與專業(yè)培養(yǎng)對接的三維CAD課程改革與探索

摘 要：三維CAD技術(shù)的發(fā)展讓設(shè)計實現(xiàn)質(zhì)的飛躍，對工科院校人才培養(yǎng)的三維設(shè)計能力提出了更高的要求。為了提升學(xué)生的三維設(shè)計能力與專業(yè)化，本文分析了三維CAD課程的現(xiàn)狀，并提出了三維CAD課程內(nèi)容淺顯且與專業(yè)培養(yǎng)相脫節(jié)等亟需改變的問題，以深化課程內(nèi)容與專業(yè)化為主線，提出了系列課程的改革措施并進行了實踐探索。

關(guān)鍵詞：三維CAD;設(shè)計能力;深化課程內(nèi)容;專業(yè)化;教學(xué)改革

0 前言

隨著計算機的發(fā)展，三維設(shè)計已經(jīng)實現(xiàn)了CAD/CAM/CAE等模塊之間的無縫數(shù)據(jù)交換，支持產(chǎn)品開發(fā)的整個過程，從設(shè)計（CAD），到分析（CAE），到制造（CAM）的完整流程。三維設(shè)計不僅使模型更加直觀，提升了產(chǎn)品質(zhì)量和技術(shù)含量，也使設(shè)計效率得到極大提高。對于制圖而言，二維圖樣可由三維CAD軟件自動生成，并隨著三維模型數(shù)據(jù)的更新而更新?？梢哉f， 三維CAD技術(shù)的應(yīng)用讓設(shè)計實現(xiàn)質(zhì)的飛躍。

《中國制造2025》戰(zhàn)略目標(biāo)提出，到2025年基本實現(xiàn)工業(yè)化，中國制造業(yè)邁入制造強國行列，這將使得三維數(shù)字化設(shè)計技術(shù)逐漸成為三維設(shè)計和加工制造的核心內(nèi)容，這也意味著對工科院校人才培養(yǎng)的三維設(shè)計能力提出了更高的要求。目前企業(yè)已經(jīng)逐漸普遍使用三維軟件進行產(chǎn)品的研發(fā)設(shè)計，對技術(shù)人員的能力也提出了較高的要求。因此，掌握并熟練運用三維CAD技術(shù)是機械設(shè)計師所必需有的技術(shù)條件[1]。而作為培養(yǎng)、輸送人才就業(yè)的工科院校，仍面臨一些問題，亟需進行教學(xué)改革，構(gòu)建三維CAD課程與專業(yè)培養(yǎng)對接的教學(xué)體系，進行深入的改革以提升專業(yè)人才的三維設(shè)計能力。

1 三維CAD課程現(xiàn)狀及存在的問題

為了適應(yīng)先進設(shè)計和制造技術(shù)的發(fā)展和社會需求[2]，許多工科院校在傳統(tǒng)制圖類課程基礎(chǔ)上增設(shè)了三維CAD課程，使學(xué)生具備一定的三維設(shè)計能力。目前，國內(nèi)高校所開設(shè)的三維CAD課程大多為24～48課時，如湖南大學(xué)設(shè)計藝術(shù)學(xué)院《設(shè)計思維與三維表達》（32學(xué)時）、四川大學(xué)機械工程學(xué)院《計算機輔助工業(yè)設(shè)計》（32學(xué)時）等，且包含了教學(xué)與實踐兩個環(huán)節(jié)[3]。在相對較少的課時條件下，如何有效開展課程教學(xué)，讓學(xué)生在有限時間內(nèi)掌握三維 CAD技術(shù)，是一個非常值得研究分析的問題。與此同時，三維CAD課程相應(yīng)的教改也是百花齊放，這種表象之下仍存在幾個顯著的問題。

第一，削減了三維CAD的核心技術(shù)。一方面，將三維CAD技術(shù)應(yīng)用到制圖教學(xué)或?qū)⒐こ虉D引入到三維CAD是目前最多的教改形式，解決了學(xué)生邏輯思維能力與想象力不足的主要問題，幫助學(xué)生樹立鮮明的圖學(xué)意識[4]，但其側(cè)重于二維制圖。另一方面，大多數(shù)三維CAD課程內(nèi)容是基礎(chǔ)應(yīng)用，由于技術(shù)難度和學(xué)時等因素限制，無可厚非，但這意味著三維CAD核心技術(shù)未得到深入講解，學(xué)生大多是學(xué)到軟件的入門，學(xué)生的三維設(shè)計思維是得不到拓展的。

第二，三維CAD課程內(nèi)容在很大程度上缺乏專業(yè)特色。通過在中國大學(xué)MOOC等學(xué)習(xí)平臺檢索發(fā)現(xiàn)，三維CAD課程的授課內(nèi)容是通用的，主要集中在軟件功能命令的操作和簡單零部件的應(yīng)用，也即缺乏專業(yè)特色。大學(xué)特色某種程度上可謂是專業(yè)特色，就車輛工程專業(yè)而言，目前未見與專業(yè)相關(guān)的課程內(nèi)容和教學(xué)資源，如車身及其零部件的設(shè)計等。所以，筆者認(rèn)為三維CAD課程需要優(yōu)化授課內(nèi)容并與專業(yè)培養(yǎng)對接才是重點，教學(xué)內(nèi)容是基礎(chǔ)更是重點。

第三，三維CAD課程設(shè)置的實踐環(huán)節(jié)與專業(yè)培養(yǎng)脫節(jié)。大多數(shù)學(xué)校的課程設(shè)置會有實踐操作環(huán)節(jié)，但也存在未設(shè)置實踐環(huán)節(jié)的。在教學(xué)課程結(jié)束后進行課程設(shè)計，以此達到強化三維設(shè)計能力的目的。就實踐環(huán)節(jié)而言，仍存在一個不可忽視的問題，課程設(shè)計的內(nèi)容與專業(yè)培養(yǎng)脫節(jié)，以車輛工程專業(yè)為例，課程設(shè)計內(nèi)容是通用類的機械類部件，與“車輛結(jié)構(gòu)”幾乎毫無相關(guān)性，操作環(huán)節(jié)無非是二維、三維之間切換的設(shè)計，并未達到課程設(shè)計的目的，只是鞏固課程內(nèi)容而已。

2 三維CAD課程與專業(yè)培養(yǎng)對接改革措施與探究

2.1 優(yōu)化師資隊伍建設(shè)，引進柔性人才

師資力量不足，無法保障課程質(zhì)量，更無法培養(yǎng)學(xué)生三維設(shè)計能力和素養(yǎng)，更談不到創(chuàng)新和實踐能力。教師隊伍的建設(shè)是提高教學(xué)質(zhì)量的核心問題。與二維制圖相比，三維設(shè)計需要更多的實踐和培訓(xùn)，教師或?qū)W生用AutoCAD畫二維圖相當(dāng)熟練，但在進入三維設(shè)計時，無論從概念還是造型技巧上，對都感到相當(dāng)生疏。一方面，學(xué)校應(yīng)加大資金投入，對任課教師培訓(xùn)，使他們盡早成為“雙師型”。另一方面，結(jié)合專業(yè)特色和人才培養(yǎng)方案，加強校企合作，引進柔性人才?；诖?，教師本身也應(yīng)與時俱進拓展知識面，學(xué)習(xí)3D新理論和新技術(shù)。

2.2 課程設(shè)置與專業(yè)培養(yǎng)對接

課程建設(shè)毋庸置疑是要與專業(yè)建設(shè)相結(jié)合的，通過實踐環(huán)節(jié)，如學(xué)科競賽、課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計等形式，將三維CAD課程與專業(yè)培養(yǎng)對接起來，以深化技能和理論知識，同時又具專業(yè)屬性。如車輛工程專業(yè)，課程設(shè)置應(yīng)與先前專業(yè)核心課程《汽車構(gòu)造》、《汽車?yán)碚摗?、《汽車車身結(jié)構(gòu)與設(shè)計》等有機結(jié)合，將“理論構(gòu)造”通過三維CAD課程進行“實踐設(shè)計”。

從專業(yè)培養(yǎng)的角度出發(fā)，任課教師首先要明確教學(xué)目標(biāo)，根據(jù)學(xué)生的專業(yè)特點對教學(xué)環(huán)節(jié)進行總體設(shè)計，以此增強教學(xué)的專業(yè)性。教師需要根據(jù)自己對知識點的理解和對企業(yè)生產(chǎn)過程的了解，將專業(yè)資源進行再加工，根據(jù)專業(yè)特點適當(dāng)?shù)剡x定專業(yè)資源并整理成教學(xué)素材。這種專業(yè)性的素材可以是企業(yè)資源、科研項目等，以此選取“小課題”用于學(xué)生的實踐教學(xué)，一方面可以提高學(xué)生參與實踐環(huán)節(jié)的積極性，另一方面可以使學(xué)生學(xué)到真正用于實踐的相關(guān)知識和技能。

2.3 深化課程內(nèi)容，強化三維CAD設(shè)計能力

內(nèi)容的改革是課程改革的靈魂，具體到課程內(nèi)容，應(yīng)以三維零件的設(shè)計流程為主線，由淺入深安排教學(xué)內(nèi)容。三維CAD設(shè)計能力的培養(yǎng)是一項系統(tǒng)工程，教學(xué)過程中采用模塊化教學(xué)，設(shè)置不同的教學(xué)模塊，如二維草圖設(shè)計、三維零件設(shè)計、曲面設(shè)計、裝配設(shè)計、工程圖設(shè)計和運動仿真等，其中核心內(nèi)容為三維零件設(shè)計，在貫以裝配與工程圖，使學(xué)生掌握二維與三維的關(guān)系以及裝配的方法，明確三維CAD的設(shè)計流程與思想。

將項目“小課題”融合至課程內(nèi)容進行“深層次”設(shè)計，密切課程內(nèi)容與專業(yè)特性的關(guān)系，在各教學(xué)設(shè)計環(huán)節(jié)中著重培養(yǎng)三維設(shè)計的思想，從而提高三維設(shè)計能力。在此當(dāng)中，三維設(shè)計內(nèi)容的“質(zhì)量”應(yīng)以“參數(shù)化建模”為重點，也就是前后建模步驟之間帶有一定關(guān)聯(lián)，當(dāng)改變某一個變量的時候，其他變量也隨之改變。若需要修改零件的某一結(jié)構(gòu)尺寸，只要修改建模的相應(yīng)參數(shù)即可實現(xiàn)全局的修改，設(shè)計效率和繪圖質(zhì)量得到質(zhì)的提高。

2.4 完善課程設(shè)計，設(shè)計“課題”專業(yè)化

三維CAD課程的設(shè)置或水平在不同學(xué)校仍舊參差不齊，盡管教改表象是“百花齊放”，而身處其中就會發(fā)現(xiàn)問題多多。畢業(yè)設(shè)計環(huán)節(jié)最能體現(xiàn)存在的問題，三維CAD類的課題傳統(tǒng)且常見，但學(xué)生真正做起畢業(yè)設(shè)計時卻是花費大量時間重新學(xué)習(xí)或進一步學(xué)習(xí)，而答辯環(huán)節(jié)仍舊存在諸多問題，影響了畢業(yè)設(shè)計的進度和效果，這也意味著工程設(shè)計能力仍需改革強化。

在教學(xué)過程當(dāng)中，課程設(shè)計是一個鍛煉三維設(shè)計能力的好方式，也是向畢業(yè)設(shè)計環(huán)節(jié)過渡的必要過程。通過課程設(shè)計扎實基礎(chǔ)、提升綜合運用的能力，避免學(xué)生到畢業(yè)設(shè)計階段出現(xiàn)脫節(jié)、“從頭學(xué)”的問題。對于設(shè)計流程，可采用不同的設(shè)計對象，從三維到二維，再貫以裝配和運動仿真;對于設(shè)計對象，應(yīng)以專業(yè)性為導(dǎo)向，如車輛工程專業(yè)的學(xué)生，可以設(shè)計具有專業(yè)化的課題，選擇變速器、制動器、懸架系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)進行課程設(shè)計，綜合各個教學(xué)內(nèi)容模塊進行實踐操作，如圖1所示為本學(xué)期學(xué)生設(shè)計的變速器和懸架系統(tǒng)。

2.5 課程MOOC平臺建設(shè)

在線課程建設(shè)為學(xué)生搭建內(nèi)容豐富的網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺，高度整合的信息和資源取代枯燥的理論說教。學(xué)生既可以個別化學(xué)習(xí)，也可以協(xié)作式學(xué)習(xí)，學(xué)生之間可以線上線下共同討論分析和完成布置的任務(wù)，從而大大提高學(xué)習(xí)效率[5]。如今，線上課程作為教學(xué)形式的變革是大勢所趨，通過中國大學(xué)MOOC平臺檢索，線上建設(shè)的三維CAD相關(guān)的典型的課程課時量為70左右，如大連理工大學(xué)的《3D工程制圖實踐—Autodesk Inventor》（62課時），東北農(nóng)業(yè)大學(xué)的《三維機械設(shè)計》（87課時），宿遷學(xué)院的《CAD（UG）》（64課時）等。

建設(shè)MOOC課程平臺，彌補了傳統(tǒng)線下教學(xué)的不足，一方面，可以整合、深化教學(xué)資源。不同于傳統(tǒng)的理論課程，三維CAD屬于工程應(yīng)用類軟件課程，功能強大而且需要大量的操作實踐，勢必需要更多的課時量，MOOC課程平臺可以彌補線下教學(xué)由于課時限制而不能將課程內(nèi)容講的面面俱到的缺陷。另一方面，學(xué)生可以通過MOOC平臺較為自由地鞏固學(xué)習(xí)、深入學(xué)習(xí)，提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力，從而使得技能知識從“入門”到“精通”。

3 結(jié)語

三維CAD課程的改革和探究，不僅可以改進目前存在的問題，更重要的是更加切合實際需求。理論和技能的專業(yè)化是高等院校學(xué)生必備的，專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)和教學(xué)質(zhì)量需要每位教師的不懈努力，因為這意味著能否保障學(xué)生在進入就業(yè)狀態(tài)后，是否可以降低來自專業(yè)技能方面的壓力。因此，構(gòu)建適應(yīng)技術(shù)發(fā)展和行業(yè)狀況的三維CAD課程勢在必行，通過與專業(yè)培養(yǎng)對接進行改革，探索出能夠有效改善教學(xué)效果的課程體系，保障高校的教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)實踐能力，提升學(xué)生三維設(shè)計的工程能力，促使學(xué)生認(rèn)識、鍛煉自身的“專業(yè)”能力。

參考文獻：

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[3]梁若愚.三維設(shè)計CAD課程的混合教學(xué)模式探索[J].住宅與房地產(chǎn)，2019（24）：228.

[4]張淑艷，雷光明，成彬，張青.三維CAD輔助工程制圖教學(xué)的方法[J].圖學(xué)學(xué)報，2014，35（03）：464-468.

[5]趙春梅.淺析高校精品在線課程建設(shè)的意義[J].新校園：閱讀版，2016（07）.

基金項目：2019年廣西科技大學(xué)鹿山學(xué)院教育教學(xué)研究和改革實踐項目基于“線上線下”混合教學(xué)模式的在線課程建設(shè)（編號：2019JGZY015）

作者簡介：謝義杰（1989-），男，河南周口人，碩士研究生，研究方向：車輛結(jié)構(gòu)工程。