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

覃秀凤，程 艳，刘升旭，翟丽华

（广西职业技术学院，广西 南宁，530226）

逆向工程与快速成型技术是一门先进的制造技术，广泛应用于新产品开发和产品改型设计、产品仿制、质量分析检测等领域。目前，多数职业院校的机械类专业都开设有逆向工程与快速成型技术课程，广西职业技术学院根据3D打印造型师岗位对知识、能力及素养的要求，对课程进行了改革并更名为逆向创新设计与快速成型技术。该课程以CDIO工程教育理论为指导，充分利用“互联网+”优势，积极开展基于CDIO理念的线上线下混合式教学探索与实践，除了培养学生掌握逆向工程与快速成型技术的基础知识和技能外，更注重对学生创新设计能力的培养，并取得了初步成效。

1 教学现状

目前职业院校逆向工程与快速成型技术课程的教学存在以下问题，影响了教学质量的提升。

（1）教材单一，缺乏综合性的项目式教材。逆向工程与快速成型技术包含四大能力要求模块：三维数据采集及处理、逆向模型重构、正向创新设计、3D打印。技术对理论与实践的结合要求很高，除了要求掌握三维扫描仪、3D打印机等硬件设备的操作技能之外，还要求掌握数据处理软件（Wrap）、逆向模型重构（DX）等软件的操作技能。现有教材很少有全部囊括上述四大模块的，很多教材缺乏按照工作过程编写的案例，存在与工作过程相脱节的情况。

（2）各能力模块的教学相对独立，缺乏延续性和系统性。由于教材缺乏系统性，教师一般是采用不同的任务载体逐次完成各能力模块的教学，最后再通过一个综合训练把各能力模块串联起来。由于教学不是按照产品逆向开发创新的工作流程来开展的，学生无法系统掌握产品逆向设计开发的工作流程，也无法建立起系统的逆向开发设计概念。

（3）软件的教学较多采用传统课堂授课模式，即先由教师讲解和演示，学生再进行操作练习。由于软件教学知识点多，实践性强，学生在课堂上练习的时间较少，而课后学生投入练习的时间各不相同，导致教学质量难以保证[1]。此外，传统教学不能满足不同层次学生的学习需求。

2 基于CDIO理念的教学项目开发

2.1 CDIO理念

CDIO 是构思 (Conceive)、设计 (Design)、实现(Implement)、运作(Operate)4 个英文单词的缩写。它的愿景是为学生提供一种强调工程基础的，培养集构思—设计—实现—运作于一体的系统化思维的工程教育，让学习者以主动的、实践的、课程之间有机联系的方式学习工程[2]。除了注重专业知识和实践能力的培养外，还注重培养系统观念和综合能力。

2.2 CDIO理念下的教学项目

基于CDIO工程教育理念，课程团队从工作任务、知识要求与技能要求三个维度对教学内容进行规划与设计。知识点的选取紧紧考虑工作任务的需要，同时又充分考虑高等职业教育对知识深度的要求，同时融合3D打印造型师（中级）职业资格证书以及“工业产品数字化设计与制造”“工业产品设计与快速成型”两项技能大赛对知识、技能和态度的要求，最终选取了8个企业真实产品作为逆向开发设计的项目载体（见表1）。每个项目的教学都按照产品逆向开发创新的工作流程来开展，具体包含数据采集及处理、逆向模型重构、创新设计、3D打印、装配验证等五项任务，可使学生在掌握技能的同时，养成严谨细致、有序工作、善于交流、团队合作的岗位职业素养。

表1 CDIO理念下的教学项目

3 线上线下混合式教学模式的构建

3.1 教学环境和课程资源的准备

（1）教学环境的构建。基于3D打印造型师的工作过程，构建“三区一体”理实一体化教学环境，即按照3D打印造型师的工作过程将“数据采集区、建模设计区、3D打印区”布置于同一实训室内。实训室内WIFI全覆盖，便于利用网络资源开展一体化的教学。

（2）教学资源的准备。在网络教学平台建课，并上传教学资源，包括课程信息资源，教学文本资源、教学活动资源[3]。课程信息资源包括课程简介、课程目标、课程标准、教学条件等。教学文本资源包括课件、项目任务书、微课、软件操作视频等。不同层次的学生可根据教师提供的优质文本资源，进行碎片化学习。软件操作视频可反复观看，可提高学生学习的主动性。教学活动资源包括试题库、在线测试、抢答互动、在线答疑等，师生可通过网上测试、在线讨论、在线答疑等活动，随时随地进行课程互动，教师根据各途径获知的反馈进行教学设计，实现教与学的充分融合。

3.2 教学模式的构建

图1 基于CDIO的线上线下混合式教学模式

建构主义认为，学生应该是知识意义的主动建构者，而非外部的被动接受者；教师应该是学生主动建构知识意义的帮助者，而非知识的灌输者[4]。基于CDIO理念的线上线下教学模式，坚持以学生为主体、教师为主导的理念进行教学设计（见图1）。该模式以产品的逆向设计工作过程为主线，以项目为载体，将每个项目按照能力模块分解成若干任务，将课程知识点融入其中，再以任务为驱动，利用“三区一体”理实教学环境和线上课程平台教学资源，在课前、课中、课后开展教学。教学方法采用任务驱动教学法，小组合作探究学习，做中学，学中做，从而达成学习目标。

4 线上线下混合式教学过程设计——以“水龙头开关的逆向创新设计”为例

项目三“水龙头开关的逆向创新设计”的逆向设计工作开发过程包含6个步骤：需求分析—三维数据采集及处理—逆向模型重构—创新设计—3D打印—装配验证。按照CDIO理念来设计项目教学流程，上述步骤可构建为构思（项目需求分析）—设计（三维数据采集处理、逆向模型重构、创新设计）—实现（3D打印）—运行（装配验证）。

4.1 课前准备

课前，教师在教学平台发布项目任务书，并发布课前在线导学任务。学生登录学习通，接收项目任务书，完成导学任务（自学课件、软件操作视频、预习测试等），完成学习任务后，在平台填写预习反馈。教师通过统计测试情况和学生留言，总结学生的疑问点，分析反馈问题，调整教学策略。

4.2 课堂实施

在课堂实施模块，改变以往灌输知识的讲授模式，强调以学生为主体，教师重在引导。

（1）项目导入及分析（构思）

在分析学生需求的基础上，教师总结出完成项目的难点，缺少的知识点和技能点。

（2）项目实施准备

项目实施准备实上是教师借助信息化手段，基于学生的项目分析和预习反馈，开展教学活动，解决教学重难点的过程。如使用转盘采集水龙头的三维数据是教学的难点。转盘扫描概念抽象，不易理解和掌握。教师可引导学生通过仿真平台模拟相似零件的扫描，学生通过反复模拟，探究原理，理解内涵，牢记步骤，进而制定水龙头的扫描策略。为优化扫描策略，教师在学习通平台发起讨论，学生以小组为单位上传标志点粘贴图片及扫描策略微视频。学生观看图片和微视频，讨论分析其中的优缺点，进而优化本组扫描策略。又如，逆向建模软件中坐标对齐、回转命令的操作是本次课重点之一。教师精讲命令后，学生可在平台上反复观看软件操作视频，直至完全熟悉。

（3）项目任务实施

在完成项目准备后，开始任务实施（见表2）。每个任务实施完成后，通过教学平台提交完成的任务数据模型。教师及时查看和评阅，对学生的设计提出改进意见。

（4）PPT制作及答辩

为提高课堂效率，鼓励学生走上讲台，培养学生的语言表达和应变能力，设计了答辩汇报环节。学生以小组为单位制作PPT，汇报设计思路、心得、创新点等。汇报之后各小组互评，最后由教师点评。答辩汇报不但活跃课堂氛围，也可以锻炼学生的综合能力。

（5）课后提升

课后，教师利用平台设置线上答疑或交流活动，学生也可在线上进行交流。混合式教学打破了时空限制，有利于巩固教学内容，提高学习效率。

表2 水龙头开关的逆向创新设计任务实施流程

5 项目评价

课程构建了以“过程性考核+项目实践性考核”为主的评价体系[5]。过程考核主要考核学生在八个项目的实施过程中各阶段任务完成、团队协作能力、PPT答辩及安全文明生产表现等情况。实践过程考核包含线上线下两部分，各占50%。线上部分主要考核学生完成在线任务点的学习、在线测试、在线练习、在线讨论的情况，线下部分包括对学生出勤、课堂表现的考核及期末考试等。综合性的评价体系加强了对学生学习的督促，有利于提高学生的积极性和主动性。

6 实施效果

基于CDIO理念的混合教学模式取得了良好的教学效果。它可为不同层次的学生提供差异化辅导，提高学生学习的积极性。学生自主探究性学习能力，分析问题、解决问题能力，整体产品设计开发意识以及创新意识和能力都得到了提高、增强或激发。部分学生参加“机械行业产品创新设计与快速成型技术大赛”“广西大学生创新设计大赛”“全国三维数字化创新大赛”等技能大赛，取得均获二等奖的优异成绩。