基于翻轉(zhuǎn)課堂的“計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)+3D 打印”混合式教學(xué)改革

●張清珠 李 兵 魏玉蘭 張 梁 楊 帆 徐云杰

一、引言

《計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)》是機(jī)械類相關(guān)專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課程，共64 個(gè)學(xué)時(shí)，4 學(xué)分，是課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)、各類競賽以及畢業(yè)后工作中使用最多的一門課程?！队?jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)》中的AutoCAD和SolidWorks 是側(cè)重應(yīng)用的工程軟件，在實(shí)際應(yīng)用中除了會(huì)畫圖之外，更多的是要掌握機(jī)械設(shè)計(jì)的專業(yè)知識(shí)，如幾何公差和形位公差的給定、零件的經(jīng)濟(jì)性和可加工性等，這正是一個(gè)優(yōu)秀工程師應(yīng)具備的專業(yè)素質(zhì)。但以往很多學(xué)生在學(xué)習(xí)這門課中，一直將二者相互獨(dú)立的學(xué)習(xí)，忽略了二者相輔相成的意義，并且由于課程課時(shí)有限，學(xué)生在課程中僅僅是學(xué)會(huì)了AutoCAD 和SolidWorks 的基本命令和特征的使用，忽略了軟件與專業(yè)的聯(lián)系性，從而使得在面對實(shí)際問題時(shí)，如機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)類競賽或畢業(yè)設(shè)計(jì)時(shí)束手無策。因此，《計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)》課程的改革勢在必行。

二、教學(xué)改革理論基礎(chǔ)

2016年6月24日教育部發(fā)布了《教育信息化“十三五”規(guī)劃》，提出到2020年，基本建成“人人皆學(xué)、處處能學(xué)、時(shí)時(shí)可學(xué)”與國家教育現(xiàn)代化發(fā)展目標(biāo)相適應(yīng)的教育信息化體系；基本實(shí)現(xiàn)教育信息化對學(xué)生全面發(fā)展的促進(jìn)作用、對深化教育領(lǐng)域綜合改革的支撐作用和對教育創(chuàng)新發(fā)展、均衡發(fā)展、優(yōu)質(zhì)發(fā)展的提升作用；基本形成具有國際先進(jìn)水平、信息技術(shù)與教育融合創(chuàng)新發(fā)展的中國特色教育信息化發(fā)展路子。

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)達(dá)，翻轉(zhuǎn)課堂、MOCC、SPOC、微課、混合式教學(xué)等新的教學(xué)模式在不斷推動(dòng)著教育教學(xué)手段的改革，伴隨而來的是各種APP 軟件的開發(fā)應(yīng)用，如清華雨課堂、藍(lán)墨云班課、超星學(xué)習(xí)通、課堂派等，經(jīng)各大高校的實(shí)踐反映出良好的教學(xué)效果。其中，微課教學(xué)是一種新型的教育信息資源形式，時(shí)長一般在10 分鐘以內(nèi)，具有明確的教學(xué)目標(biāo)，可以利用手機(jī)、PAD、電腦等移動(dòng)終端隨時(shí)隨地，不受時(shí)間地點(diǎn)的限制進(jìn)行交流學(xué)習(xí)，可用于在線教學(xué)、混合式教學(xué)、遠(yuǎn)程教學(xué)等，實(shí)現(xiàn)學(xué)生的個(gè)性化需求，被越來越多的師生接受。但微課教學(xué)不能完全替代教師的課堂教學(xué)，如果缺乏了教師的參與，學(xué)習(xí)效果并不像預(yù)期的那么理想，Blending Learning(混合式學(xué)習(xí)或混合式教學(xué))的概念應(yīng)運(yùn)而生，混合式教學(xué)模式既發(fā)揮教師在教學(xué)過程中引導(dǎo)、啟發(fā)、監(jiān)控教學(xué)過程的主導(dǎo)作用，又適當(dāng)以網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)方式提高學(xué)生學(xué)習(xí)過程的靈活性、主動(dòng)性，把傳統(tǒng)學(xué)習(xí)方式的優(yōu)勢和現(xiàn)代教育技術(shù)的優(yōu)勢有機(jī)相結(jié)合。

因此本課程采用基于翻轉(zhuǎn)課堂的混合式教學(xué)方法，通過在浙江省線上平臺(tái)建設(shè)在線課程，將AutoCAD 和SolidWorks 有機(jī)結(jié)合起來，并行、循環(huán)學(xué)習(xí)，將所有知識(shí)點(diǎn)按照任務(wù)驅(qū)動(dòng)的模式進(jìn)行課程的分解，將其中一部分知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行視頻錄制，基于網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)建立完整的課程教學(xué)視頻、學(xué)習(xí)資料、課件庫和習(xí)題庫，安排學(xué)生利用課下時(shí)間自學(xué)知識(shí)點(diǎn)，并做同步測試練習(xí)，參與討論；課上則對學(xué)生自學(xué)過程中遇到的問題進(jìn)行解答，然后引入一些機(jī)械設(shè)計(jì)競賽案例、企業(yè)項(xiàng)目案例，鼓勵(lì)學(xué)生開動(dòng)腦筋，培養(yǎng)創(chuàng)新思維，綜合課程所學(xué)知識(shí)自己尋求解決方法，將所學(xué)知識(shí)進(jìn)行強(qiáng)化、提升。一方面解決了課時(shí)有限，無法全面講授課程內(nèi)容的不足，另一方面，使學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中變被動(dòng)為主動(dòng)，在機(jī)械工程實(shí)踐當(dāng)中掌握AutoCAD 和SolidWorks 的操作方法和技巧的同時(shí)，將所學(xué)課程融會(huì)貫通，學(xué)以致用，使教與學(xué)的有效性得到最大限度的發(fā)揮。

三、課程改革實(shí)施方案

（一）課程改革思路

圖1 教學(xué)改革思路——并行、循環(huán)學(xué)習(xí)

圖2 課程建設(shè)設(shè)計(jì)思路

本課程的教學(xué)改革思路如圖1 所示中，將AutoCAD 和SolidWorks 并行、循環(huán)學(xué)習(xí)，并在其中巧妙的融入機(jī)械設(shè)計(jì)、工程設(shè)計(jì)應(yīng)用案例，同時(shí)穿插《機(jī)械制圖》《互換性》《機(jī)械設(shè)計(jì)》《機(jī)械原理》《制造工藝》《理論力學(xué)》等課程的內(nèi)容，使學(xué)生在機(jī)械工程實(shí)踐當(dāng)中掌握AutoCAD 和SolidWorks 的操作方法和技巧的同時(shí)，將所學(xué)課程融會(huì)貫通，學(xué)以致用。讓學(xué)生在實(shí)際使用中深刻體會(huì)到二者的共同點(diǎn)和各自優(yōu)勢，并學(xué)會(huì)在實(shí)際工作中如何選擇使用它們。

課程建設(shè)設(shè)計(jì)思路如圖2 所示。每個(gè)知識(shí)點(diǎn)均通過機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)例演繹，最開始學(xué)習(xí)課程的實(shí)例來自《計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)》的前序課程《畫法幾何與工程制圖》或生活中常見的、簡單的機(jī)械零件，這樣學(xué)生在課程之初不會(huì)產(chǎn)生畏懼感，并在實(shí)例操作過程中牢固的掌握軟件的基本功能。待學(xué)生掌握了各個(gè)知識(shí)點(diǎn)后，通過機(jī)械設(shè)計(jì)中典型減速器零部件（如軸類零件、盤蓋類零件、箱體類零件、叉架類零件、減速器）圖形的繪制，講解幾何尺寸、形位公差和尺寸公差、表面粗糙度的標(biāo)注、技術(shù)要求、傳動(dòng)件的嚙合參數(shù)表、標(biāo)題欄、明細(xì)欄的創(chuàng)建，圖塊的創(chuàng)建與插入，以及SolidWorks 如何導(dǎo)出AutoCAD 圖紙，如何打印圖形等，對學(xué)生的機(jī)械設(shè)計(jì)能力進(jìn)行最后的“淬火”處理，潛移默化地培養(yǎng)學(xué)生的機(jī)械設(shè)計(jì)能力，為今后處理工程實(shí)際案例打下夯實(shí)的基礎(chǔ)。除此之外，還引入一些企業(yè)項(xiàng)目案例、機(jī)械設(shè)計(jì)競賽案例，鼓勵(lì)學(xué)生開動(dòng)腦筋，培養(yǎng)創(chuàng)新思維，綜合課程所學(xué)知識(shí)自己尋求解決方法，進(jìn)一步鞏固強(qiáng)化所學(xué)知識(shí)。同時(shí)引入3D 打印，讓學(xué)生在使用軟件設(shè)計(jì)機(jī)械零部件的基礎(chǔ)上，通過3D 打印實(shí)驗(yàn)室，將自己所設(shè)計(jì)的零部件打印出來。讓學(xué)生系統(tǒng)了解產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方法，并通過實(shí)物的裝配來回溯設(shè)計(jì)，可以增加學(xué)生的成就感，引發(fā)學(xué)生對機(jī)械設(shè)計(jì)和制造的興趣。

（二）改革實(shí)施方案

本課程將AutoCAD 和SolidWorks 兩門軟件的所有知識(shí)點(diǎn)拆分整合成6 大項(xiàng)目，分別是軟件介紹、簡單平面圖形的繪制、復(fù)雜平面圖形的繪制及三維模型實(shí)體設(shè)計(jì)、零件圖繪制、裝配體繪制、進(jìn)階訓(xùn)練項(xiàng)目。各個(gè)項(xiàng)目對應(yīng)的任務(wù)、學(xué)時(shí)、教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)設(shè)計(jì)與方法、教學(xué)活動(dòng)如表1 所示。

表1 教學(xué)內(nèi)容安排

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（三）教學(xué)評價(jià)

本課程構(gòu)建并實(shí)施多元、過程的發(fā)展性評價(jià)體系，遵循科學(xué)性、民主性、多元性、主體性、開放性的原則，既重視結(jié)果，更重視過程，改變考試結(jié)果決定學(xué)習(xí)效果的只重結(jié)果的考核方式，改變教師主宰成績評定的唯師型評定方法。本課程采用“5+1”過程性考核和終結(jié)性考試相結(jié)合的考核評價(jià)模式?！?+1”考試模式是指平時(shí)“視頻自主學(xué)習(xí)＋課堂討論＋作業(yè)成績＋在線測驗(yàn)+在線考試”的五元模塊考核與“期末考試”相結(jié)合的考試模式，其中過程性的五元模塊考核占總成績60%，期末終結(jié)性的考試占總成績的40%。這樣的考核方式同時(shí)聚焦了學(xué)生課上和課下的學(xué)習(xí)效果。

1. 線上過程性考核成績占總成績的40%，包含以下各項(xiàng)目：（1）視頻觀看占10%。能使用本課程教學(xué)視頻進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，并開展教學(xué)互動(dòng)。根據(jù)視頻學(xué)習(xí)時(shí)間和嵌入式問題測試結(jié)果評定成績。（2）作業(yè)成績占25%。通過檢查和批閱學(xué)生作業(yè)完成情況評分。（3）測驗(yàn)成績占25%。根據(jù)各章學(xué)習(xí)結(jié)束后的在線測試成績評定。（4）考試成績占30%。根據(jù)各章學(xué)習(xí)結(jié)束后的線上考試成績評定。（5）發(fā)帖討論成績占10%。根據(jù)學(xué)生課程網(wǎng)站討論區(qū)發(fā)言討論情況、精華帖情況和分組案例討論情況進(jìn)行評價(jià)，普通帖子0.5 分一個(gè)，精華帖子1 分一個(gè)。

2.線下終結(jié)性考試成績占總成績的40%。對校內(nèi)學(xué)生，采用統(tǒng)一試卷進(jìn)行考試。

四、課程改革的優(yōu)勢

本課程采用基于翻轉(zhuǎn)課堂的混合式教學(xué)方法，通過在浙江省線上平臺(tái)建設(shè)在線課程，將AutoCAD 和SolidWorks 有機(jī)結(jié)合起來，并行、循環(huán)學(xué)習(xí)，將所有知識(shí)點(diǎn)按照任務(wù)驅(qū)動(dòng)的模式進(jìn)行課程的分解，將其中一部分知識(shí)點(diǎn)做成微課，向?qū)W生提供課程教學(xué)視頻、學(xué)習(xí)資料、課件庫和習(xí)題庫等教學(xué)資源，全面提高學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性與積極性，提高教學(xué)效果，為學(xué)生以后進(jìn)一步求學(xué)和工作后快速適應(yīng)并在工作中占有一席之地奠定理論與實(shí)踐基礎(chǔ)，同時(shí)也可為更多的機(jī)械工程從業(yè)人員提供幫助。

按照成就學(xué)生的培養(yǎng)理念，以項(xiàng)目式教學(xué)法展開教學(xué)，教學(xué)設(shè)計(jì)安排與實(shí)際工程實(shí)施路線吻合，形成了知行合一的教學(xué)特色。本課程將二維的空間想象能力和三維的創(chuàng)造和創(chuàng)新能力有機(jī)結(jié)合。將二維的簡潔、快捷和三維的形象、具體有機(jī)結(jié)合，這不僅激發(fā)了學(xué)生對機(jī)械行業(yè)產(chǎn)生濃厚的興趣，而且在兩款軟件的學(xué)習(xí)使用中，體會(huì)二者的各自優(yōu)點(diǎn)，并能夠判斷在面對一個(gè)工作時(shí)，如何選擇軟件來快速解決工程技術(shù)問題。

注重培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力和解決實(shí)際問題的能力。為提高學(xué)生整體的實(shí)踐能力，特在實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)增加了3D 打印環(huán)節(jié)，改變了原來空對空的上課模式，讓學(xué)生在使用軟件設(shè)計(jì)機(jī)械零部件的基礎(chǔ)上，通過3D 打印實(shí)驗(yàn)室，將自己所設(shè)計(jì)的零部件打印出來。讓學(xué)生系統(tǒng)了解產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方法，并通過實(shí)物的裝配來回溯設(shè)計(jì)，使實(shí)踐環(huán)節(jié)更加具體和可操作。