基于OBE理念的工業設計工程訓練教學設計與實踐

孫 薇,張立昌

(西安工程大學服裝與藝術設計學院, 陜西 西安 710600)

工程實踐能力與創新能力培養是高等院校本科教學必不可少的環節,是推進我國高等工程教育改革和發展的重要途徑。在工程教育背景下,工程實踐成為培養大學生工程意識和創新能力的重要環節,是大學生將理論知識及專業知識進行具象化的重要平臺,具有復雜問題具體化、形象化、簡單化、興趣化的獨特優勢[1-2]。

成果導向教育(outcome-based education,OBE)是一種基于學習成果或者結果為導向的教育理念,以成果導向理念指導工業設計類工程訓練教學,對推進人才培養質量工程、促進高等院校工程訓練教學改革、構建設計藝術與制造技術相結合的教學模式、凸顯工程實踐創新的時代優勢,具有積極的推動作用。

1 基于OBE理念的工業設計工程訓練教學設計的意義

工業設計是跨學科的專業,其將創新、技術、工程及研究緊密聯系在一起,共同進行創造性活動。近年來該專業呈現出強勁的發展態勢,同時也存在著諸多問題,主要表現在學生理論設計與實踐、創新制作聯系不緊密,同時實踐環節不能將設計思維具象化,并且缺乏相應的創新實踐平臺。因此,針對現狀,在工程教育背景下,依托工程訓練優質的數字化設計與制造實踐平臺,開展創意設計+數字化制造實踐。通過一組豐富的立體文創產品,使學生了解產品的整個逆向設計及制造流程,同時富有藝術內涵和情感呼應的立體文創產品能更好地激發學生在理論與實踐環節感受機械理性與藝術感性的完美結合、感受美學元素,并且在不斷的實踐中也能使學生了解產品在生產中的相關技藝,增強了實訓環節趣味性與專業性[3-4]。

2 基于OBE理念的工業設計工程訓練教學設計與實踐

2.1 教學項目設計方法

本文采用項目教學法,以典型文創產品為載體,通過理論與實踐相結合,將三維掃描、逆向工程、CAD/CAM軟件設計、數字化制造等知識融入實踐教學中。教學過程中在OBE理念的指導下進行教學設計,優化教學內容,完善考評體系;將產品設計理論知識、專業理論知識與工程能力、創新意識、文化自信貫穿于整個教學過程;培養學生實踐能力、創新能力、團隊協作及勞動精神。課程目標如圖1所示。

圖1 課程目標圖

2.2 教學項目準備

為確保教學項目的成功組織,將教學環節分為項目引入、教學演示、任務實施、任務評價4個階段,使學生在進行創意設計與數字化制造的各個環節實現“學、做、評、思”一體化。根據項目內容,統籌安排設備及實踐資源,包括三維掃描實訓室、CADCAM實訓室、數控加工實訓室。通過設計環節使學生掌握三維掃描儀操作及Geo-magic Studio三維逆向軟件,并且掌握創意圖形產品曲面修補、設計的基本方法,同時結合制造環節將理論設計與工程實踐教學相互融合[5-6]。

2.3 教學項目引入

在充分分析課程教學目標的基礎上,為便于有效組織教學項目,發揮工程訓練實踐教學環節優勢,首先引入工業設計發展案例,體會工業產品設計的發展歷程;然后通過機械工程的發展史,追溯機械的來源與演變,借鑒歷史、溫故知新,探索科技的發展規律,將思政元素逐步滲入到專業知識學習中,激發學生的內在學習動力,最后通過觀看北京冬奧會宣傳片,引入本次文創產品“冰墩墩”,讓學生堅定“四個自信”,使學生既有家國情懷,又有環球視野,同時構建德育并舉、文化育人載體,實現課程思政與專業教學深度融合,主要內容如圖2所示。

圖2 項目引入思政元素圖

通過課程設計,向學生介紹工業產品數字化設計與數字化制造項目所涉及的相關專業知識、難點與重點,包括產品數字化設計原理、數字化制造關鍵工藝,實現知識傳授和能力培養的緊密融合。確定以三維掃描成像原理、逆向設計技術、數字化制造技術為主的能力教學。

2.4 教學項目實施

項目的關鍵在于項目實施過程,該過程應凸顯學科之間的融合交叉,通過將創意工業設計與數字化制造環節結合起來,培養學生的工程思維、設計能力、實踐能力、創新意識,幫助學生獲取工程經驗,如圖3所示。

圖3 工業設計類工程訓練教學設計圖

2.4.1課堂教學組織

在教學組織上,項目實施前,由學生查閱資料并對三維掃描、逆向設計、數字化制造這3個方向提出問題;項目實施中,由教師引導學生在課堂上學習三維掃描方法、逆向設計原理、數字化設計難點與重點,并提出設計要求,學生通過查閱資料、小組協作、師生互動等方式全過程參與產品的數字化設計,同時明確本次課程任務,學生明確項目任務后,積極參與演示并針對課前的3個問題進行激烈討論,激發學生學習的主動性、創新性,從而達到良好的教學效果[7-8]。課堂教學組織見表1。

表1 課堂教學組織表

2.4.2實踐環節組織

在實踐環節中,由實訓指導教師引導學生進行產品工藝分析,講解加工難點與重點,并提出零件質量要求,同時實訓教師在教學中對整個過程進行全程演示,學生按照任務實施時的分組進行實踐操作,每組成員應針對所設計的產品進行模擬驗證,確保實踐加工中的正確性與安全性,發現錯誤及安全隱患時應及時修改,避免因設計模型、數字化程序問題導致廢品及在實際加工中存在安全隱患;整個設計與制造過程始終以學生為中心,小組之間相互交流,教師進行問題修正,保證設計與制造達到理論與實踐相結合。同時,通過工程實踐教學一體化,讓學生具備獨立設計及獨立操作數控加工設備的能力。

2.4.3項目實施步驟

以項目1為例,要求學生使用三維掃描軟件掃描“冰墩墩”實物逆向生成三維片體造型,如圖4所示,由于三維掃描時會出現斷面、缺面及圓角過渡不均勻等情況,因此使用逆向軟件對片體文件進行修補并轉換為實體造型,如圖5所示,再通過CAD/CAM軟件自主設計生產加工工藝,編寫零件數控加工程序,如圖6所示,通過UG軟件進行仿真加工,如圖7所示,最后利用數控機床完成“冰墩墩”立體模型作品的加工。

圖4 “冰墩墩”掃描片體

圖5 “冰墩墩”造型

圖6 “冰墩墩”刀路軌跡

圖7 “冰墩墩”加工仿真

3 基于OBE理念的工業設計工程訓練教學設計與實踐成果

創意設計+數字化制造是對學生進行產品設計、編制程序以及工程實踐、創新思維的綜合考查,并且在每個環節都要填寫任務評價表,見表2。任務評價表可以直觀地反映學生項目進度以及存在問題,使整個課程形成全閉環,學生通過實踐操作加工出創意作品,實訓成績以任務評價表作為評定標準。

表2 任務評價表

通過工程教育背景下工業設計專業實踐課程教學設計與實踐,每個項目小組可以完成一整套立體文創作品,首件立體文創作品的數字化設計與數字化制作工程尤為重要,既可以為后續項目的三維掃描、逆向設計提供數據參考,又可以為數字化制造提供實踐操作經驗[9-10]。圖8所示為學生加工完成的“冰墩墩”作品圖,圖9所示為“大力神杯”作品圖,圖10所示為逆向設計“碗”三維模型。

圖8 “冰墩墩”作品圖

圖10 “碗”作品圖

經過教學實踐,取得了良好的教學效果。向課程所涉及的工業設計大三所有班級學生發放課程問卷調查表,共設置5個問題。該項反饋結果充分表明,在基于OBE理念的教學過程中融入課程思政,學生在課程中對其工程實踐能力、創新能力、團隊合作能力及工匠精神、勞動精神的培養認可度較高。反饋結果如圖11所示。

圖11 教學效果反饋結果

4 總結與反思

本文以工程教育為背景,基于OBE理念,采用項目化教學方法,以培養工業設計類學生工程能力為重點,在教學設計中將實踐教學與課程思政相結合,以貫徹黨的教育方針、落實立德樹人為根本任務,經過課程建設、教學項目開發、教學設計優化、工程能力實踐、創新能力培養等一系列舉措,使學生全方位體驗設計+制造,讓學生充分認識到設計與工程結合的重要性,提高工業設計類專業學生的學習興趣和主動性;具象化學生專業知識,增強學生實踐動手能力,實現了課程的知識傳授和思政育人功能。同時工程訓練數字化設計+數字化制造課程在第二屆“陜西省本科高校工程訓練教師教學能力競賽微課競賽”項目中獲得陜西省教育廳二等獎。通過課程的實施及結果反饋,對于工程實踐教學改革具有實際參考依據[11-12]。

雖然基于OBE理念的工業設計工程訓練教學設計與實踐取得了一定成效,但今后在課程建設中,還需加大力度探索新模式、新工藝、新技術,優化教學設計、完善考核機制與考核形式,充分落實兩會精神及立德樹人根本任務,將勞動教育與專業實踐結合起來,培養學生精益求精的工匠精神和愛崗敬業的勞動態度,推進高等教育創新。