CDIO理念下的機(jī)械制圖測繪課教學(xué)模式探索與實(shí)踐

韓正功+王建平+邵芳

【摘 要】本文分析了傳統(tǒng)教學(xué)模式的弊端，重新從測繪課本身的培養(yǎng)目標(biāo)出發(fā)，結(jié)合CDIO工程教育理念，引入虛擬仿真技術(shù)，提出基于項(xiàng)目的“虛—實(shí)”結(jié)合實(shí)踐教學(xué)模式，并以本校機(jī)械專業(yè)試點(diǎn)，對(duì)教學(xué)手段、教學(xué)模式和考評(píng)體系三方面進(jìn)行探索與實(shí)踐。實(shí)踐證明，CDIO理念下基于項(xiàng)目的“虛—實(shí)”結(jié)合實(shí)踐教學(xué)模式更有利于培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)和工程能力，有利于提高教學(xué)質(zhì)量。

【關(guān)鍵詞】CDIO ? ?機(jī)械制圖測繪 ? ?虛擬仿真 ? ? 考評(píng)體系 ? ?“虛—實(shí)”結(jié)合實(shí)踐教學(xué)模式

機(jī)械制圖測繪課是機(jī)械類專業(yè)必修的基礎(chǔ)性實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，它是本科生在學(xué)習(xí)完《機(jī)械制圖》理論課程后首次進(jìn)行的設(shè)計(jì)訓(xùn)練。為了進(jìn)一步鞏固學(xué)生制圖基礎(chǔ)知識(shí)，提高學(xué)生識(shí)讀、繪制機(jī)械圖紙能力，這一環(huán)節(jié)必不可少。近幾年來，受到CDIO（Conceive-Design-Implement-Operate，構(gòu)思—設(shè)計(jì)—實(shí)施—運(yùn)作）工程教育思想及理念的影響，如何更好地培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)的理論知識(shí)來解決實(shí)際問題的能力、培養(yǎng)高素質(zhì)應(yīng)用型工程技術(shù)人才，已成為高校教育教學(xué)改革的重要內(nèi)容。

1 機(jī)械制圖測繪課程教學(xué)現(xiàn)狀及存在問題

1.1教學(xué)手段有機(jī)整合度不夠

傳統(tǒng)的機(jī)械制圖測繪的教學(xué)手段是“黑板加粉筆”，它的最大缺點(diǎn)是課堂信息量少，不直觀，讓學(xué)生在短時(shí)間內(nèi)對(duì)測繪對(duì)象的工作原理及內(nèi)部結(jié)構(gòu)難以充分理解及構(gòu)想，導(dǎo)致學(xué)生積極性降低。隨著計(jì)算機(jī)及多媒體技術(shù)的普及，情況雖然有所改善，但部分教師一味依賴多媒體課件教學(xué)，導(dǎo)致學(xué)生注意力都集中在動(dòng)畫效果上，對(duì)本身就略顯枯燥的教學(xué)內(nèi)容失去耐心，影響教學(xué)效果。

1.2教學(xué)模式柔性及靈活性不夠

傳統(tǒng)的機(jī)械制圖測繪教學(xué)模式是以教師為中心，采用“填鴨式”、滿堂灌的教學(xué)方法，根據(jù)教師要求，學(xué)生按部就班地進(jìn)行手工繪圖，若繪圖時(shí)出錯(cuò)，可能會(huì)需要不斷返工，工作量大;在本來測繪時(shí)間就緊張的情況下，會(huì)導(dǎo)致學(xué)生為了追求繪圖速度，只是機(jī)械地模仿畫圖，忽視了對(duì)零件設(shè)計(jì)、工藝結(jié)構(gòu)、尺寸標(biāo)注合理性等方面知識(shí)的理解和綜合運(yùn)用。

1.3考評(píng)體系多樣性及科學(xué)性不夠

傳統(tǒng)的機(jī)械制圖測繪的考評(píng)體系是以學(xué)生最終上交圖紙的準(zhǔn)確性及規(guī)范性定量給分評(píng)價(jià)。這種評(píng)價(jià)形式單一，缺少多樣化，忽略了學(xué)生在教學(xué)過程中的主體作用?！耙患埗ǔ煽儭钡脑u(píng)價(jià)形式，會(huì)導(dǎo)致評(píng)價(jià)的片面性和偶然性，這在相當(dāng)程度上扼殺了對(duì)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)的培養(yǎng)以及忽視了學(xué)生的個(gè)性發(fā)展。

如何有效整合教學(xué)手段，設(shè)計(jì)創(chuàng)新教學(xué)模式，改革完善考評(píng)體系，都是擺在教學(xué)一線的高等教育者面前亟待解決的問題。

2 CDIO理念下“虛—實(shí)”結(jié)合的實(shí)踐教學(xué)模式

2.1CDIO工程教育理念

CDIO工程教育理念是近年來國際工程教育改革的最新成果，它是以產(chǎn)品研發(fā)到產(chǎn)品運(yùn)行的生命周期為載體，按照構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)施、運(yùn)作的過程，讓學(xué)生以主動(dòng)的、實(shí)踐的、課程之間有機(jī)聯(lián)系的方式學(xué)習(xí)工程。CDIO的核心是一體化教育，把學(xué)生要培養(yǎng)的能力和需提升的素質(zhì)貫穿于大學(xué)學(xué)習(xí)的各方面，突破了傳統(tǒng)的教育理念和模式。CDIO模式比較符合現(xiàn)代應(yīng)用型工程技術(shù)人才培養(yǎng)的一般規(guī)律，為我國工科教育的改革提供了一個(gè)很好的理論依據(jù)。如何將CDIO理論更好地滲透進(jìn)某一具體課程是任課教師長期探索的方向。

2.2基于項(xiàng)目的“虛—實(shí)”結(jié)合實(shí)踐教學(xué)模式

“虛—實(shí)”結(jié)合實(shí)踐教學(xué)模式是利用虛擬仿真技術(shù)來輔助實(shí)際模型的測繪過程。筆者在實(shí)際實(shí)施過程中考慮學(xué)生能力及軟件易學(xué)好用的特點(diǎn)，所采用的虛擬仿真技術(shù)是利用SolidWorks三維仿真系統(tǒng)來輔助對(duì)實(shí)際機(jī)件模型的測繪，實(shí)現(xiàn)測繪結(jié)果由二維工程圖向三維幾何實(shí)體模型的轉(zhuǎn)變，注重培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力以及對(duì)新技術(shù)的了解與應(yīng)用。

基于項(xiàng)目的“虛—實(shí)”結(jié)合實(shí)踐教學(xué)模式是以學(xué)生為主體，以教師為主導(dǎo)，以實(shí)踐為依托，以虛擬為手段。學(xué)生在項(xiàng)目實(shí)踐過程中，利用虛擬仿真技術(shù)來輔助理解和把握測繪要求的知識(shí)和技能，體驗(yàn)創(chuàng)新的艱辛與樂趣，培養(yǎng)分析問題和解決問題的思想和方法，教師注重的不是最終的結(jié)果，而是學(xué)生完成項(xiàng)目的整個(gè)過程，如圖1所示。

圖1 CDIO理念下基于項(xiàng)目的“虛—實(shí)”結(jié)合實(shí)踐教學(xué)模式

2.3CDIO理念下的項(xiàng)目設(shè)計(jì)

借鑒CDIO理念中三級(jí)項(xiàng)目教學(xué)的思想，構(gòu)建出課內(nèi)實(shí)踐與課外實(shí)踐相結(jié)合的項(xiàng)目教學(xué)體系，旨在以系列化的項(xiàng)目教學(xué)為載體，培養(yǎng)出高素質(zhì)應(yīng)用型工程技術(shù)人才。

CDIO理念下，教師對(duì)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)需要遵循以下幾個(gè)原則：①科學(xué)性，項(xiàng)目須有利于開發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)潛能，注意控制師生所花費(fèi)的時(shí)間、精力在適度范圍內(nèi)，以防負(fù)擔(dān)過重;②系統(tǒng)性，項(xiàng)目要整合課程內(nèi)容，覆蓋相對(duì)廣泛的知識(shí)面，同時(shí)關(guān)聯(lián)教師培養(yǎng)與設(shè)施設(shè)備條件等，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新精神;③可實(shí)踐性，依據(jù)學(xué)生的實(shí)際知識(shí)水平設(shè)計(jì)難易程度適當(dāng)?shù)捻?xiàng)目，調(diào)動(dòng)其積極性;④層次性，項(xiàng)目既涉及學(xué)生當(dāng)前掌握的內(nèi)容，同時(shí)又包含部分可自主學(xué)習(xí)探索的內(nèi)容，有一定的挑戰(zhàn)性;⑤自主性，項(xiàng)目要以學(xué)生的直接經(jīng)驗(yàn)或體驗(yàn)為基礎(chǔ)來開發(fā)和實(shí)施，鼓勵(lì)學(xué)生的自主選擇和主動(dòng)探究。

2.4CDIO理念下基于項(xiàng)目的“虛—實(shí)”結(jié)合實(shí)踐教學(xué)模式實(shí)施

根據(jù)本校實(shí)際，機(jī)械制圖測繪課是緊隨《機(jī)械制圖》及《計(jì)算機(jī)繪圖基礎(chǔ)》課程教學(xué)之后的實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，時(shí)間為一周，筆者把機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)的一個(gè)班級(jí)（50人）作為試點(diǎn)實(shí)施。

教師事先篩選出簡單易懂的裝配體，比如設(shè)計(jì)、測繪、組裝和表達(dá)軸系傳動(dòng)，設(shè)計(jì)和表達(dá)齒輪油泵（各組參數(shù)不同），設(shè)計(jì)和表達(dá)一級(jí)減速器（圓柱齒輪減速器、錐齒輪減速器、蝸輪蝸桿減速器等），并編寫好《機(jī)械制圖測繪CDIO項(xiàng)目指導(dǎo)書》。教師在第一次測繪課將學(xué)生集中起來，提出該課程的要求，下發(fā)《項(xiàng)目指導(dǎo)書》，其內(nèi)容包括以下幾方面：①項(xiàng)目任務(wù)：自愿結(jié)組，分組拆卸、測繪、分析和研究已有裝配體模型，進(jìn)行各零部件及裝配體的三維CAD模型創(chuàng)作，總結(jié)成果并創(chuàng)新設(shè)計(jì);②項(xiàng)目目標(biāo)：能夠正確使用常用測繪工具;掌握零部件的測繪方法與步驟;會(huì)簡單利用三維仿真軟件SolidWorks參數(shù)化建模并生成工程圖;③被測對(duì)象的說明：用途、性能、工作原理、結(jié)構(gòu)、裝配示意圖與零件明細(xì)表等。endprint

本文以一級(jí)圓柱齒輪減速器為例說明CDIO理念下基于項(xiàng)目的“虛—實(shí)”結(jié)合實(shí)踐教學(xué)模式實(shí)施過程。

2.4.1構(gòu)思階段

教師首先為每組同學(xué)下發(fā)圓柱齒輪減速器模型，在講解該工程實(shí)例的同時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生回憶前面所學(xué)習(xí)的制圖理論知識(shí)，特別是機(jī)件表達(dá)和零件圖、裝配圖部分的內(nèi)容。在課內(nèi)，利用多媒體課件與視頻結(jié)合，展示減速器的工作原理、零件結(jié)構(gòu)等;在課外，組織同學(xué)們實(shí)地參觀減速器制造企業(yè)，由企業(yè)指導(dǎo)教師為學(xué)生介紹減速器的相關(guān)知識(shí)。通過理論與實(shí)際、抽象與具體、學(xué)校教師與企業(yè)教師多方位結(jié)合，讓學(xué)生建立感性認(rèn)識(shí)的同時(shí)上升為理性認(rèn)識(shí)，最后變成學(xué)生所獲得的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)。

2.4.2設(shè)計(jì)階段

為了給學(xué)生創(chuàng)造良好的測繪環(huán)境，轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)測繪模式，充分利用學(xué)校的CAD/CAM實(shí)驗(yàn)室，學(xué)生在前期已具備二維CAD（如AutoCAD）與三維CAD（如SolidWorks，只會(huì)部分基本操作）繪圖能力的基礎(chǔ)上，通過教師的引導(dǎo)和答疑，自主討論學(xué)習(xí)SolidWorks復(fù)雜零件的建模、零件庫與特征庫、裝配體和工程圖等部分內(nèi)容。教師嘗試讓學(xué)生用計(jì)算機(jī)繪圖代替?zhèn)鹘y(tǒng)的手工繪圖，目的在于鍛煉學(xué)生的自主學(xué)習(xí)、自我約束能力，注重培養(yǎng)學(xué)生的個(gè)人職業(yè)技能和職業(yè)道德。在三維仿真工具的選擇上，使用Solidworks作為繪圖工具，主要考慮到以下幾方面：①易學(xué)好懂，操作簡便。學(xué)生通過鼠標(biāo)點(diǎn)擊、拖曳等簡單操作便可完成機(jī)械零件繪制，還支持右鍵菜單功能和復(fù)制、粘貼功能;②繪制規(guī)范，檢測全面。可根據(jù)設(shè)計(jì)者的需求繪制出嚴(yán)格、規(guī)范的零件，并在繪圖的各個(gè)階段進(jìn)行檢測，減低設(shè)計(jì)的失誤率;③裝配設(shè)計(jì)，生成圖紙。它們?yōu)檐浖奶厣δ埽茉谲浖h(huán)境下裝配出新的機(jī)械元件，還能由三維模型直接生成工程圖。

2.4.3實(shí)施階段

學(xué)生借助SolidWorks工具，對(duì)減速器進(jìn)行零部件的三維建模實(shí)體造型。除了減速器的部分零件（如箱蓋、箱體及透蓋等）需要學(xué)生自己建模之外，機(jī)械的常用標(biāo)準(zhǔn)件和常用件（如螺栓、墊圈、滾動(dòng)軸承、鍵及齒輪等）可利用軟件自帶的零件庫與特征庫，直接拖拽使用或進(jìn)行零件參數(shù)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)一次建模、多次使用，通過給定新參數(shù)，不斷得到新的零件模型。在整個(gè)實(shí)施過程中，零部件及裝配體的造型及設(shè)計(jì)都是基于SolidWorks平臺(tái)，這樣減少了傳統(tǒng)手畫圖紙的枯燥味，幫助學(xué)生建立對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的學(xué)習(xí)興趣，還將學(xué)習(xí)的理論知識(shí)與機(jī)械行業(yè)的生產(chǎn)設(shè)計(jì)制造實(shí)際聯(lián)系在一起，在提高該課程教學(xué)質(zhì)量的同時(shí)，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力與工程應(yīng)用能力，全面、系統(tǒng)地提高了學(xué)生的數(shù)字化設(shè)計(jì)能力。

2.4.4運(yùn)作階段

此階段，教師結(jié)合課程合理安排時(shí)間給學(xué)生進(jìn)行減速器零部件的測繪、減速器的裝配、計(jì)算機(jī)仿真模擬并生成工程圖紙。首先，按5人一組的原則自由分組，各組學(xué)生在拆卸零件后，利用游標(biāo)卡尺、千分尺、鋼尺、外卡、內(nèi)卡等工具對(duì)減速器進(jìn)行零部件的測繪，考驗(yàn)學(xué)生對(duì)常用測繪工具的使用及動(dòng)手能力、融會(huì)貫通所學(xué)知識(shí)的本領(lǐng)。其次，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行減速箱零件的實(shí)體造型與裝配體實(shí)體造型。學(xué)生在組裝裝配體的過程中，可對(duì)裝配體各零件間進(jìn)行干涉檢測與間隙檢測，以“測繪—建?！獧z測—修改”模式提高其測繪速度與質(zhì)量。最后，學(xué)生將符合要求的減速器的零部件與裝配體模型利用SolidWorks工程圖紙功能直接生成二維圖紙，與教師討論零件圖及裝配圖的表達(dá)方案，并標(biāo)注尺寸、序號(hào)，填寫明細(xì)欄與標(biāo)題欄等，進(jìn)一步完善圖紙其他內(nèi)容，或者先將SolidWorks工程圖轉(zhuǎn)換成AutoCAD的DWG格式圖，再進(jìn)行裝配圖相關(guān)內(nèi)容的完善和填補(bǔ)?！皸l條大路通羅馬”，通過這樣，既培養(yǎng)了學(xué)生的動(dòng)手能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神、交流溝通能力，又培了養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力，進(jìn)而培養(yǎng)了學(xué)生的工程意識(shí)和工程素養(yǎng)。待各項(xiàng)工作完成后，撰寫項(xiàng)目報(bào)告，制作PPT，分組進(jìn)行匯報(bào)。

2.5課程管理與考評(píng)

機(jī)械制圖測繪課的教學(xué)目的就是讓學(xué)生綜合運(yùn)用理論知識(shí)和工具解決實(shí)際問題的能力及團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，教會(huì)他們一種思維方式。在整個(gè)CDIO項(xiàng)目的實(shí)施過程中，教師一定要加強(qiáng)對(duì)項(xiàng)目的督促和指導(dǎo)，突出學(xué)生主體地位，掌控整個(gè)教學(xué)進(jìn)程，對(duì)學(xué)生在基礎(chǔ)理論知識(shí)、工程技術(shù)能力以及綜合素質(zhì)等方面進(jìn)行全面綜合考核。

在傳統(tǒng)測繪課程考核的基礎(chǔ)上，加以改進(jìn)，變單純的圖紙質(zhì)量考核為多元考核體系。具體來說，一是將目標(biāo)型評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)變?yōu)樾纬尚驮u(píng)價(jià)，注重學(xué)生在學(xué)習(xí)生活中的點(diǎn)滴表現(xiàn);二是評(píng)價(jià)主體的多樣化，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生主觀能動(dòng)性，引導(dǎo)學(xué)生自我評(píng)價(jià)、小組互評(píng)、其他科任教師評(píng)價(jià)（答辯匯報(bào)時(shí)），使對(duì)學(xué)生的評(píng)價(jià)更加科學(xué)合理、客觀、公正，測繪成績考核評(píng)價(jià)體系及權(quán)重如表1所示，自該評(píng)價(jià)體系運(yùn)行以來，收到了良好效果。

表1 機(jī)械制圖測繪成績考核評(píng)價(jià)體系及權(quán)重

3 結(jié)束語

本文探討了以機(jī)械制圖測繪課程為平臺(tái)，虛擬仿真為技術(shù)手段，貫徹工程教育理念，實(shí)施“學(xué)中做、做中學(xué)”和“基于項(xiàng)目”的基本策略，積極探索CDIO教學(xué)，建立“以學(xué)生為主體、教師為主導(dǎo)、學(xué)生間互助協(xié)作”的模式，有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，全面培養(yǎng)其綜合分析問題和解決問題的能力，提高教學(xué)質(zhì)量。積極探索基于CDIO理念的課程教學(xué)模式，能為培養(yǎng)理工類院校的高素質(zhì)應(yīng)用型工程技術(shù)人才奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]楊莉，郝育新，王建華.工程制圖測繪教學(xué)模式的研究與實(shí)踐[J].圖學(xué)學(xué)報(bào)，2013，34（1）：116-119.

[2]楊薇，張京英，張輝，等.機(jī)械制圖三結(jié)合實(shí)踐教學(xué)模式的探索[J].圖學(xué)學(xué)報(bào)，2014，35（1）：127-130.

[3]王定保，朱春熙，常家東.基于CDIO理念構(gòu)建機(jī)械制圖課程與其他專業(yè)基礎(chǔ)課程培養(yǎng)模式的探索與實(shí)踐[J].洛陽理工學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012，22（3）：94-96.

[4]王偉冰，張東梅，李玉菊，等.基于CDIO理念的新機(jī)械制圖教學(xué)模式研究[J].長春理工大學(xué)學(xué)報(bào)（社會(huì)科學(xué)版），2010，23（1）：171-172.

[5]李明新.信息技術(shù)下應(yīng)用SolidWorks軟件輔助《機(jī)械制圖》課程教學(xué)[J].煤炭技術(shù)，2013，32（2）：238-240.

[6]郭長虹，馬筱聰，李大龍，等.構(gòu)建基于“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”和CDIO的工程圖學(xué)教學(xué)體系[J].圖學(xué)學(xué)報(bào)，2014，35（1）：121-126.endprint