基于CDIO工程教育模式的UG課程教學設(shè)計與實踐

楊 根，杜 靜，陳 博

(1．西安工程大學 工程訓練中心,陜西 西安 710048；2.西安工程大學 機電工程學院, 陜西 西安 710048)

0 引言

CDIO工程教育模式是近年來國際工程教育改革的最新成果，CDIO代表構(gòu)思(conceive)、設(shè)計(design)、實現(xiàn)(implement)和運作(operate)[1-2]。它是以從產(chǎn)品設(shè)計研發(fā)到制造、裝配以及產(chǎn)品運行的一個完整生命周期為載體，建立一個相互支撐、有機結(jié)合的實踐課程體系。強調(diào)以學生為主體，采用以工作過程為導向的項目驅(qū)動教學方法，目的是培養(yǎng)學生的工程基礎(chǔ)知識能力、個人能力、團隊能力以及工程實踐能力。

UG/NX軟件是一款集CAD、CAE和CAM等功能于一體的計算機輔助設(shè)計與制造軟件，應(yīng)用范圍涉及航天航空、汽車、船舶及醫(yī)療設(shè)備等工業(yè)領(lǐng)域，是本科院校機械類、電子類等專業(yè)的大學生必學的CAD/CAM軟件之一[3]。為了滿足制造業(yè)企業(yè)人才需求，我校機械類及近機械類的各個專業(yè)均開設(shè)了UG NX軟件應(yīng)用課程，培養(yǎng)學生三維建模、虛擬裝配、仿真及工程圖等能力。然而，在UG軟件教學過程中存在一些問題，本文針對這些問題，在UG軟件課程教學中引入CDIO工程教育模式理念，改變過去陳舊、單一的工程教育人才培養(yǎng)觀念，強調(diào)以學生為中心，發(fā)揮教師示范、診斷、評價等作用，引導、協(xié)助學生達成預期目標，建立以項目為導向的工程價值觀，將工程師應(yīng)具備的核心素質(zhì)教育作為工程教育的主線，培養(yǎng)大學生工程創(chuàng)新實踐能力和團隊合作精神，提高綜合素質(zhì)，促進創(chuàng)新型人才培養(yǎng)[4-5]。

1 UG課程教學存在的問題

1.1 教學內(nèi)容不合理、過于單一、缺乏綜合性

數(shù)字化設(shè)計與制造是未來裝備制造行業(yè)發(fā)展的必然趨勢，是高等院校CAD/ CAM教學的重要組成部分。但是一直以來UG課程教學內(nèi)容過于單一，UG軟件功能模塊多、命令多，知識點分散。現(xiàn)有的UG教學內(nèi)容及教學計劃大部分是按照各個功能命令，如草繪、拉伸、旋轉(zhuǎn)等基本功能指令分開講解，然后再講解裝配、運動仿真及二維工程圖。教師按照教材安排的順序上課，學生在學習過程中感覺枯燥乏味，缺乏學習的目的性和積極性，上課往往容易出現(xiàn)走神等現(xiàn)象。學生學完知識點后，不能融會貫通、靈活應(yīng)用功能命令對綜合實例的建模。能夠體現(xiàn)創(chuàng)新能力的教學內(nèi)容不多，缺少個性化和綜合性的內(nèi)容，無法滿足工程教育培養(yǎng)大學生的要求[6]。

1.2 教學模式、方法落后，缺乏主動性

目前UG軟件課程教學過程往往采用以教師為中心，以教師講解為主、學生練習為輔，學生被動接受的方式。教學模式側(cè)重于知識的講解，或只是對單個命令的實際應(yīng)用，忽略了學生自主學習能力和團隊合作能力的培養(yǎng)。教學方法單一，常常是單純的“一講一做”的模式，學生重復老師的動作，造成學生不動腦思考，單純地復制，學生缺少獨立思考的過程。教學過程枯燥乏味，不能充分調(diào)動學生的主動性和創(chuàng)造性，學生的創(chuàng)新能力得不到有效鍛煉和提升，教學效果不佳。

1.3 課程考核、評價方式單一

目前UG軟件課程考核方式大部分仍然采用30%平時成績(出勤、課堂表現(xiàn)及課后作業(yè)情況)加70%期末考試成績的方法，學生學習的目的僅僅是及格即可，學習進度和深度完全局限于教師，缺少對學生的探索性、創(chuàng)新思維、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。此外，課程只重視學生知識點的掌握，缺少對高素質(zhì)工程人才應(yīng)具有的思考、決策、分析、團隊合作及創(chuàng)新等方面能力的評價與培養(yǎng)。

2 UG課程教學設(shè)計與實踐

2.1 設(shè)計項目教學的重要意義

UG軟件為用戶提供了強大的基于特征的實體建模功能，通過拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃描、放樣及陣列等操作實現(xiàn)三維造型設(shè)計。項目化教學是一種適合于實踐教學的教學方法，是由師生共同實施一個完整的項目工作而展開的教學活動。

為了提高學生的學習興趣及積極性，UG課程實踐內(nèi)容以虎鉗、減速箱等十幾個具有代表性的作品項目作為載體，通過體驗企業(yè)實際生產(chǎn)的設(shè)計任務(wù)，讓學生帶著興趣、問題去學習。教師針對學生提出的問題進行答疑、指導，引導學生自主設(shè)計，并發(fā)揮創(chuàng)新意識。例如讓學生自主設(shè)計一套虎鉗，將CAD/CAM軟件、建模、裝配等知識貫穿其中，在興趣的基礎(chǔ)之上激發(fā)學生學習的主動性和積極性，改變原本枯燥的實踐環(huán)節(jié)，增強了實踐環(huán)節(jié)趣味性與專業(yè)性[7]。通過一組項目產(chǎn)品的設(shè)計建模，將真實工作過程中的人員、設(shè)備、產(chǎn)品、檢驗及管理要素融入到教學過程中，把理論知識與實踐操作有機結(jié)合起來，培養(yǎng)學生具備一定工程實踐能力和創(chuàng)新能力。

2.2 教學項目實施過程

考慮UG軟件屬于實踐性較強的課程，學生在掌握相關(guān)操作指令之后還需進行項目練習，每次課安排4學時。為保證教學項目的順利實施，將教學環(huán)節(jié)分為項目引入、教學演示、任務(wù)實施、任務(wù)評價等4個階段[8]，如表1所示。實踐教學應(yīng)以項目為驅(qū)動，在教學內(nèi)容上選擇與實際生產(chǎn)相結(jié)合、具有代表性的機構(gòu)，讓學生掌握零件的建模、裝配、工程圖設(shè)計及仿真，培養(yǎng)學生將專業(yè)理論知識應(yīng)用于工程實踐的能力。因此選擇虎鉗、減速箱、齒輪泵等典型機構(gòu)作為實踐項目，軟件使用NX UG10.0，通過教師的引入項目，講解相關(guān)知識點后，讓學生自主完成一組機構(gòu)的設(shè)計任務(wù)，把課堂所學的理論知識與實踐操作結(jié)合起來，使學生具備產(chǎn)品制作的工程實踐能力及創(chuàng)新能力。

表1 項目實施方案

2.3 教學項目引入

如圖1所示為虎鉗的裝配圖，以虎鉗項目為載體開展實踐教學，教師引入項目后，提出完成虎鉗建模項目所需學習的專業(yè)知識、建模方法，講解虎鉗項目的難點、重點及技巧，并具體講解項目涉及的指令，提出本項目需掌握UG軟件的功能與模塊指令，講解根據(jù)虎鉗結(jié)構(gòu)特點及零件建模過程涉及指令的應(yīng)用。學生自主完成虎鉗的建模、裝配及仿真等內(nèi)容，整個教學過程緊緊圍繞項目的解決而開展。學生在領(lǐng)取任務(wù)之后，由教師引導學生查找相關(guān)資料，掌握項目涉及的專業(yè)知識，掌握虎鉗項目所需的建模模塊和指令。

1-螺桿 2-鉗座 3-護口板 4-M8×10螺釘 5-活動鉗口 6-定位套 7-定位銷 8-沉頭螺釘 9-方塊螺母圖1 虎鉗裝配圖(單位：mm)

2.4 教學項目實施

教學項目內(nèi)容的關(guān)鍵在于項目實施過程，教師將項目引入后，給學生下達工作任務(wù)，學生根據(jù)任務(wù)書，明確任務(wù)要求，收集、學習項目所需的相關(guān)資料，通過包括微課、翻轉(zhuǎn)課堂等多種教學形式，熟悉課堂內(nèi)容，將學習過程中遇到的問題提前記錄下來[9-10]。

教師演示主要以虎鉗、減速箱等經(jīng)典項目為導向，由教師通過對模型的構(gòu)建，講解設(shè)計思路、設(shè)計步驟、操作要領(lǐng)等相關(guān)基礎(chǔ)知識，使學生掌握基本建模思路和命令。后續(xù)由學生獨自完成項目任務(wù)，教師負責相關(guān)指導工作。學生在項目實踐中鍛煉建模思路和基本指令的使用，達到熟練掌握的程度。實踐中多鼓勵學生獨立思考、多思多想，激發(fā)學習潛能。創(chuàng)新實踐階段以一個綜合項目實踐為主線，綜合建模、裝配、仿真等知識點，采用分組形式，通過學生的自主探究和合作來解決問題，共同完成項目。讓學生通過項目的學習，循序漸進、中逐步提高，以培養(yǎng)其創(chuàng)新能力和知識遷移能力。

項目任務(wù)實施階段，安排學生以3～4人為一個項目團隊，指派實踐能力強的學生擔任組長。組長領(lǐng)取任務(wù)后，明確學習任務(wù)和要求，根據(jù)任務(wù)要求查閱相關(guān)資料。由組長負責組織小組成員討論、分析項目任務(wù)，制定項目實施方案。為了保障項目順利完成，可將任務(wù)分解，合理安排工作量，落實責任到人。在整個教學實施過程中，堅持以學生為中心，教師作為引導者，鼓勵學生大膽探索創(chuàng)新，同一個零件可以設(shè)想采用多種建模方法完成，對不同建模方式進行對比，選擇最佳實施方案。任務(wù)完成后，教師組織各小組學生進行互評及教師點評，在點評過程中發(fā)現(xiàn)問題，開拓學生的思維，建立濃厚的學習氛圍。項目化教學不僅使學生掌握了UG軟件的相關(guān)知識，更培養(yǎng)了學生的團隊合作能力和創(chuàng)新能力。

2.5 教學任務(wù)評價

考核評價體系主要作用是檢驗學生學習成果，它不僅是實踐教學的重要組成環(huán)節(jié)，更是教學內(nèi)容的延續(xù)。為了更加全面評價學生的學習情況，如表2所示可將考核評價分為3個階段，貫穿于整個教學過程中。應(yīng)針對學生以團隊方式完成學習過程中所形成的階段性成果，如方案設(shè)計、項目實施計劃、技術(shù)難點提出及其問題解決過程資料、團隊合作情況、小組自評、教師評價等多方面進行考核評價[11-12]。

表2 考核評價體系

3 結(jié)論

在工程教育認證的大背景下，基于CDIO工程教育理念的UG課程教學設(shè)計，以學生為中心，以項目為導向，通過具體的項目展開UG軟件課程教學，讓學生發(fā)揮主動性和積極性，活躍課題氣氛，由學生自主完成零件的設(shè)計任務(wù)，培養(yǎng)學生的建模、裝配及工程圖設(shè)計能力。教師引導每組學生達到預期的實踐成果，學生通過任務(wù)的完成，獲得一定的成就感，在此過程中培養(yǎng)學生的實踐能力、創(chuàng)新能力及團隊合作能力。