構(gòu)建基于CDIO的三維設(shè)計圖學(xué)精品課程體系

郭長虹+權(quán)凌霄+董志奎+馬筱聰

摘要：結(jié)合燕山大學(xué)實施“卓越工程師培養(yǎng)計劃”和基于CDIO的教學(xué)改革實踐，提出基于CDIO模式的設(shè)計圖學(xué)教學(xué)體系和考核模式的構(gòu)建原則等。實踐證明，該教學(xué)體系對于學(xué)生想象思維、創(chuàng)新能力以及三維設(shè)計造型能力的提高十分有效。

關(guān)鍵詞：計算機三維設(shè)計；工程圖學(xué)；設(shè)計圖學(xué)；CDIO教育模式

中圖分類號：G642.3 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）13-0127-02

一、引言

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，先進的三維設(shè)計制造技術(shù)正迅猛取代落后的二維設(shè)計制造技術(shù)，成為現(xiàn)今機械設(shè)計的主流。三維設(shè)計便捷直觀，可構(gòu)造二維圖樣難以表達清楚的復(fù)雜造型，實現(xiàn)產(chǎn)品預(yù)裝配、運動仿真、干涉檢查、工程分析等，實現(xiàn)CAD/CAE/CAM/CAPP集成一體化設(shè)計。基于此，教育部工程圖學(xué)教學(xué)指導(dǎo)委員會重新修訂了工程圖學(xué)教學(xué)要求，增加了培養(yǎng)創(chuàng)造性構(gòu)型設(shè)計能力及三維造型設(shè)計能力的培養(yǎng)。為了培養(yǎng)出企業(yè)亟需的三維設(shè)計人才，我們于2013年9月增設(shè)了三維設(shè)計圖學(xué)選修課，采用CDIO教育模式，產(chǎn)業(yè)企業(yè)深度參與，按照企業(yè)需求培養(yǎng)人才，教學(xué)內(nèi)容與產(chǎn)業(yè)發(fā)展同步更新，構(gòu)建了具有CDIO特色的三維設(shè)計圖學(xué)課程體系，深化培養(yǎng)了三維設(shè)計能力，促進了我校設(shè)計圖學(xué)精品課程建設(shè)，體現(xiàn)了設(shè)計圖學(xué)的先進性和時代感。

CDIO培養(yǎng)模式是產(chǎn)業(yè)深度參與并且教學(xué)內(nèi)容和培養(yǎng)目標與之同步更新的工程教育模式。有些公司特地為CDIO模式培養(yǎng)出來的畢業(yè)生制定了高于其他模式培養(yǎng)的畢業(yè)生15%的工資標準，表明產(chǎn)業(yè)界對CDIO教育模式的肯定。CDIO的含義是：C（Conceive）構(gòu)思，D（Design）設(shè)計，I（Implement）執(zhí)行，O（Operate）運作。CDIO的培養(yǎng)模式，是在產(chǎn)品的設(shè)計研發(fā)開始，到產(chǎn)品投入運行為止的產(chǎn)品整個生命周期內(nèi)，讓學(xué)生系統(tǒng)的、實踐的、主動的、課程間有機聯(lián)系的學(xué)習(xí)整個產(chǎn)品設(shè)計過程。CDIO教育模式的培養(yǎng)標準的制定重點滿足工業(yè)界需求，要求培養(yǎng)學(xué)生合格的工程實踐能力，教學(xué)內(nèi)容中的工程知識不斷更新，及時聽取產(chǎn)業(yè)界反饋信息，不斷補充完善教育教學(xué)。國內(nèi)目前已有57所大學(xué)開展了CDIO改革試點實踐，燕山大學(xué)機械學(xué)院是教育部CDIO工程教育模式機械類組牽頭單位。

二、基于CDIO的三維設(shè)計圖學(xué)精品課程體系的構(gòu)建

1.構(gòu)建原則。三維設(shè)計圖學(xué)課程體系應(yīng)以先進的三維設(shè)計軟件Creo Paramatric 2.0（Pro/E最新版，簡寫為Creo）為手段，用三維設(shè)計的理念講授圖學(xué)，來表達設(shè)計思維，將機械設(shè)計、工程制圖、設(shè)計學(xué)、計算機圖學(xué)融為一體，以培養(yǎng)學(xué)生工程圖樣表達能力、產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計能力和創(chuàng)新設(shè)計能力為培養(yǎng)目標，構(gòu)建了機械設(shè)計、零件設(shè)計、工程圖學(xué)和計算機三維繪圖高度統(tǒng)一的綜合類課程——設(shè)計圖學(xué)，從而變革圖學(xué)教育思想、理論和體系，使工程圖學(xué)教育步入一個全新的領(lǐng)域，開啟了我校設(shè)計圖學(xué)課程的建設(shè)。

2.結(jié)合典型企業(yè)項實例，實施項目式教學(xué)，創(chuàng)建CDIO特色的實踐教學(xué)體系。CDIO教育模式全面囊括了現(xiàn)代企業(yè)工程師所需的知識、技能、能力及素質(zhì)等完整內(nèi)容，倡導(dǎo)學(xué)生以積極的、實踐的、主動的、多門課程之間有機聯(lián)系的方式學(xué)習(xí)工程，著重培養(yǎng)學(xué)生的現(xiàn)代工程設(shè)計和生產(chǎn)技能，強調(diào)學(xué)生的工程實踐能力和創(chuàng)新能力。CDIO教學(xué)模式的核心內(nèi)容是教師實施“基于項目教學(xué)”、指導(dǎo)學(xué)生在“做中學(xué)”。教師采取“項目式”教學(xué)方法，結(jié)合典型工程實例進行講解，全面引入實踐教學(xué)，將典型創(chuàng)新科研項目篩選歸類、合理簡化，將其恰如其分的引入圖學(xué)教學(xué)實踐中，創(chuàng)建一套具有創(chuàng)新性、綜合性的設(shè)計圖學(xué)系列實踐，為學(xué)生搭建一個動手、動腦和創(chuàng)新設(shè)計的空間，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性思維能力。三維設(shè)計圖學(xué)的課時安排是每講授2個學(xué)時三維設(shè)計知識，安排2學(xué)時的設(shè)計與創(chuàng)新實踐，體現(xiàn)“學(xué)以致用”。實踐證明，這一做法可極大地激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和好奇心。

本課程的實踐項目的構(gòu)建如下：①構(gòu)建能夠培養(yǎng)工程性三維設(shè)計能力的實踐。三維設(shè)計圖學(xué)課程精心設(shè)置了大量的自下而上的企業(yè)設(shè)計案例和簡化了教師們的一些科研項目作為實踐案例，比如銑刀頭、機床尾座、柱塞泵、減速器箱體等等，要求學(xué)生們結(jié)組測繪零部件草圖、設(shè)計零部件并完成裝配、運動仿真和干涉檢驗，設(shè)計合理后，出裝配圖和各個零件圖。②構(gòu)建能夠培養(yǎng)工程實用性三維設(shè)計能力的實踐。應(yīng)用計算機三維軟件進行設(shè)計有兩種方法，一種是自上而下的設(shè)計，即先完成相關(guān)的裝配，然后在具體裝配設(shè)計中完成某個零件的設(shè)計。自上而下的設(shè)計要求設(shè)計師頭腦中先設(shè)計產(chǎn)生的是裝配體，然后才詳細設(shè)計每個零件。題目有多功能晾衣架、米桶的設(shè)計等等，學(xué)生根據(jù)教師給定的制品圖及要求，完成二維工程圖，在設(shè)計過程中，要求學(xué)生綜合考慮產(chǎn)品的諸多要素，如生產(chǎn)成本、物流成本、產(chǎn)品物料性能、模具結(jié)構(gòu)、工藝條件等，才能使所設(shè)計的產(chǎn)品更為經(jīng)濟合理，這是設(shè)計的最基本內(nèi)涵，這些設(shè)計要求在二維設(shè)計中是無法做到的。③構(gòu)建能夠培養(yǎng)創(chuàng)新性三維設(shè)計能力的實踐。為了培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維，更好地挖掘?qū)W生的設(shè)計潛能，布置學(xué)生完成個性化的產(chǎn)品設(shè)計，設(shè)計出了諸如自行車、新型節(jié)能汽車、鼠標等產(chǎn)品。通過不同的設(shè)計實踐，加深了學(xué)生對何為設(shè)計、怎么設(shè)計的理解，培養(yǎng)了學(xué)生的工程創(chuàng)新能力，開闊學(xué)生的設(shè)計視野，培養(yǎng)三維設(shè)計的能力和興趣，使學(xué)生能在做中學(xué)會思考，體會設(shè)計帶來的成就和樂趣，為學(xué)生的表達、設(shè)計和創(chuàng)新能力奠定基礎(chǔ)。

3.建立CDIO特色的考核體系以考核企業(yè)需求的職業(yè)技能，充分體現(xiàn)學(xué)以致用。為了能夠全面、客觀、公正地評價學(xué)生的工程能力和綜合素質(zhì)，最關(guān)鍵的是要建立一套科學(xué)完整的考核與評價指標體系。因此在設(shè)計圖學(xué)的課程考核方法中，適當加強了對工程素養(yǎng)和工程設(shè)計能力和工程實踐能力的考核。設(shè)計圖學(xué)課程考核分有兩個部分，課程考核的第一部分為側(cè)重考核能力的平時成績，平時成績包含課程中的主要實踐環(huán)節(jié)、產(chǎn)品創(chuàng)新構(gòu)型設(shè)計、零件測繪建模、產(chǎn)品工程圖樣的最佳表達方案、裝配體的最佳表達與運動仿真等實踐測試環(huán)節(jié)，共占總成績的60%；，課程考核的第二部分是考核綜合素質(zhì)的上機考試，共占總成績的40%。endprint

4.課堂上增加討論環(huán)節(jié)，加強學(xué)生分析和解決問題等現(xiàn)代職業(yè)素質(zhì)的培養(yǎng)。為了提高學(xué)生分析和解決問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計創(chuàng)新能力，加深學(xué)生對工程問題的理解，在設(shè)計圖學(xué)課程體系中增加了幾次課堂討論環(huán)節(jié)，要求學(xué)生們分為幾個小組，討論產(chǎn)品研發(fā)和設(shè)計方案，選出最佳設(shè)計方案，設(shè)計出具有個性化的產(chǎn)品，每組代表講解設(shè)計流程和展示設(shè)計圖樣，并提交出三維產(chǎn)品設(shè)計造型和二維工程圖樣。通過項目討論和交流，實現(xiàn)經(jīng)驗分享，拓展視野，探討不足之處及改進措施等，有效提高了學(xué)生參與設(shè)計的積極性，也訓(xùn)練了學(xué)生的綜合設(shè)計能力、創(chuàng)新思維和溝通協(xié)調(diào)等能力。

5.加強教學(xué)團隊建設(shè)，實施交叉授課，提升圖學(xué)教師的綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力。實施CDIO培養(yǎng)模式也對教師們提出了很高的要求，要求教師們具備豐富的企業(yè)工程經(jīng)驗，與企業(yè)密切合作，承擔相關(guān)的課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計等實踐教學(xué)工作。設(shè)計圖學(xué)課程以三維設(shè)計為主線，搭建了設(shè)計圖學(xué)課程與工程圖學(xué)、機械設(shè)計、零件設(shè)計、機械制造基礎(chǔ)、機械制造工藝學(xué)等等相關(guān)課程之間有機聯(lián)系的橋梁，實現(xiàn)了與這些課程之間的縱向貫通，促進了學(xué)科基礎(chǔ)知識與專業(yè)知識之間的有機結(jié)合和相互滲透，使工程圖學(xué)課程得到后續(xù)拓展和有效延伸，形成了臺階式的教學(xué)模式。國內(nèi)外多所大學(xué)的實踐證明，這種模式使學(xué)生工程圖樣的表達能力得以分階段逐步提高。

三、結(jié)論和建議

基于Creo Parametric的三維設(shè)計圖學(xué)的教學(xué)改革已經(jīng)進行了兩年，CDIO特色的課程體系與考核體系，取得了較好的成效，尤其是在當今企業(yè)所需的工程技能的培養(yǎng)方面起到了很大的作用，有利于提高學(xué)生工程能力和創(chuàng)新能力，復(fù)合企業(yè)界對人才的培養(yǎng)需求。

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