素养等，以及教师评价、组内互评、组间互评和自评内容涉及扫描操作、数据处理、逆向设计、创新设计、3D打印和学习态度六大部分。考核贯穿课程始终，充分引起了学生对实训内容的重视，提高了课堂实训的有效性。同时通过组间打分，增强了学生之间互相学习的主动性，考核更加公平全面，达到以评促教的作用。3"高质量发展背景下的课程改革成效在高质量发展背景下，以学生为中心，基于学生能力本位，从优化教学内容、改善教学方法等方面入手，达成了学生的知识、能力、素养培养目标，提升了学生的综合能力，三维检测与逆向设计实训课程的改革实践取得了较好的效果。3.1"学生的综合职业技能得到提高通过优化课程内容，改善教学方法，学生的成绩明显提高。通过实训，学生完成了逆向设计五大部分的实战演练，全流程实践工程任务一气呵成，跨学科知识融会贯通，学生的综合能力得以提升强化。引入“岗、赛、证”项目，与课程有机融合，培养了学生的爱国情怀，深化了工匠意识，提高了问题解决能力。近年来，模具设计与制造专业学生代表学校多次参加全国职业院校技能大赛“数字化设计与制造”赛项的省赛、行业赛，并获得了二等奖两项、三等奖三项的好成绩。3.2"学生的创新能力被激发，作品质量高以学生为中心，学生能力为本位，数字化资源助力学生拓宽设计视角，提高设计敏锐度，增加设计美感和绿色环保意识。学生的设计作品里有智能小熊储蓄罐、精美的鼠标……通过渲染、外观重设、功能