基于CDIO理念的研究性教學(xué)在機(jī)械CAD課程中的創(chuàng)新性運(yùn)用

李靜+牛文杰

摘 要 為解決“機(jī)械CAD”課程教學(xué)過(guò)程中理論與實(shí)踐難以平衡的矛盾，將基于CDIO理念的研究性教學(xué)運(yùn)用于CAD教學(xué)中，引導(dǎo)學(xué)生在理論學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上進(jìn)行工程實(shí)踐和創(chuàng)新實(shí)踐。通過(guò)基于CDIO理念的研究性教學(xué)在課前作品觀摩、課堂教學(xué)方法、上機(jī)實(shí)踐、課后研究性實(shí)踐的實(shí)施與運(yùn)行，證明基于CDIO理念的研究性教學(xué)在CAD課程中的運(yùn)用可取得良好的教學(xué)效果，有效地提高了學(xué)生自主運(yùn)用課程知識(shí)來(lái)解決專業(yè)問(wèn)題的能力。

關(guān)鍵詞 CDIO 研究性教學(xué) 主動(dòng)學(xué)習(xí) 創(chuàng)新意識(shí)

中圖分類號(hào)：G424 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2015.08.050

Innovative Application of Inquiry Teaching with CDIO

Concept in Mechanical CAD Course

LI Jing， NIU Wenjie

（College of Mechanical and Electrical Engineering， China University of Petroleum， Qingdao， Shandong 266580）

Abstract In order to solve the imbalance of theory and practice in mechanical CAD teaching， the inquiry teaching with CDIO concept was introduced， leading to students focusing on engineering and innovation practice on the basis of theoretical study. This work studied the application of inquiry teaching with CDIO concept during pre-class works appreciation， in-class teaching method， practice on computer and after-class inquiry practice. It was proved that the application of inquiry teaching with CDIO concept in CAD course could achieve good effect， and enhanced students' ability of solving the professional problem by using the course knowledge.

Key words CDIO; inquiry teaching; initiative study; innovative consciousness

0 引言

在當(dāng)今科學(xué)、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)正在發(fā)生急劇深刻變化的新形勢(shì)下，高等教育面臨巨大的挑戰(zhàn)。比如，如何開(kāi)啟學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)模式，提高學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力。面臨轉(zhuǎn)型社會(huì)的新挑戰(zhàn)，各高校著重通過(guò)改革課程體系和改善教學(xué)方法，借鑒國(guó)際先進(jìn)理念和經(jīng)驗(yàn)，增強(qiáng)學(xué)生探究與理解、分析與推理、創(chuàng)造與表達(dá)等方面的能力，全面提高高等教育質(zhì)量。CAD（Computer Aided Design，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)）理論和技術(shù)對(duì)工科類大學(xué)生的工程實(shí)踐能力、創(chuàng)新意識(shí)培養(yǎng)方面具有非常重要的作用。隨著CAD 技術(shù)的迅速發(fā)展，二維、三維CAD技術(shù)在眾多行業(yè)應(yīng)用的廣泛普及，國(guó)內(nèi)各高校CAD 類課程的地位和教學(xué)內(nèi)容已發(fā)生了很大變化，但是依然存在深度、廣度分布不均衡，課程設(shè)置混亂的現(xiàn)象。比如，有些院校只限于講授工程圖樣的計(jì)算機(jī)輔助繪制，缺少CAD 基礎(chǔ)知識(shí)，適用層次偏低;而有些院校則過(guò)分強(qiáng)調(diào)CAD 理論，不注重CAD 系統(tǒng)的應(yīng)用，使得課程的實(shí)踐性不強(qiáng)，不適合工科學(xué)生的發(fā)展。理論與實(shí)踐的沖突在CAD課程中很難平衡，如何在有限的課時(shí)內(nèi)提高學(xué)生學(xué)習(xí)CAD繪圖軟件的效果，并使學(xué)生“知其然，知其所以然”，提高學(xué)生解決工程實(shí)際問(wèn)題的實(shí)踐和創(chuàng)新能力，為今后專業(yè)課學(xué)習(xí)做好必要的鋪墊，是值得深思和研究的一個(gè)問(wèn)題。

1 基于CDIO理念的研究性教學(xué)

研究性教學(xué)不同于傳統(tǒng)的灌輸式教學(xué)，是以探究為基礎(chǔ)，教學(xué)與研究相結(jié)合，在教師的組織指導(dǎo)下引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、自主實(shí)踐的教學(xué)。它以學(xué)生的發(fā)展為本，強(qiáng)調(diào)師生互動(dòng)，將學(xué)生學(xué)習(xí)與研究相統(tǒng)一，可以有效地提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性、主動(dòng)性，引導(dǎo)學(xué)生逐步形成觀察問(wèn)題、分析問(wèn)題、尋求解決問(wèn)題方法的能力。①研究性教學(xué)要將“研究”貫穿整個(gè)教學(xué)課程，重點(diǎn)在于轉(zhuǎn)變學(xué)生的思維模式，因此這種教學(xué)方式符合工程能力培養(yǎng)的規(guī)律和綜合素質(zhì)形成的邏輯，得到了“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”的大力提倡和著力推廣。②對(duì)于工程類課程的研究性教學(xué)，CDIO理念給出了更具體的解釋。CDIO理念是美國(guó)麻省理工學(xué)院、瑞典皇家工學(xué)院、瑞典查爾莫斯工業(yè)大學(xué)和瑞典林雪平大學(xué)四所大學(xué)于2004年創(chuàng)立的一個(gè)新的工程教育模式。其核心理念是構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計(jì)（Design）、實(shí)施（Implement）、運(yùn)行（Operate），以項(xiàng)目從研發(fā)到運(yùn)行的生命周期為載體，讓學(xué)生以主動(dòng)的、實(shí)踐的、課程之間具有有機(jī)聯(lián)系的方式學(xué)習(xí)和獲取工程能力，強(qiáng)調(diào)知識(shí)與能力之間的關(guān)聯(lián)，并較好的解決了工程教育中理論知識(shí)與實(shí)踐能力的平衡。③為適應(yīng)新形勢(shì)下高校提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的要求，解決“機(jī)械CAD”課程教學(xué)過(guò)程中理論與實(shí)踐難以平衡的矛盾，將基于CDIO理念的研究性教學(xué)運(yùn)用于CAD教學(xué)中，引導(dǎo)大學(xué)生在理論學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上進(jìn)行工程實(shí)踐、創(chuàng)新實(shí)踐，這對(duì)工程創(chuàng)新人才的培養(yǎng)有重要意義。

2 教學(xué)方案的設(shè)計(jì)和實(shí)施

機(jī)械CAD是一門理論性和實(shí)踐性較強(qiáng)的專業(yè)基礎(chǔ)課，涉及到工程制圖、機(jī)械設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)等多方面知識(shí)。該課程主要是培養(yǎng)學(xué)生的空間想象能力，利用CAD工具軟件進(jìn)行繪圖、建模及工程設(shè)計(jì)的能力。在本課程教學(xué)中，通過(guò)構(gòu)建以二維能力培養(yǎng)為基礎(chǔ)，三維設(shè)計(jì)為主流的教學(xué)內(nèi)容體系，使理論和實(shí)際應(yīng)用密切結(jié)合，同時(shí)保證了理論上的系統(tǒng)性、完整性。課堂教學(xué)包含了CAD基本圖形學(xué)原理、CAD軟件繪圖操作和命令、軟件二次開(kāi)發(fā)等方面的基礎(chǔ)知識(shí);工程實(shí)踐性教學(xué)則主要注重知識(shí)的交叉、滲透，涉及到產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、三維建模、虛擬仿真優(yōu)化等一系列內(nèi)容;課程以傳統(tǒng)工程圖學(xué)的手工繪圖為基礎(chǔ)，從二維CAD軟件繪圖，到三維CAD建模，再通過(guò)計(jì)算機(jī)虛擬環(huán)境，由三維實(shí)體模型設(shè)計(jì)回到二維工程圖的設(shè)計(jì)，進(jìn)一步優(yōu)化后進(jìn)行再設(shè)計(jì)的循環(huán)過(guò)程學(xué)習(xí)。該教學(xué)模式有助于啟發(fā)學(xué)生的設(shè)計(jì)意識(shí)，變目前的被動(dòng)接受式的傳統(tǒng)教學(xué)模式為主動(dòng)探索式的研究性教學(xué)。根據(jù)CDIO研究性教學(xué)的理念，本文的教學(xué)方案設(shè)計(jì)如圖1所示。

2.1 課前作品觀摩

為了激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，在課程的前半階段，經(jīng)常給學(xué)生演示往屆學(xué)生的優(yōu)秀作品，特別是一些大賽獲獎(jiǎng)作品，例如直升機(jī)、海洋平臺(tái)、發(fā)動(dòng)機(jī)、教學(xué)樓、變形玩具、蝸牛等。通過(guò)展示這些作品，使學(xué)生對(duì)Solidworks軟件的強(qiáng)大功能有一個(gè)直觀的認(rèn)識(shí)，增加學(xué)生努力學(xué)習(xí)的熱情和信心;同時(shí)，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新靈感，啟發(fā)學(xué)生們從專業(yè)、生活中找idea。此外，給學(xué)生們介紹CAD的相關(guān)比賽情況，比如學(xué)校的科技節(jié)、山東省大學(xué)生機(jī)電產(chǎn)品創(chuàng)新大賽、全國(guó)3D動(dòng)力大賽，以及CAD的相關(guān)網(wǎng)站和論壇，開(kāi)闊學(xué)生眼界，幫助學(xué)生了解CAD等數(shù)字化技術(shù)與相關(guān)領(lǐng)域（CAM/CAE/PDM/ERP）的滲透和發(fā)展，激發(fā)學(xué)生利用工具軟件進(jìn)行自主創(chuàng)新的工程意識(shí)。

2.2 課堂教學(xué)

CAD課堂教學(xué)在電腦機(jī)房中進(jìn)行，學(xué)生人手一臺(tái)電腦，方便學(xué)生隨即進(jìn)行針對(duì)性的隨堂練習(xí)。課堂教學(xué)方案的設(shè)計(jì)遵循以學(xué)生為主體，教師為引導(dǎo)的思路，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的主動(dòng)性。教學(xué)多采用專題啟發(fā)式和案例式教學(xué)模式。比如，在講解AutoCAD構(gòu)造選擇集專題時(shí)，通過(guò)對(duì)比window、crossing和box命令操作時(shí)圖元選擇結(jié)果的差異，啟發(fā)學(xué)生思考三者之間的區(qū)別和聯(lián)系，激勵(lì)學(xué)生自主總結(jié)規(guī)律，加深了學(xué)生的理解。在講解Solidworks放樣與掃描命令時(shí)，舉例茶壺建模。通過(guò)壺嘴建模過(guò)程，學(xué)習(xí)基準(zhǔn)面建立方法和放樣特征的步驟;通過(guò)壺把建模過(guò)程，提取掃描特征步驟;并由茶壺建模推廣到水龍頭結(jié)構(gòu)零件的建模方法和技巧。通過(guò)兼具藝術(shù)美、生活美的茶壺建模，激發(fā)了學(xué)生的興趣，激勵(lì)學(xué)生去主動(dòng)地、更深入地學(xué)習(xí)教材上有關(guān)放樣和掃描命令的技巧。相比枯燥地講解操作方法，案例教學(xué)更能激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維與設(shè)計(jì)意識(shí)。

2.3 課內(nèi)上機(jī)實(shí)踐

CDIO理念強(qiáng)調(diào)學(xué)生在工程環(huán)境中進(jìn)行學(xué)習(xí)，從對(duì)實(shí)際產(chǎn)品的認(rèn)識(shí)、分析出發(fā)，提取產(chǎn)品特征，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，并進(jìn)一步嘗試解決問(wèn)題。④CAD是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，需要學(xué)生進(jìn)行大量的上機(jī)實(shí)踐，僅僅課堂上的隨堂練習(xí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。本校針對(duì)機(jī)械CAD技術(shù)這門課程，總共安排了32學(xué)時(shí)的理論課，和相應(yīng)的32個(gè)學(xué)時(shí)上機(jī)練習(xí)。即教師每授課一次，上機(jī)練習(xí)一次，同時(shí)有助教隨堂輔導(dǎo)。助教在輔導(dǎo)課上，引導(dǎo)學(xué)生在上機(jī)實(shí)踐中自己發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，和學(xué)生共同學(xué)習(xí)、共同探討，并引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)探究，分析解決問(wèn)題。

習(xí)題與練習(xí)的選擇盡量兼顧趣味性與專業(yè)性、難度適中，而且具有一定挑戰(zhàn)性。比如，在學(xué)完AutoCAD的圖形基本變換及編輯命令后，為學(xué)生布置一道繪制自行車的上機(jī)練習(xí)，旨在練習(xí)多段線、陣列和復(fù)制命令。對(duì)于自行車的尺寸和形式，學(xué)生可以自由設(shè)計(jì)。由于幾乎每個(gè)學(xué)生在校園里都擁有一輛自行車，現(xiàn)在要用新學(xué)習(xí)的軟件繪制自己熟悉和喜愛(ài)的東西，大大激發(fā)了學(xué)生的熱情和興趣。學(xué)習(xí)完AutoCAD尺寸標(biāo)注后，布置齒輪繪制和尺寸標(biāo)注的作業(yè)。在繪制過(guò)程中，學(xué)生需要根據(jù)齒輪模數(shù)和齒數(shù)，計(jì)算齒根圓和齒頂圓尺寸。這就激勵(lì)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、查閱資料，尋找齒輪計(jì)算公式，初步鍛煉了學(xué)生機(jī)械設(shè)計(jì)的能力。

2.4 研究性課外實(shí)踐

CAD課程不僅僅是一種軟件使用學(xué)習(xí)，更是一種基于軟件設(shè)計(jì)能力的學(xué)習(xí)和培養(yǎng)。根據(jù)CDIO教學(xué)模式，給學(xué)生布置在本學(xué)期內(nèi)完成一項(xiàng)CAD專業(yè)設(shè)計(jì)的大作業(yè)，激勵(lì)學(xué)生在掌握了基本操作的基礎(chǔ)上進(jìn)行研究性的自主學(xué)習(xí)，并應(yīng)用于課外大作業(yè)的作品上。大作業(yè)在選題上注重與學(xué)生興趣相結(jié)合，鼓勵(lì)學(xué)生從專業(yè)、生活中自主選擇對(duì)象進(jìn)行原型設(shè)計(jì)或創(chuàng)新性改進(jìn)設(shè)計(jì)，培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力和創(chuàng)新意識(shí)。在組織形式上采用個(gè)人與小組工作相結(jié)合的模式，有利于充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。大作業(yè)促使學(xué)生由被動(dòng)表達(dá)向主動(dòng)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變，提高了學(xué)生的創(chuàng)新思維與設(shè)計(jì)意識(shí)，最大限度激發(fā)了學(xué)生潛能。

學(xué)期結(jié)束之前，組織一次大作業(yè)討論課，在討論-實(shí)踐-思考的過(guò)程中，增強(qiáng)學(xué)生參與思考、自主創(chuàng)新的熱情，鍛煉了個(gè)人的組織能力、表達(dá)能力。對(duì)于優(yōu)秀的大作業(yè)作品，組織學(xué)生在第二課堂中繼續(xù)展開(kāi)研究和開(kāi)發(fā)，并進(jìn)一步組織學(xué)生積極參加相關(guān)比賽、申報(bào)專利和成果轉(zhuǎn)化，讓大學(xué)生在學(xué)生時(shí)代就體驗(yàn)科學(xué)研究工作及設(shè)計(jì)工作的成果申請(qǐng)與保護(hù)流程;對(duì)于有商業(yè)前景的設(shè)計(jì)，利用快速成型機(jī)制作模型，并與相關(guān)企業(yè)洽談商業(yè)開(kāi)發(fā)。讓學(xué)生真正體驗(yàn)從產(chǎn)品研發(fā)到實(shí)施運(yùn)行的整個(gè)流程，提高學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計(jì)和工程實(shí)踐能力，使他們能夠更快地與工程實(shí)際接軌。此外，課程組專門成立了研究工作室，邀請(qǐng)學(xué)有余力和有興趣的同學(xué)參加。研究工作室的成立大大拓展了CAD教學(xué)的第二課堂空間，有助于開(kāi)發(fā)學(xué)生研究與創(chuàng)新的潛力，做到在研究中教學(xué)，在教學(xué)中研究。

圖2 Solidworks戰(zhàn)斗機(jī)設(shè)計(jì)

圖3 水面漂浮物收集的雙船與分輸裝置

3 成效

本課程旨在培養(yǎng)學(xué)生利用CAD系統(tǒng)進(jìn)行工程圖樣繪制、產(chǎn)品數(shù)字化建模等工程應(yīng)用技能;培養(yǎng)學(xué)生在后續(xù)課程學(xué)習(xí)乃至畢業(yè)設(shè)計(jì)中，運(yùn)用CAD基礎(chǔ)理論、CAD系統(tǒng)結(jié)合專業(yè)知識(shí)，解決工程實(shí)際問(wèn)題的實(shí)踐和創(chuàng)新能力。學(xué)生知識(shí)技能的掌握量和熟練程度是CAD技術(shù)實(shí)踐教學(xué)效果的顯性衡量指標(biāo)。⑤通過(guò)2013年秋季學(xué)期對(duì)試點(diǎn)班級(jí)課外大作業(yè)的考核，證明基于CDIO理念的研究性教學(xué)有效地提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性、主動(dòng)性，教學(xué)效果明顯。如圖2所示，為大作業(yè)中某學(xué)生利用所學(xué)的SolidWorks 軟件設(shè)計(jì)的戰(zhàn)斗機(jī)模型，對(duì)戰(zhàn)斗機(jī)的機(jī)身結(jié)構(gòu)和外觀進(jìn)行了創(chuàng)新性設(shè)計(jì)。圖3是班里學(xué)生設(shè)計(jì)的用于水面漂浮物收集的雙船與分輸裝置，擬解決目前國(guó)內(nèi)淡水污染情況嚴(yán)重，清除水面漂浮物機(jī)械效率低、能耗高，使用不便等方面的問(wèn)題。該裝置采用機(jī)械手在內(nèi)的多重收集裝置，通過(guò)新式傳送帶和雙船裝置，將垃圾運(yùn)送回岸;并且要通過(guò)傳送帶來(lái)完成對(duì)于漂浮物的機(jī)械化分輸，提高對(duì)水面漂浮物清理的效率。由于CAD課在本校主要面向大二的學(xué)生，專業(yè)設(shè)計(jì)課還沒(méi)有學(xué)習(xí)，因此這些作品在結(jié)構(gòu)上和功能實(shí)現(xiàn)上還存在一定缺陷，初步設(shè)計(jì)方案也顯得幼稚，離實(shí)用化還有一定距離，但創(chuàng)新意識(shí)和工程意識(shí)體現(xiàn)得活靈活現(xiàn)。

4 結(jié)語(yǔ)

實(shí)踐證明，基于CDIO理念的研究性教學(xué)在“機(jī)械CAD”課程中的運(yùn)用具有一定的科學(xué)性、合理性，并取得了一定的成效。在教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生由開(kāi)始的被動(dòng)練習(xí)逐步嘗試專業(yè)化對(duì)象設(shè)計(jì)，并在大作業(yè)過(guò)程中完成自主選題設(shè)計(jì)-繪制-修改-匯報(bào)的全過(guò)程。該教學(xué)方法有效地提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性、主動(dòng)性，培養(yǎng)了學(xué)生自主運(yùn)用課程知識(shí)來(lái)解決專業(yè)問(wèn)題的能力，增強(qiáng)了學(xué)生的工程意識(shí)與創(chuàng)新素質(zhì)培養(yǎng)。

注釋

① 劉子建，趙翠，伍素珍.“機(jī)械CAD技術(shù)”課程研究性教學(xué)探討[J].中國(guó)大學(xué)教學(xué)，2010.1：46-48.

② 鞠晨鳴，徐建成.以“實(shí)踐”為導(dǎo)向的研究性教學(xué)[J].中國(guó)大學(xué)教學(xué)，2012.9：69-71.

③ 厲威成.CDIO模式的教育理念及其實(shí)踐研究[D].成都：四川師范大學(xué)，2012.

④ 郝智秀，季林紅，馮涓.基于CDIO的低年級(jí)學(xué)生工程能力培養(yǎng)探索[J].高等工程教育研究，2009.5：36-40.

⑤ 楊青，邱欣.CDIO模式交通運(yùn)輸專業(yè)CAD技術(shù)的實(shí)踐教學(xué)研究[J].中國(guó)電力教育，2013.14：143-144.