基于CDIO工程教育模式的UG課程教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐

楊 根，杜 靜，陳 博

(1．西安工程大學(xué) 工程訓(xùn)練中心,陜西 西安 710048；2.西安工程大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)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(jì)(design)、實(shí)現(xiàn)(implement)和運(yùn)作(operate)[1-2]。它是以從產(chǎn)品設(shè)計(jì)研發(fā)到制造、裝配以及產(chǎn)品運(yùn)行的一個(gè)完整生命周期為載體，建立一個(gè)相互支撐、有機(jī)結(jié)合的實(shí)踐課程體系。強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為主體，采用以工作過程為導(dǎo)向的項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)方法，目的是培養(yǎng)學(xué)生的工程基礎(chǔ)知識(shí)能力、個(gè)人能力、團(tuán)隊(duì)能力以及工程實(shí)踐能力。

UG/NX軟件是一款集CAD、CAE和CAM等功能于一體的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)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(jī)械類、電子類等專業(yè)的大學(xué)生必學(xué)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(jī)械類及近機(jī)械類的各個(gè)專業(yè)均開設(shè)了UG NX軟件應(yīng)用課程，培養(yǎng)學(xué)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(xué)過程中存在一些問題，本文針對(duì)這些問題，在UG軟件課程教學(xué)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(qiáng)調(diào)以學(xué)生為中心，發(fā)揮教師示范、診斷、評(píng)價(jià)等作用，引導(dǎo)、協(xié)助學(xué)生達(dá)成預(yù)期目標(biāo)，建立以項(xiàng)目為導(dǎo)向的工程價(jià)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(xué)生工程創(chuàng)新實(shí)踐能力和團(tuán)隊(duì)合作精神，提高綜合素質(zhì)，促進(jìn)創(chuàng)新型人才培養(yǎng)[4-5]。

1 UG課程教學(xué)存在的問題

1.1 教學(xué)內(nèi)容不合理、過于單一、缺乏綜合性

數(shù)字化設(shè)計(jì)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(xué)的重要組成部分。但是一直以來UG課程教學(xué)內(nèi)容過于單一，UG軟件功能模塊多、命令多，知識(shí)點(diǎn)分散?，F(xiàn)有的UG教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)計(jì)劃大部分是按照各個(gè)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(yùn)動(dòng)仿真及二維工程圖。教師按照教材安排的順序上課，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中感覺枯燥乏味，缺乏學(xué)習(xí)的目的性和積極性，上課往往容易出現(xiàn)走神等現(xiàn)象。學(xué)生學(xué)完知識(shí)點(diǎn)后，不能融會(huì)貫通、靈活應(yīng)用功能命令對(duì)綜合實(shí)例的建模。能夠體現(xiàn)創(chuàng)新能力的教學(xué)內(nèi)容不多，缺少個(gè)性化和綜合性的內(nèi)容，無法滿足工程教育培養(yǎng)大學(xué)生的要求[6]。

1.2 教學(xué)模式、方法落后，缺乏主動(dòng)性

目前UG軟件課程教學(xué)過程往往采用以教師為中心，以教師講解為主、學(xué)生練習(xí)為輔，學(xué)生被動(dòng)接受的方式。教學(xué)模式側(cè)重于知識(shí)的講解，或只是對(duì)單個(gè)命令的實(shí)際應(yīng)用，忽略了學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力和團(tuán)隊(duì)合作能力的培養(yǎng)。教學(xué)方法單一，常常是單純的“一講一做”的模式，學(xué)生重復(fù)老師的動(dòng)作，造成學(xué)生不動(dòng)腦思考，單純地復(fù)制，學(xué)生缺少獨(dú)立思考的過程。教學(xué)過程枯燥乏味，不能充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的主動(dòng)性和創(chuàng)造性，學(xué)生的創(chuàng)新能力得不到有效鍛煉和提升，教學(xué)效果不佳。

1.3 課程考核、評(píng)價(jià)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(shí)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(xué)生學(xué)習(xí)的目的僅僅是及格即可，學(xué)習(xí)進(jìn)度和深度完全局限于教師，缺少對(duì)學(xué)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(xué)生知識(shí)點(diǎn)的掌握，缺少對(duì)高素質(zhì)工程人才應(yīng)具有的思考、決策、分析、團(tuán)隊(duì)合作及創(chuàng)新等方面能力的評(píng)價(jià)與培養(yǎng)。

2 UG課程教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐

2.1 設(shè)計(jì)項(xiàng)目教學(xué)的重要意義

UG軟件為用戶提供了強(qiáng)大的基于特征的實(shí)體建模功能，通過拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃描、放樣及陣列等操作實(shí)現(xiàn)三維造型設(shè)計(jì)。項(xiàng)目化教學(xué)是一種適合于實(shí)踐教學(xué)的教學(xué)方法，是由師生共同實(shí)施一個(gè)完整的項(xiàng)目工作而展開的教學(xué)活動(dòng)。

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

2.2 教學(xué)項(xiàng)目實(shí)施過程

考慮UG軟件屬于實(shí)踐性較強(qiáng)的課程，學(xué)生在掌握相關(guān)操作指令之后還需進(jìn)行項(xiàng)目練習(xí)，每次課安排4學(xué)時(shí)。為保證教學(xué)項(xiàng)目的順利實(shí)施，將教學(xué)環(huán)節(jié)分為項(xiàng)目引入、教學(xué)演示、任務(wù)實(shí)施、任務(wù)評(píng)價(jià)等4個(gè)階段[8]，如表1所示。實(shí)踐教學(xué)應(yīng)以項(xiàng)目為驅(qū)動(dòng)，在教學(xué)內(nèi)容上選擇與實(shí)際生產(chǎn)相結(jié)合、具有代表性的機(jī)構(gòu)，讓學(xué)生掌握零件的建模、裝配、工程圖設(shè)計(jì)及仿真，培養(yǎng)學(xué)生將專業(yè)理論知識(shí)應(yīng)用于工程實(shí)踐的能力。因此選擇虎鉗、減速箱、齒輪泵等典型機(jī)構(gòu)作為實(shí)踐項(xiàng)目，軟件使用NX UG10.0，通過教師的引入項(xiàng)目，講解相關(guān)知識(shí)點(diǎn)后，讓學(xué)生自主完成一組機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)任務(wù)，把課堂所學(xué)的理論知識(shí)與實(shí)踐操作結(jié)合起來，使學(xué)生具備產(chǎn)品制作的工程實(shí)踐能力及創(chuàng)新能力。

表1 項(xiàng)目實(shí)施方案

2.3 教學(xué)項(xiàng)目引入

如圖1所示為虎鉗的裝配圖，以虎鉗項(xiàng)目為載體開展實(shí)踐教學(xué)，教師引入項(xiàng)目后，提出完成虎鉗建模項(xiàng)目所需學(xué)習(xí)的專業(yè)知識(shí)、建模方法，講解虎鉗項(xiàng)目的難點(diǎn)、重點(diǎn)及技巧，并具體講解項(xiàng)目涉及的指令，提出本項(xiàng)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(diǎn)及零件建模過程涉及指令的應(yīng)用。學(xué)生自主完成虎鉗的建模、裝配及仿真等內(nèi)容，整個(gè)教學(xué)過程緊緊圍繞項(xiàng)目的解決而開展。學(xué)生在領(lǐng)取任務(wù)之后，由教師引導(dǎo)學(xué)生查找相關(guān)資料，掌握項(xiàng)目涉及的專業(yè)知識(shí)，掌握虎鉗項(xiàng)目所需的建模模塊和指令。

1-螺桿 2-鉗座 3-護(hù)口板 4-M8×10螺釘 5-活動(dòng)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(xué)項(xiàng)目實(shí)施

教學(xué)項(xiàng)目內(nèi)容的關(guān)鍵在于項(xiàng)目實(shí)施過程，教師將項(xiàng)目引入后，給學(xué)生下達(dá)工作任務(wù)，學(xué)生根據(jù)任務(wù)書，明確任務(wù)要求，收集、學(xué)習(xí)項(xiàng)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(xué)形式，熟悉課堂內(nèi)容，將學(xué)習(xí)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(xiàng)目為導(dǎo)向，由教師通過對(duì)模型的構(gòu)建，講解設(shè)計(jì)思路、設(shè)計(jì)步驟、操作要領(lǐng)等相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)，使學(xué)生掌握基本建模思路和命令。后續(xù)由學(xué)生獨(dú)自完成項(xiàng)目任務(wù)，教師負(fù)責(zé)相關(guān)指導(dǎo)工作。學(xué)生在項(xiàng)目實(shí)踐中鍛煉建模思路和基本指令的使用，達(dá)到熟練掌握的程度。實(shí)踐中多鼓勵(lì)學(xué)生獨(dú)立思考、多思多想，激發(fā)學(xué)習(xí)潛能。創(chuàng)新實(shí)踐階段以一個(gè)綜合項(xiàng)目實(shí)踐為主線，綜合建模、裝配、仿真等知識(shí)點(diǎn)，采用分組形式，通過學(xué)生的自主探究和合作來解決問題，共同完成項(xiàng)目。讓學(xué)生通過項(xiàng)目的學(xué)習(xí)，循序漸進(jìn)、中逐步提高，以培養(yǎng)其創(chuàng)新能力和知識(shí)遷移能力。

項(xiàng)目任務(wù)實(shí)施階段，安排學(xué)生以3～4人為一個(gè)項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)，指派實(shí)踐能力強(qiáng)的學(xué)生擔(dān)任組長。組長領(lǐng)取任務(wù)后，明確學(xué)習(xí)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(fù)責(zé)組織小組成員討論、分析項(xiàng)目任務(wù)，制定項(xiàng)目實(shí)施方案。為了保障項(xiàng)目順利完成，可將任務(wù)分解，合理安排工作量，落實(shí)責(zé)任到人。在整個(gè)教學(xué)實(shí)施過程中，堅(jiān)持以學(xué)生為中心，教師作為引導(dǎo)者，鼓勵(lì)學(xué)生大膽探索創(chuàng)新，同一個(gè)零件可以設(shè)想采用多種建模方法完成，對(duì)不同建模方式進(jìn)行對(duì)比，選擇最佳實(shí)施方案。任務(wù)完成后，教師組織各小組學(xué)生進(jìn)行互評(píng)及教師點(diǎn)評(píng)，在點(diǎn)評(píng)過程中發(fā)現(xiàn)問題，開拓學(xué)生的思維，建立濃厚的學(xué)習(xí)氛圍。項(xiàng)目化教學(xué)不僅使學(xué)生掌握了UG軟件的相關(guān)知識(shí)，更培養(yǎng)了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作能力和創(chuàng)新能力。

2.5 教學(xué)任務(wù)評(píng)價(jià)

考核評(píng)價(jià)體系主要作用是檢驗(yàn)學(xué)生學(xué)習(xí)成果，它不僅是實(shí)踐教學(xué)的重要組成環(huán)節(jié)，更是教學(xué)內(nèi)容的延續(xù)。為了更加全面評(píng)價(jià)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，如表2所示可將考核評(píng)價(jià)分為3個(gè)階段，貫穿于整個(gè)教學(xué)過程中。應(yīng)針對(duì)學(xué)生以團(tuán)隊(duì)方式完成學(xué)習(xí)過程中所形成的階段性成果，如方案設(shè)計(jì)、項(xiàng)目實(shí)施計(jì)劃、技術(shù)難點(diǎn)提出及其問題解決過程資料、團(tuán)隊(duì)合作情況、小組自評(píng)、教師評(píng)價(jià)等多方面進(jìn)行考核評(píng)價(jià)[11-12]。

表2 考核評(píng)價(jià)體系

3 結(jié)論

在工程教育認(rèn)證的大背景下，基于CDIO工程教育理念的UG課程教學(xué)設(shè)計(jì)，以學(xué)生為中心，以項(xiàng)目為導(dǎo)向，通過具體的項(xiàng)目展開UG軟件課程教學(xué)，讓學(xué)生發(fā)揮主動(dòng)性和積極性，活躍課題氣氛，由學(xué)生自主完成零件的設(shè)計(jì)任務(wù)，培養(yǎng)學(xué)生的建模、裝配及工程圖設(shè)計(jì)能力。教師引導(dǎo)每組學(xué)生達(dá)到預(yù)期的實(shí)踐成果，學(xué)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(xué)生的實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力及團(tuán)隊(duì)合作能力。