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)
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]。
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]。
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。
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)。
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。
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
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)
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。
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
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。