融入OBE理念的汽車CAD課程教學(xué)改革

鹿盈盈

摘 要：現(xiàn)在汽車工業(yè)大發(fā)展，對CAD的需求越來越高。汽車CAD課程是一門理論性、實(shí)踐性和應(yīng)用性很強(qiáng)的一門課程。為了培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力和創(chuàng)新意識，提高課程教學(xué)質(zhì)量和課程教學(xué)目標(biāo)達(dá)成度，汽車CAD教學(xué)過程中融入了國際工程教育認(rèn)證“以學(xué)生為中心”的OBE核心教學(xué)理念，對課程教學(xué)目標(biāo)再定位、對理論教學(xué)內(nèi)容和課內(nèi)上機(jī)教學(xué)內(nèi)容改革、對教學(xué)方式、教學(xué)考核方式改革，并進(jìn)行教學(xué)實(shí)踐，實(shí)現(xiàn)了良好的改革效果。

關(guān)鍵詞：汽車CAD OBE 教學(xué)改革 實(shí)踐

CAD（Computer Aided Design）—計算機(jī)輔助設(shè)計是利用計算機(jī)、外圍設(shè)備和系統(tǒng)軟件輔助人們對產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計的方法與技術(shù)。CAD技術(shù)起源于 20 世紀(jì) 60 年代，其可以大幅度地提高產(chǎn)品的設(shè)計效率和質(zhì)量，成為現(xiàn)代工業(yè)中必不可少的技術(shù)手段[1]。汽車是一種包括多種典型機(jī)械元件、零部件，多種金屬與非金屬材料以及多種機(jī)械加工工藝的典型機(jī)械產(chǎn)品?，F(xiàn)在汽車工業(yè)大發(fā)展，對CAD的需求越來越高。因此，對畢業(yè)生的CAD能力提出了更高的要求，因此迫切需要高校進(jìn)行CAD課程教學(xué)改革，以提高學(xué)生分析和解決復(fù)雜工程問題的能力。

CAD課程是一門理論性、實(shí)踐性和應(yīng)用性很強(qiáng)的一門課程。我校車輛工程專業(yè)2013年開始開設(shè)汽車CAD課程，根據(jù)教學(xué)計劃，該課程安排在大三上學(xué)期，總課時48學(xué)時，其中理論學(xué)時16學(xué)時，上機(jī)學(xué)時32學(xué)時。理論課主要講授CAD的基礎(chǔ)知識。根據(jù)CAD技術(shù)的內(nèi)涵，CAD概念分為廣義的CAD概念和狹義的CAD概念。廣義的CAD主要包括設(shè)計和分析兩個方面。設(shè)計是指構(gòu)造零件的幾何形狀、選擇零件的材料，以及為保證整個設(shè)計的統(tǒng)一性而對零件提出的功能要求和技術(shù)要求等。分析是指運(yùn)用數(shù)學(xué)建模技術(shù)，如有限元、優(yōu)化設(shè)計技術(shù)等，從理論上對于產(chǎn)品的性能進(jìn)行模擬、分析和測試，以保證產(chǎn)品設(shè)計的可靠性。狹義的CAD概念，主要是指產(chǎn)品的幾何建模及其相關(guān)技術(shù)，即如何在計算機(jī)中描述產(chǎn)品的形狀和尺寸。因課時有限，為突出重點(diǎn)，本課程內(nèi)容僅局限于狹義CAD的相關(guān)內(nèi)容。

CAD技術(shù)在汽車業(yè)中的應(yīng)用領(lǐng)域包括①汽車底盤設(shè)計CAD技術(shù)，②汽車車身設(shè)計CAD技術(shù)，③汽車零部件CAD技術(shù)，④汽車輕量化設(shè)計CAD技術(shù)，⑤汽車模具CAD技術(shù)?，F(xiàn)有的集成軟件分為I-DEAS、SolidWorks、UG、Pro/E、CATIA等。Pro/E是美國參數(shù)技術(shù)公司（PTC）的一款非常優(yōu)秀的工業(yè)設(shè)計軟件，于1988年問世，30多年來，經(jīng)歷20余次的改版，已成為全世界最普及的3D CAD/CAM/CAE系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)軟件之一。作為PTC公司的旗艦產(chǎn)品，從其誕生之日即引起業(yè)界的極大震動，其參數(shù)化、全相關(guān)、基于特征的設(shè)計思想改變了工業(yè)三維設(shè)計的傳統(tǒng)觀念，帶動了整個行業(yè)的發(fā)展。Pro/E機(jī)械設(shè)計軟件的應(yīng)用領(lǐng)域包括：零件設(shè)計、工程圖制作、鈑金設(shè)計、模具設(shè)計和工業(yè)設(shè)計等，在家具生產(chǎn)企業(yè)、玩具生產(chǎn)企業(yè)、汽車零部件生產(chǎn)企業(yè)、汽車發(fā)動機(jī)生產(chǎn)企業(yè)、航空航天所需部件的生產(chǎn)企業(yè)、醫(yī)療器械生產(chǎn)企業(yè)、模具生產(chǎn)企業(yè)、重型機(jī)械生產(chǎn)企業(yè)、軍工生產(chǎn)企業(yè)等都有廣泛應(yīng)用[2]。本校汽車CAD技術(shù)課程采用的是Pro/E軟件。

1 教學(xué)目標(biāo)的再定位

為了培養(yǎng)卓越的應(yīng)用型人才，教育部于 2006 年啟動了國際工程教育專業(yè)認(rèn)證工作。工程教育是我國高等教育的重要組成部分，工程教育專業(yè)認(rèn)證是國際通行的工程教育質(zhì)量保障制度，也是實(shí)現(xiàn)工程教育國際互認(rèn)和工程師資格國際互認(rèn)的重要基礎(chǔ)[3]。工程教育專業(yè)認(rèn)證的核心是以成果導(dǎo)向（Outcome Based Education， OBE）的教育。OBE是一種以學(xué)生的學(xué)習(xí)成果（Learning out－comes）為導(dǎo)向的教育理念，由美國學(xué)者Spady在 1981年首次提出，其核心理念是以學(xué)生為中心，結(jié)果為導(dǎo)向，持續(xù)改進(jìn)，認(rèn)為教學(xué)設(shè)計和教學(xué)實(shí)施的目標(biāo)是學(xué)生通過教育過程最后所取得的學(xué)習(xí)成果[4]。

為了培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力和創(chuàng)新意識，提高課程教學(xué)質(zhì)量和課程教學(xué)目標(biāo)達(dá)成度，汽車CAD教學(xué)過程中融入了國際工程教育認(rèn)證“以學(xué)生為中心”的OBE核心教學(xué)理念，重新優(yōu)化設(shè)計了課程理論教學(xué)內(nèi)容和課內(nèi)上機(jī)教學(xué)內(nèi)容、改革了課程教學(xué)方法和課內(nèi)上機(jī)實(shí)施方式[4]。

融入OBE教育理念，本課程的教學(xué)目標(biāo)是熟練掌握二維草繪、基準(zhǔn)特征、拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃描、混合、圓角、筋、孔等附加特征；特征的復(fù)制、鏡像、陣列、隱含、工程圖的概念、創(chuàng)建方法和步驟；了解零部件的裝配方法和裝配過程。同學(xué)們并且要學(xué)以致用，為以后使用Pro/E從事產(chǎn)品開發(fā)與設(shè)計、三維建模及機(jī)械加工等工程技術(shù)打下堅實(shí)的基礎(chǔ)。

2 教材的選擇

因教學(xué)大綱相對固定，故使用的教材相對固定，選擇兼顧理論性和實(shí)踐性的教材。這是因?yàn)楸拘５谋究粕厴I(yè)后，除了直接參加工作外，還有相當(dāng)比例的學(xué)生繼續(xù)讀研深造，所以本課程除了培養(yǎng)學(xué)生掌握軟件操作外，還要對軟件背后的理論知識能夠理解掌握。案例除了課本上的以外，課題組還組織編寫了CAD上機(jī)指導(dǎo)書，以補(bǔ)充上機(jī)練習(xí)內(nèi)容。

3 教學(xué)內(nèi)容改革

3.1 理論課教授內(nèi)容

理論課講解了CAD技術(shù)的發(fā)展趨勢、CAD系統(tǒng)的組成、CAD系統(tǒng)的配置形式與網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、現(xiàn)代CAD系統(tǒng)的功能模塊（見圖1）、圖形軟件標(biāo)準(zhǔn)、CAD系統(tǒng)軟硬件選用原則、現(xiàn)代CAD軟件的主要技術(shù)特點(diǎn)（1.參數(shù)化建模技術(shù)，2.基于特征的建模技術(shù)，3.全數(shù)據(jù)相關(guān)技術(shù)，4.智能導(dǎo)航技術(shù)）、典型CAD軟件簡介等。介紹完CAD的基礎(chǔ)知識后，對Pro/E軟件進(jìn)行概述，包括軟件的主要特點(diǎn)、軟件的功能及主要模塊、軟件的界面組成、軟件的操作流程和建模過程、使用Pro/E軟件進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計的技巧等。

汽車CAD理論課時除了講授汽車CAD技術(shù)概述外，還會講到CAD技術(shù)基礎(chǔ)、二維草圖繪制基礎(chǔ)、基準(zhǔn)特征、汽車零部件基本特征和高級特征的創(chuàng)建、附加特征的創(chuàng)建、特征的復(fù)制、特征的編輯、零件裝配設(shè)計、工程圖設(shè)計等內(nèi)容。所以，如圖1所示，限于課時，本課程軟件部分內(nèi)容的講解限于Pro/E軟件的通用模塊。

CAD技術(shù)基礎(chǔ)適用于各類CAD軟件，通過在本門課程里的理論學(xué)習(xí)，在學(xué)習(xí)其它軟件的時候也會受到啟發(fā)，起到觸類旁通的作用。CAD技術(shù)基礎(chǔ)涵蓋的內(nèi)容簡介：①CAD中常用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義、分類（包括邏輯結(jié)構(gòu)和物理結(jié)構(gòu)）、常見的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（線性表、數(shù)組、棧與隊(duì)列、樹與二叉樹）；②圖形處理技術(shù)基礎(chǔ)（圖形變換包括基本的幾何變換，即研究物體坐標(biāo)在直角坐標(biāo)系內(nèi)的平移、旋轉(zhuǎn)和放大（縮小）的規(guī)律，按照坐標(biāo)的維數(shù)不同，幾何變化可分為二維幾何變換和三維幾何變換兩大類；投影變換；坐標(biāo)系與坐標(biāo)變換；圖形裁剪；圖形消隱）；③曲線和曲面數(shù)學(xué)模型（規(guī)則曲面和擬合曲面）；④CAD建模技術(shù)基礎(chǔ)（三維幾何建模技術(shù)，可分為線框建模、表面建模和實(shí)體建模3種；實(shí)體建模主要包括兩部分內(nèi)容：一是基本實(shí)體的生成，主要有體素法和掃描法；二是基本實(shí)體之間的集合運(yùn)算。參數(shù)化建模、變量化建模、特征建模技術(shù)等）。

Pro/E軟件的學(xué)習(xí)包括二維草圖繪制、三維圖的創(chuàng)建、裝配圖的建立、工程圖的建立等。通過理論課的學(xué)習(xí)，學(xué)生可以全面地了解軟件各個功能模塊的使用方法，為后面的上機(jī)實(shí)踐練習(xí)打下良好的基礎(chǔ)。

3.2 上機(jī)課實(shí)踐內(nèi)容

結(jié)合車輛工程專業(yè)特點(diǎn)，練習(xí)汽車相關(guān)的案例，如介紹拉伸、旋轉(zhuǎn)等三維模型形成方法時，舉例氣門、活塞、撥叉等零部件。這樣可以提高學(xué)生們的學(xué)習(xí)興趣。上機(jī)課除了課本上的案例外，還編寫了上機(jī)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書作為教材案例的補(bǔ)充，對學(xué)有余力的同學(xué)，我們可以提供往年省級或國家級CAD競賽題讓學(xué)生們練習(xí)，提高自己的三維繪圖水平。

4 教學(xué)方式改革

理論課在多媒體教室內(nèi)上課，上機(jī)課在學(xué)院機(jī)房上課，學(xué)生人手一機(jī)。首先，充分利用教材上的案例學(xué)習(xí)并掌握Pro/E軟件的各個功能模塊。傳統(tǒng)上，老師在機(jī)房講臺上一步一步演示案例，學(xué)生在下面一步一步跟著操作，這種方式起初學(xué)生還能跟著學(xué)，但是長久了學(xué)生因缺乏學(xué)習(xí)的動力而倦怠。所以考慮將以教師教為主體的課堂翻轉(zhuǎn)為以學(xué)生學(xué)為主體的課堂。將教材上需要完成的案例告訴學(xué)生，讓學(xué)生根據(jù)課本上的步驟嘗試自己獨(dú)立完成案例，在探索完成案例的過程中，老師“被提問”的次數(shù)逐漸增多，這種以學(xué)生為主體的教學(xué)方式調(diào)動了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和積極性，充分發(fā)揮學(xué)生的主導(dǎo)作用，實(shí)現(xiàn)學(xué)生從被動學(xué)習(xí)向主動學(xué)習(xí)的轉(zhuǎn)變，學(xué)習(xí)過程更有吸引力，從而有效提升學(xué)習(xí)效果，達(dá)到多方位培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力[5]。

其次，補(bǔ)充上機(jī)案例，使學(xué)生逐漸脫離課本、活學(xué)活用。這些案例不提供操作步驟給學(xué)生，讓學(xué)生獨(dú)立思考先后操作步驟，靈活掌握軟件的使用方法。經(jīng)過訓(xùn)練的學(xué)生，在今后的學(xué)習(xí)或工作中再遇到實(shí)際工程問題，也能想到辦法解決，舉一反三，真正達(dá)到學(xué)生時代學(xué)習(xí)的目標(biāo)，滿足了社會的需求。

汽車CAD作為實(shí)踐性、操作性、應(yīng)用性強(qiáng)的科目，掌握并熟練使用它，對于學(xué)習(xí)其它科目和滿足畢業(yè)要求等都有重要作用。

5 教學(xué)考核改革

由于課程理論部分晦澀難懂，難以記憶，而課程以培養(yǎng)學(xué)生熟練掌握一種CAD軟件—Pro/E為主，提高學(xué)生設(shè)計開發(fā)汽車零部件的能力，為畢業(yè)設(shè)計、未來深造和工作打下良好的基礎(chǔ)。而且軟件各模塊的應(yīng)用也可以加深對理論部分的理解和掌握。所以課程考試采取上機(jī)考試形式，不再要求筆試。

最后的成績=平時（20%）+大作業(yè)（20%）+期末考試（60%）。平時成績是指考勤、課上練習(xí)的完成度。大作業(yè)指課后項(xiàng)目作業(yè)的完成情況。期末考試是指上機(jī)考試，一般有五個題目，一個二維草繪題，三個三維零件圖題，一個看圖紙先完成三維圖，再將三維圖轉(zhuǎn)化為二維工程圖的題目。五個題目涵蓋所有要求掌握的知識點(diǎn)。

6 教學(xué)實(shí)踐結(jié)果

要達(dá)到熟練掌握現(xiàn)代工具的畢業(yè)要求，僅僅靠汽車CAD的48學(xué)時的課程還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，還需要與課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計等教學(xué)環(huán)節(jié)相結(jié)合。除此之外，還要鼓勵學(xué)生積極參加校級、省級和國家級的二維和三維制圖大賽。通過改革，學(xué)生們的制圖水平有明顯提高。

7 結(jié)論

汽車CAD課程是一門兼顧理論性且具有較強(qiáng)操作性、實(shí)踐性和應(yīng)用性的課程。融入OBE理念，它以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力為目標(biāo)，提高學(xué)生的自學(xué)能力、實(shí)踐能力和綜合能力。教學(xué)過程采用先進(jìn)的教學(xué)手段，課堂教學(xué)以基礎(chǔ)→實(shí)踐→綜合→創(chuàng)新為主線，將所學(xué)的理論知識和需要提升的實(shí)踐性能相結(jié)合，培養(yǎng)基礎(chǔ)扎實(shí)、實(shí)踐能力強(qiáng)的應(yīng)用型、復(fù)合型、創(chuàng)新型高級專門人才[6]。汽車CAD課程教學(xué)改革是一項(xiàng)長期工程，需要不斷的持續(xù)改進(jìn)，只有不斷地進(jìn)行摸索，不斷地實(shí)踐，才能順應(yīng)時代要求，培養(yǎng)出適應(yīng)社會需求的應(yīng)用型人才。

基金項(xiàng)目：先進(jìn)內(nèi)燃動力全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題（K2023-01）。

參考文獻(xiàn)：

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