應(yīng)用型本科院校三維CAD課程教學(xué)改革方法研究

徐偉偉 李光榮 蔣立異 王博翔 錢正春

摘要 隨著機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計多元化及數(shù)字化發(fā)展，三維建模軟件學(xué)習(xí)已成為應(yīng)用型本科院校機(jī)械類專業(yè)的必修課之一。文章以機(jī)械專業(yè)三維CAD上機(jī)課程為例，基于工程認(rèn)證理念，分析了傳統(tǒng)教學(xué)中存在的問題，并結(jié)合課程特點，以能力培養(yǎng)為目標(biāo)，分別從教學(xué)環(huán)節(jié)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法及考核方式幾個方面提出優(yōu)化思路。改革后經(jīng)教學(xué)實踐發(fā)現(xiàn)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性、操作熟練度及創(chuàng)新意識得到顯著提高，或可為其他同類實踐性課程提供理論指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞 應(yīng)用型；三維CAD；機(jī)械類專業(yè)；教學(xué)改革

中圖分類號：G642文獻(xiàn)標(biāo)識碼：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2023.18.017

隨著智能制造的發(fā)展，計算機(jī)輔助設(shè)計技術(shù)在制造業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛，相應(yīng)企業(yè)對應(yīng)聘者計算機(jī)輔助設(shè)計技能的掌握要求也越來越高[1]。因此，三維CAD課程已成為機(jī)械類專業(yè)學(xué)生的專業(yè)基礎(chǔ)課程之一，也是非常重要的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)。UG是集CAD/CAE/CAM于一體的高端三維參數(shù)化設(shè)計軟件，在機(jī)械工程、電子技術(shù)、航空航天、車輛工程及日常生活產(chǎn)品等工業(yè)設(shè)計領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛，目前已成為高校機(jī)械類專業(yè)三維建模的首選軟件[2]。在該類課程教學(xué)中很多學(xué)者做了多種教學(xué)模式及方法的探索，如引入CDIO教學(xué)模式[3]、翻轉(zhuǎn)課堂的形式[4]、項目教學(xué)法[5]等。但有幾個問題依然值得我們思考，一是在有限的課時內(nèi)如何合理安排教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)環(huán)節(jié)；二是教學(xué)方法的選擇及運用如何保證培養(yǎng)目標(biāo)的達(dá)成；三是在掌握基本技能的基礎(chǔ)上如何提高學(xué)生的自主設(shè)計能力及創(chuàng)新能力。本文從這幾個問題出發(fā)，以本單位三維CAD上機(jī)課程為例進(jìn)行課程改革，優(yōu)化教學(xué)環(huán)節(jié)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法及考核方法等，培養(yǎng)學(xué)生的自主創(chuàng)新意識、自主學(xué)習(xí)能力、動手能力及團(tuán)隊協(xié)作能力，提升學(xué)生理實結(jié)合、嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的專業(yè)素養(yǎng)，從而成為新時代的應(yīng)用型創(chuàng)新型人才。

1三維CAD上機(jī)目前存在的問題

1.1學(xué)生專業(yè)技能水平不一

三維CAD上機(jī)這門課程涉及的專業(yè)包括機(jī)械設(shè)計制造及自動化專業(yè)、機(jī)械電子工程、機(jī)械工程、工業(yè)工程等，在該課程開設(shè)之前，學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)工程制圖、機(jī)械設(shè)計原理、機(jī)械制造基礎(chǔ)等專業(yè)課程。但不同專業(yè)學(xué)生的專業(yè)技能水平不一，對三維建模設(shè)計技術(shù)的理解程度不同，對于繪圖基礎(chǔ)和計算機(jī)操作水平較弱的學(xué)生，需要從三維建模最基礎(chǔ)的內(nèi)容開始學(xué)習(xí)。

1.2教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計及課時分配問題

三維CAD上機(jī)類課程總課時較短，傳統(tǒng)的教學(xué)安排是一半的課時用來講授理論及案例演示，一半的課時上機(jī)練習(xí)，項目任務(wù)則安排在課后完成。然而這種工程軟件應(yīng)用課程具有以練為主的特點，由于課時數(shù)的限制，大量的理論講解導(dǎo)致學(xué)生并不能很快地消化，甚至出現(xiàn)講完就忘的現(xiàn)象。上機(jī)時間太短，師生互動欠佳，學(xué)生仍停留在理論層面，練習(xí)少，無法很好地掌握軟件操作技能及技巧。

1.3教學(xué)方法不合適

當(dāng)前課堂教學(xué)大多依然采用多媒體演示方法進(jìn)行教學(xué)，學(xué)生對教學(xué)內(nèi)容，尤其是軟件操作要點無法反復(fù)學(xué)習(xí)，而且手段過于單一，學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性無法有效調(diào)動，難以保證教學(xué)效果。此外，教學(xué)內(nèi)容較多，課堂講授安排較滿，師生缺乏互動，大量的命令學(xué)習(xí)學(xué)生無法及時消化，實際操作水平難以提升。

1.4考核形式單一

現(xiàn)有的這類實踐課考核形式主要以任務(wù)完成情況及平時成績（多以出勤率為主）作為評價指標(biāo)，然而任務(wù)書內(nèi)容涉及的零件模型具有片面性，僅能涵蓋部分三維建模軟件命令的使用，無法全面了解學(xué)生對所學(xué)軟件的綜合應(yīng)用能力，而且單一的項目任務(wù)的難易程度與學(xué)生實際掌握情況存在匹配性不足的問題。

2課程教學(xué)環(huán)節(jié)、內(nèi)容、方法及考核辦法的改革

本文針對三維CAD上機(jī)課程教學(xué)過程中存在的問題，結(jié)合工程教育認(rèn)證理念[6]，以能力培養(yǎng)為目標(biāo)，對該課程的教學(xué)環(huán)節(jié)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法及考核方法等進(jìn)行了以下改革。

2.1教學(xué)環(huán)節(jié)優(yōu)化

考慮到三維CAD上機(jī)課程實操性和應(yīng)用性強(qiáng)的特點，在總課時（24課時）不變的情況下，調(diào)整課堂講授及上機(jī)練習(xí)時間的比例，上機(jī)練習(xí)課時從原來的50%提升到65%左右，在上機(jī)練習(xí)過程中通過設(shè)定不同等級的練習(xí)題提升學(xué)生的實操技能，同時練習(xí)過程中伴隨有小組討論及答疑等環(huán)節(jié)，小組成員在綜合性較強(qiáng)的零件建模練習(xí)時通過小組討論的方式分享各自的建模思路，不僅可培養(yǎng)團(tuán)隊精神，而且對培養(yǎng)自身的表達(dá)能力和創(chuàng)新能力也具有重大的促進(jìn)作用。單純的課堂環(huán)節(jié)課時有限，并不能有效地提升學(xué)生的綜合應(yīng)用能力，因此在課后安排項目設(shè)計環(huán)節(jié)，學(xué)生以小組的形式完成一個機(jī)械裝置的設(shè)計、建模、裝配及工程圖制作，以此來提升團(tuán)隊意識及創(chuàng)新能力，并且提升該課程相關(guān)知識點的靈活運用能力，提升軟件操作技能。課程結(jié)束前，設(shè)置成果驗收環(huán)節(jié)，主要以小組答辯的形式開展，各小組推選匯報人，介紹項目設(shè)計的建模思路、建模過程及后續(xù)改進(jìn)設(shè)想等內(nèi)容，讓學(xué)生不僅會做，還會說。

2.2教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化

由于縮減了課堂講授時間，對于教學(xué)內(nèi)容的合理安排變得至關(guān)重要。該課程的知識單元包括了零件建模中的草圖、體速特征、布爾運算、掃描特征、設(shè)計特征、參考特征、細(xì)節(jié)特征等特征命令的操作，以及裝配、工程圖的操作等。在課堂講授中不再面面俱到，而是主要介紹軟件功能、基本操作方法、操作技巧、建模思路、裝配方法等，并將三維建模與機(jī)械制造、機(jī)械設(shè)計等專業(yè)基礎(chǔ)理論課程聯(lián)系起來，促進(jìn)課程融合。此外，各種命令的具體操作過程及實例演示則通過學(xué)習(xí)通線上資源來補(bǔ)充。學(xué)生在上機(jī)練習(xí)時可參照線上資源演示進(jìn)行復(fù)制操作，同時每次上機(jī)課會布置上機(jī)練習(xí)任務(wù)，進(jìn)行基本技能訓(xùn)練，包括草圖及約束練習(xí)、零件實體建模練習(xí)、虛擬裝配練習(xí)、工程圖轉(zhuǎn)換及標(biāo)注練習(xí)等。通過教學(xué)內(nèi)容的合理安排做到理論與實踐緊密配合，加深學(xué)生對其他基礎(chǔ)理論課程的理解及三維建模方法的認(rèn)識。

2.3教學(xué)方法優(yōu)化

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，教學(xué)方法更加多樣化、信息化。本課程除了常規(guī)的多媒體，還在教學(xué)過程中引入了線下線上混合教學(xué)的模式，在學(xué)習(xí)通上建設(shè)了課程資源，按照課程大綱教學(xué)內(nèi)容要求錄制短視頻并發(fā)布任務(wù)點，學(xué)生可以利用零碎的時間觀看相關(guān)知識點視頻，上機(jī)時間或者課后可以完成相關(guān)的建模練習(xí)任務(wù)。此外，在課堂教學(xué)中會發(fā)布課堂活動、作業(yè)等，利用線上學(xué)習(xí)平臺的數(shù)據(jù)化管理，及時了解學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)程和水平，針對學(xué)習(xí)中遇到的共性問題及時給出解決方案，并重點講解。

除此之外，引入開放式的個性項目化設(shè)計。該課程實操性較強(qiáng)，需要利用工程實踐來檢驗學(xué)習(xí)效果，但學(xué)生存在個體差異，個人掌握水平及技能水平不一致，因此太簡單的項目設(shè)計課題對學(xué)生技能的提升起不到促進(jìn)作用，而太難的項目設(shè)計對部分學(xué)生而言完成存在較大困難，容易缺乏信心，難以保證完成的質(zhì)量。因此，在該課程中將項目設(shè)計任務(wù)分為給定式任務(wù)及創(chuàng)新性任務(wù)兩大類，其中給定式任務(wù)包括不同難易程度的任務(wù)，如千斤頂、虎鉗等，預(yù)先給定多組部分零件的關(guān)鍵尺寸，學(xué)生建模時需按照結(jié)構(gòu)勻稱、協(xié)調(diào)、合理、符合機(jī)械設(shè)計規(guī)范的原則自行設(shè)計其余尺寸，該類任務(wù)可以強(qiáng)化學(xué)生的設(shè)計能力和模型構(gòu)建能力，提升UG軟件基礎(chǔ)操作技能，同時能促進(jìn)學(xué)生將機(jī)械設(shè)計課程的基礎(chǔ)設(shè)計理論應(yīng)用到實踐中來，加深對專業(yè)理論知識的理解和應(yīng)用；創(chuàng)新性任務(wù)則是學(xué)生自主選題，基于大學(xué)生創(chuàng)新項目、科研項目進(jìn)行一些創(chuàng)新設(shè)計，引導(dǎo)學(xué)生走進(jìn)生產(chǎn)、發(fā)現(xiàn)生活、暢想未來，從生產(chǎn)生活中迸發(fā)靈感進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計，可借此培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新能力。

2.4考核辦法優(yōu)化

為深入了解學(xué)生教學(xué)過程中的學(xué)習(xí)狀態(tài)、學(xué)習(xí)成效、掌握水平等情況，可增加過程評價指標(biāo)，并結(jié)合成果評價來驗收，提高學(xué)生的綜合應(yīng)用能力。該課程的考核以考核學(xué)生能力培養(yǎng)目標(biāo)的達(dá)成為主要目的，以檢查學(xué)生對各知識點的掌握程度為重要內(nèi)容，以上機(jī)操作為主要考核方法，在總成績中，時間管理占10%，上機(jī)練習(xí)占30%，項目設(shè)計占60%。

①時間管理。主要考查學(xué)生課堂出勤及參與情況，課程所有環(huán)節(jié)可以借助線上平臺對課堂活動、考核記錄、學(xué)情等進(jìn)行數(shù)據(jù)化管理，根據(jù)學(xué)生出勤及課堂活動參與情況給出評價，占總成績的10%。

②上機(jī)練習(xí)。上機(jī)練習(xí)要求全程參與，按時完成三次以上上機(jī)訓(xùn)練和任務(wù)，每次上機(jī)單獨評價，上機(jī)成績由上機(jī)設(shè)計（30%）、課堂操作（30%）和模型完成度（40%）三部分組成，多次上機(jī)按平均值的30%計入課程總成績。

③項目設(shè)計。項目設(shè)計要求學(xué)生分組進(jìn)行，包括小組分工、建模裝配、撰寫報告、答辯等環(huán)節(jié)，占課程總成績的60%。每位學(xué)生的項目設(shè)計成績由小組成績和組內(nèi)成績兩部分組成，小組成績從四個部分進(jìn)行評價，其中小組實踐安排占項目設(shè)計成績的10%；產(chǎn)品零件數(shù)量與三維模型占項目設(shè)計成績的40%；產(chǎn)品裝配占項目設(shè)計成績的20%；答辯情況占項目設(shè)計成績的30%。小組得分為組內(nèi)所有學(xué)生的平均分，每位學(xué)生的得分則依據(jù)其在組內(nèi)的貢獻(xiàn)，由各小組成員自行評價確定，但最高分與最低分差值不得小于15%。

3改革成效

經(jīng)過對19、20、21級6個班不同專業(yè)的三維CAD上機(jī)課程跟蹤調(diào)查發(fā)現(xiàn)，采用上述教學(xué)改革方法具有顯著的教學(xué)效果，如表1所示。從表中可以看出學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性得到明顯提高，原先理論講授時間有部分逃課現(xiàn)象，改革后出勤率提高到97%以上。上機(jī)練習(xí)課時比例增加可有效提升上機(jī)任務(wù)完成度，與改革前相比，上機(jī)任務(wù)完成度提高了15%以上。結(jié)合線上資源的學(xué)習(xí)，學(xué)生的操作技能明顯提升，原來模型練習(xí)數(shù)量僅6―8個，改革后部分自主學(xué)習(xí)能力較強(qiáng)的學(xué)生練習(xí)模型數(shù)量達(dá)原來的兩倍，軟件操作技能提升迅猛。而項目設(shè)計方面，原來均選擇給定課題，近兩年教學(xué)過程中在自主選題上有了突破，部分班會有1―2個組進(jìn)行一些創(chuàng)新項目設(shè)計，表明該模式下部分學(xué)生已經(jīng)熟練掌握了各種命令的操作方法，并且具有一定的創(chuàng)新意識及創(chuàng)新精神。此外，經(jīng)過課上討論、互動等環(huán)節(jié)的開展，大多數(shù)學(xué)生在最終答辯時能對自己的成果進(jìn)行詳細(xì)有條理的介紹，語言表達(dá)能力顯著提高。

4結(jié)語

文章基于工程認(rèn)證教育理念，分析了三維CAD課程教學(xué)過程中存在的問題，以能力培養(yǎng)為目標(biāo)，對該課程的教學(xué)環(huán)節(jié)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法及考核方法等進(jìn)行探索和改進(jìn)嘗試。結(jié)合教學(xué)實踐經(jīng)驗，可以發(fā)現(xiàn)講授和上機(jī)課時的優(yōu)化分配可促進(jìn)學(xué)生操作熟練度的提升；課堂講授內(nèi)容以啟發(fā)式教學(xué)為主，具體操作方法以線上課程資源作為輔助，可有效提高學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性及任務(wù)完成度；多種類型的項目設(shè)計課題可檢驗學(xué)生操作技能的熟練度，并可有效提高學(xué)生的創(chuàng)新意識。該教學(xué)改革方式可為應(yīng)用型本科院校同類課程改革提供參考。

基金項目：江蘇省教育科學(xué)“十四五”規(guī)劃2021年度重點課題（C-b/2021/01/23）；南京工程學(xué)院科學(xué)基金項目（YKJ202004）。

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