基于CDIO的《3D工程設(shè)計(jì)》課程教學(xué)改革探討

李玉勝 董小娟 王洪泉 董保香

摘 要 分析了傳統(tǒng)的《3D工程設(shè)計(jì)》教學(xué)現(xiàn)狀，針對(duì)教學(xué)過程中存在的問題，將CDIO理念貫徹到教學(xué)過程中，實(shí)現(xiàn)了授課內(nèi)容與專業(yè)課知識(shí)相結(jié)合、與工程實(shí)踐及實(shí)訓(xùn)相結(jié)合、符合考核方式等多項(xiàng)教學(xué)改革，經(jīng)過多年的教學(xué)實(shí)施，實(shí)踐證明該教學(xué)改革效果顯著。

關(guān)鍵詞 CDIO 3D工程設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：G642文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0引言

CDIO即構(gòu)思-設(shè)計(jì)-實(shí)現(xiàn)-運(yùn)行，是由麻省理工學(xué)院、瑞典查爾斯技術(shù)學(xué)院、瑞典皇家工學(xué)院和瑞典林克平大學(xué)等國(guó)際知名高校，經(jīng)過四年的探索研究創(chuàng)立而形成的一種新型的國(guó)際工程教育模式。相較于傳統(tǒng)教學(xué)模式，CDIO更加注重對(duì)學(xué)生能力的培養(yǎng)，其能力評(píng)價(jià)指標(biāo)包括基礎(chǔ)能力、綜合能力、應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力。目前三維技術(shù)的成熟發(fā)展已經(jīng)成為現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法中不可或缺的重要組成部分，對(duì)于本科生畢業(yè)后走向工作崗位有重要意義。針對(duì)《3D工程設(shè)計(jì)》課程，基礎(chǔ)能力是指學(xué)生對(duì)軟件基本命令的掌握，能夠建立一般三維模型;綜合能力是在畫圖過程中，對(duì)圖紙的理解，分析建模方法，形成建模思路，最后建立所需三維模型;應(yīng)用能力是將三維軟件與工程實(shí)際或者所學(xué)理論應(yīng)用結(jié)合起來，例如用三維軟件解決實(shí)際的產(chǎn)品設(shè)計(jì);創(chuàng)新能力是在軟件的支撐下對(duì)機(jī)電產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)等。迄今為止CDIO已經(jīng)實(shí)施多年，我們以這四種能力為導(dǎo)向進(jìn)行課程教學(xué)改革，解決了傳統(tǒng)課程教學(xué)存在的弊端和缺點(diǎn)，結(jié)合工程實(shí)際，融合其他專業(yè)課，形成“應(yīng)用驅(qū)動(dòng)，項(xiàng)目為載體，實(shí)踐相結(jié)合，專業(yè)課程融合”的一體化教學(xué)模式，培養(yǎng)學(xué)生的應(yīng)用實(shí)踐能力，知識(shí)融合能力，產(chǎn)品創(chuàng)新能力，符合我校著力培養(yǎng)“基礎(chǔ)厚、能力強(qiáng)、素質(zhì)高、具有創(chuàng)新精神的應(yīng)用型高級(jí)專門人才”的目標(biāo)。

1教學(xué)現(xiàn)狀分析

《3D工程設(shè)計(jì)》是我校機(jī)械工程學(xué)院機(jī)械電子工程專業(yè)、機(jī)械制造與自動(dòng)化專業(yè)、機(jī)械設(shè)計(jì)專業(yè)的必修課，也是農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院的機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化、農(nóng)業(yè)機(jī)械化及其自動(dòng)化專業(yè)必修課，是工程實(shí)訓(xùn)中心CDIO培訓(xùn)、國(guó)家骨干教師培訓(xùn)、中職培訓(xùn)等核心課程。傳統(tǒng)的《3D工程設(shè)計(jì)》主要上課方式大多是采用講解命令+案例+練習(xí)+交流的方式，這種方式主要著重于本課程的學(xué)習(xí)，缺少和專業(yè)課程的銜接之間知識(shí)的交互融合，缺少對(duì)CDIO這種理論實(shí)踐相結(jié)合模式的支持，學(xué)生能夠掌握孤立的命令和中低難度模型的建立，對(duì)于實(shí)際產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程、對(duì)于機(jī)電一體化產(chǎn)品設(shè)計(jì)知識(shí)點(diǎn)以及與各專業(yè)課之間的融合涉及較少，學(xué)生無法掌握產(chǎn)品真正的設(shè)計(jì)流程。這種教學(xué)過程中采用教師知識(shí)傳授為主、學(xué)生被動(dòng)接受的方式，使得學(xué)生主動(dòng)性學(xué)習(xí)不高，淡化了學(xué)生實(shí)際能力的培養(yǎng)和訓(xùn)練。同時(shí)在對(duì)企業(yè)所做的調(diào)查中，不少企業(yè)埋怨“高校的畢業(yè)生花拳繡腿，設(shè)計(jì)出來的東西不切實(shí)際，如結(jié)構(gòu)不合理等等”。

在機(jī)電專業(yè)CDIO執(zhí)行過程中，發(fā)現(xiàn)《3D工程設(shè)計(jì)》與高等數(shù)學(xué)、理論力學(xué)、材料力學(xué)、機(jī)械原理、金屬工藝學(xué)、機(jī)械制圖測(cè)繪、畫法幾何與工程制圖、機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用、網(wǎng)絡(luò)協(xié)同設(shè)計(jì)與制造技術(shù)、先進(jìn)制造技術(shù)、智能工程與專家系統(tǒng)、自動(dòng)化制造系統(tǒng)、數(shù)控技術(shù)、機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì)、機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)、數(shù)控技術(shù)、機(jī)電系統(tǒng)仿真技術(shù)、工業(yè)設(shè)備及自動(dòng)化、沖壓工藝及模具等相關(guān)課程都有知識(shí)上的關(guān)聯(lián)，3D工程設(shè)計(jì)不僅僅是畫圖，而是各種專業(yè)知識(shí)的三維表現(xiàn)。學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中，能很好的掌握本門課的知識(shí)，但課程之間的關(guān)聯(lián)性理解不夠深入，學(xué)習(xí)的結(jié)果是獲得了多種孤立的專業(yè)知識(shí)，對(duì)于如何用所學(xué)知識(shí)設(shè)計(jì)出一定功能的產(chǎn)品沒有概念，也不了解自己所學(xué)知識(shí)在整個(gè)產(chǎn)品系統(tǒng)中的地位，導(dǎo)致只見樹木不見森林的現(xiàn)象。

2教學(xué)改革

2.1《3D工程設(shè)計(jì)》與其他專業(yè)課知識(shí)融合

通過《3D工程設(shè)計(jì)》與其他專業(yè)課之間的交互融合，使學(xué)生對(duì)于專業(yè)知識(shí)和軟件都有了更深入的理解，更加深入的理解所學(xué)專業(yè)知識(shí);反過來，對(duì)專業(yè)知識(shí)的深入認(rèn)識(shí)，更進(jìn)一步發(fā)揮了軟件的功能。例如在授課時(shí)，把學(xué)生用AutoCAD繪制的《機(jī)械制圖》課程的圖形，導(dǎo)入到軟件，然后利用對(duì)實(shí)體操作的平移、旋轉(zhuǎn)、拉伸、布爾運(yùn)算等命令獲得實(shí)體，在此過程中，同學(xué)們不僅僅對(duì)軟件的命令更熟悉，而且對(duì)《機(jī)械制圖》的各種視圖的制作及標(biāo)準(zhǔn)，有了更深的認(rèn)識(shí)。例如用3D軟件的表達(dá)式生成規(guī)律曲線，結(jié)合高等數(shù)學(xué)的公式，把描述曲線、曲面的公式等，用3D軟件以三維模型或者曲線曲面的的狀態(tài)顯示出來，這不僅僅熟悉了軟件中插入公式曲線等相關(guān)命令，而且讓同學(xué)們對(duì)《高等數(shù)學(xué)》有了更加形象的認(rèn)識(shí)。

同時(shí)我們布置了與專業(yè)課程相關(guān)的作業(yè)，例如用3D軟件（UGNX、SolidWorks…）中任意模塊或者任意命令，結(jié)合自己所學(xué)任何課程中的例題、練習(xí)題或課后題，可以是一完整的問題，也可以是問題中的一部分。給出兩種解答方法：一種是該課程的解答方法，第二種是采用3D軟件的解答方法。然后對(duì)比這兩種求解方法，寫出心得體會(huì)。以下是某同學(xué)的作業(yè)：（1）問題來源：機(jī)械電子工程2013級(jí)《理論力學(xué)（A）》，課程代碼B12004，教材《理論力學(xué)》第六版，哈爾濱工業(yè)大學(xué)理論教研室編，高等教育出版社，第211頁例9-10;（2）問題描述：在橢圓規(guī)的機(jī)構(gòu)中，曲柄OD以勻速度W繞O軸轉(zhuǎn)動(dòng)...求AD的角加速度和點(diǎn)A的加速度;（3）應(yīng)用《理論力學(xué)》知識(shí)解答……;（4）應(yīng)用UG軟件求解……;（5）對(duì)比兩種方法的優(yōu)缺點(diǎn)：用理論力學(xué)知識(shí)求解精度高，而用UG仿真求的為近似解，但是用仿真優(yōu)勢(shì)明顯，比如使用UG可以直接生成整個(gè)運(yùn)動(dòng)周期的所有點(diǎn)的速度、加速度、位移等數(shù)據(jù)及曲線;這是使用手工運(yùn)算無法達(dá)到的，而且使用軟件效果更好，速度更快，更加靈活多變;（6）自己的心得體會(huì)：掌握一門軟件很重要！當(dāng)我們能深入的了解掌握一門軟件時(shí)，我們便能靈活運(yùn)用這門軟件，這時(shí)，我們就會(huì)發(fā)現(xiàn)所學(xué)的知識(shí)原來還有更好的解算方案，這對(duì)以后的應(yīng)用很有好處，而通過此次作業(yè)我對(duì)UG軟件又有了更加深入的了解和掌握，對(duì)命令的運(yùn)用更加自如，學(xué)到了很多的新知識(shí)，開闊了視野，同時(shí)也回顧了已經(jīng)學(xué)過《理論力學(xué)》的知識(shí)，對(duì)這些知識(shí)有了更深入的理解，對(duì)此我很高興！

2.2《3D工程設(shè)計(jì)》與工程實(shí)踐相結(jié)合

學(xué)生學(xué)完基本模塊，具備基本三維建模能力后，采用企業(yè)實(shí)際案例教學(xué)，如常見的減速器、山東貝特爾車輪有限公司的輪轂、山東飛馬索道纜車有限公司的索道運(yùn)載工具等，采用實(shí)際產(chǎn)品圖紙作為教學(xué)案例。對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)非常感興趣的同學(xué)，還可依托教師的科研課題項(xiàng)目，直接參與企業(yè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)研發(fā)中，并把該設(shè)計(jì)當(dāng)做后續(xù)的畢業(yè)設(shè)計(jì)，在此后一年多的時(shí)間中，進(jìn)行持續(xù)的改進(jìn)設(shè)計(jì)圖紙，最終投入生產(chǎn)中。例如機(jī)電2012級(jí)四位同學(xué)設(shè)計(jì)參與山東飛馬索道纜車設(shè)備有限公司的二人吊籃設(shè)計(jì)，通過了國(guó)家客運(yùn)架空索道安全監(jiān)督檢驗(yàn)中心（國(guó)內(nèi)唯一獲得國(guó)家質(zhì)檢總局全部客運(yùn)索道項(xiàng)目核準(zhǔn)，負(fù)責(zé)全國(guó)范圍客運(yùn)索道所有類別檢驗(yàn)與技術(shù)服務(wù)的國(guó)家級(jí)綜合檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)）的文件審查鑒定與50萬次的型式試驗(yàn)，最終投入生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，目前首批產(chǎn)品在廣東云門山景區(qū)客運(yùn)索道運(yùn)行良好。其畢業(yè)論文《FM-2M吊籃結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析》被評(píng)為校級(jí)優(yōu)秀論文。學(xué)生在參與工程實(shí)踐過程中有深刻體會(huì)，感慨到終于知道所學(xué)知識(shí)的用處了。通過本課程與企業(yè)實(shí)際產(chǎn)品的相結(jié)合，以企業(yè)實(shí)際需求為導(dǎo)向，采用項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)法，復(fù)現(xiàn)軟件和專業(yè)知識(shí)在企業(yè)中的實(shí)際的產(chǎn)品設(shè)計(jì)工藝生產(chǎn)的應(yīng)用，讓學(xué)生體會(huì)了如何用軟件和專業(yè)知識(shí)解決企業(yè)實(shí)際問題。

2.3《3D工程設(shè)計(jì)》與實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)的融合

我們機(jī)械電子工程專業(yè)建設(shè)了“CDIO機(jī)器人測(cè)繪與設(shè)計(jì)”和“CDIO機(jī)器人控制與檢測(cè)”兩個(gè)校內(nèi)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，《3D工程設(shè)計(jì)》課程后期的學(xué)習(xí)與“CDIO機(jī)器人測(cè)繪與設(shè)計(jì)”相結(jié)合，在學(xué)習(xí)軟件的過程中，也順便提前了解測(cè)繪的相關(guān)知識(shí)，提前掌握測(cè)繪相關(guān)的命令方法和流程，同樣在后續(xù)的測(cè)繪過程中，反過來更加深入的掌握所學(xué)軟件。通過以機(jī)器人測(cè)繪設(shè)計(jì)為主線，把所涉及到的專業(yè)知識(shí)、軟件工具融合在一起，實(shí)現(xiàn)構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)和運(yùn)作整個(gè)過程，讓學(xué)生在走出校門前就切實(shí)的體會(huì)到企業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)的流程，以及軟件專業(yè)知識(shí)對(duì)企業(yè)的幫助，使學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)的目的更加明確。

2.4《3D工程色合計(jì)》考試方式改革

按照工程教育認(rèn)證的思想，最后的成績(jī)分兩方面確定，平時(shí)成績(jī)占總成績(jī)的40%，最后的考試成績(jī)占總成績(jī)的60%?；A(chǔ)性知識(shí)采用題庫(kù)考，專業(yè)性知識(shí)用論文、大作業(yè)等形式來考查，使得學(xué)生對(duì)知識(shí)的把握得到全面的推動(dòng)和深入。我院從2011年開始與“北京菁華銳航科技有限公司”合作，基礎(chǔ)性知識(shí)的考核是采用該公司提供的相應(yīng)軟件的原廠認(rèn)證考試題庫(kù)，例如UG考試是采用西門子UG原廠認(rèn)證考試試題，分?jǐn)?shù)超過認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)分?jǐn)?shù)后，學(xué)生可自主決定是否要UG原廠認(rèn)證證書。這樣學(xué)生在學(xué)習(xí)課程的過程中，不僅僅掌握了軟件，而且還順便獲得證書，節(jié)約了時(shí)間，節(jié)約了培訓(xùn)費(fèi)用，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，也減輕了老師出試卷的工作量。

3教學(xué)效果與總結(jié)

從出勤率來看，在不點(diǎn)名的前提下，出勤率有明顯提高，同時(shí)學(xué)習(xí)認(rèn)真程度有不小的提高，課后作業(yè)積極性變強(qiáng)，提高了最終考試成績(jī)?！?D工程設(shè)計(jì)》與專業(yè)課程的結(jié)合，用軟件的強(qiáng)大功能解決專業(yè)課程中所提到的問題，以及軟件、理論解決方法之間的比較。通過知識(shí)的反復(fù)應(yīng)用，使學(xué)生對(duì)各門課的知識(shí)達(dá)到融合的狀態(tài)，促進(jìn)了學(xué)生對(duì)課程的深入理解與交互融合，許多學(xué)生恍然大悟，終于明白各門專業(yè)課知識(shí)的脈絡(luò)關(guān)系了?！?D工程設(shè)計(jì)》課程與社會(huì)實(shí)踐相結(jié)合，使學(xué)生切身體會(huì)到知識(shí)的用處，體會(huì)到自己的價(jià)值所在，對(duì)學(xué)習(xí)目標(biāo)有了明確理解?？傊畬DIO理念貫徹到教學(xué)中，經(jīng)過多年的實(shí)施，獲得了良好的效果。

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