基于CDIO理念的研究性教學在機械CAD課程中的創新性運用

李靜+牛文杰

摘 要 為解決“機械CAD”課程教學過程中理論與實踐難以平衡的矛盾，將基于CDIO理念的研究性教學運用于CAD教學中，引導學生在理論學習的基礎上進行工程實踐和創新實踐。通過基于CDIO理念的研究性教學在課前作品觀摩、課堂教學方法、上機實踐、課后研究性實踐的實施與運行，證明基于CDIO理念的研究性教學在CAD課程中的運用可取得良好的教學效果，有效地提高了學生自主運用課程知識來解決專業問題的能力。

關鍵詞 CDIO 研究性教學 主動學習 創新意識

中圖分類號：G424 文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2015.08.050

Innovative Application of Inquiry Teaching with CDIO

Concept in Mechanical CAD Course

LI Jing， NIU Wenjie

（College of Mechanical and Electrical Engineering， China University of Petroleum， Qingdao， Shandong 266580）

Abstract In order to solve the imbalance of theory and practice in mechanical CAD teaching， the inquiry teaching with CDIO concept was introduced， leading to students focusing on engineering and innovation practice on the basis of theoretical study. This work studied the application of inquiry teaching with CDIO concept during pre-class works appreciation， in-class teaching method， practice on computer and after-class inquiry practice. It was proved that the application of inquiry teaching with CDIO concept in CAD course could achieve good effect， and enhanced students' ability of solving the professional problem by using the course knowledge.

Key words CDIO; inquiry teaching; initiative study; innovative consciousness

0 引言

在當今科學、技術、經濟、社會正在發生急劇深刻變化的新形勢下，高等教育面臨巨大的挑戰。比如，如何開啟學生主動學習模式，提高學生的創新創業能力。面臨轉型社會的新挑戰，各高校著重通過改革課程體系和改善教學方法，借鑒國際先進理念和經驗，增強學生探究與理解、分析與推理、創造與表達等方面的能力，全面提高高等教育質量。CAD（Computer Aided Design，計算機輔助設計）理論和技術對工科類大學生的工程實踐能力、創新意識培養方面具有非常重要的作用。隨著CAD 技術的迅速發展，二維、三維CAD技術在眾多行業應用的廣泛普及，國內各高校CAD 類課程的地位和教學內容已發生了很大變化，但是依然存在深度、廣度分布不均衡，課程設置混亂的現象。比如，有些院校只限于講授工程圖樣的計算機輔助繪制，缺少CAD 基礎知識，適用層次偏低;而有些院校則過分強調CAD 理論，不注重CAD 系統的應用，使得課程的實踐性不強，不適合工科學生的發展。理論與實踐的沖突在CAD課程中很難平衡，如何在有限的課時內提高學生學習CAD繪圖軟件的效果，并使學生“知其然，知其所以然”，提高學生解決工程實際問題的實踐和創新能力，為今后專業課學習做好必要的鋪墊，是值得深思和研究的一個問題。

1 基于CDIO理念的研究性教學

研究性教學不同于傳統的灌輸式教學，是以探究為基礎，教學與研究相結合，在教師的組織指導下引導學生自主學習、自主實踐的教學。它以學生的發展為本，強調師生互動，將學生學習與研究相統一，可以有效地提高學生學習的積極性、主動性，引導學生逐步形成觀察問題、分析問題、尋求解決問題方法的能力。①研究性教學要將“研究”貫穿整個教學課程，重點在于轉變學生的思維模式，因此這種教學方式符合工程能力培養的規律和綜合素質形成的邏輯，得到了“卓越工程師教育培養計劃”的大力提倡和著力推廣。②對于工程類課程的研究性教學，CDIO理念給出了更具體的解釋。CDIO理念是美國麻省理工學院、瑞典皇家工學院、瑞典查爾莫斯工業大學和瑞典林雪平大學四所大學于2004年創立的一個新的工程教育模式。其核心理念是構思（Conceive）、設計（Design）、實施（Implement）、運行（Operate），以項目從研發到運行的生命周期為載體，讓學生以主動的、實踐的、課程之間具有有機聯系的方式學習和獲取工程能力，強調知識與能力之間的關聯，并較好的解決了工程教育中理論知識與實踐能力的平衡。③為適應新形勢下高校提高人才培養質量的要求，解決“機械CAD”課程教學過程中理論與實踐難以平衡的矛盾，將基于CDIO理念的研究性教學運用于CAD教學中，引導大學生在理論學習的基礎上進行工程實踐、創新實踐，這對工程創新人才的培養有重要意義。

2 教學方案的設計和實施

機械CAD是一門理論性和實踐性較強的專業基礎課，涉及到工程制圖、機械設計、計算機圖形學等多方面知識。該課程主要是培養學生的空間想象能力，利用CAD工具軟件進行繪圖、建模及工程設計的能力。在本課程教學中，通過構建以二維能力培養為基礎，三維設計為主流的教學內容體系，使理論和實際應用密切結合，同時保證了理論上的系統性、完整性。課堂教學包含了CAD基本圖形學原理、CAD軟件繪圖操作和命令、軟件二次開發等方面的基礎知識;工程實踐性教學則主要注重知識的交叉、滲透，涉及到產品的設計、三維建模、虛擬仿真優化等一系列內容;課程以傳統工程圖學的手工繪圖為基礎，從二維CAD軟件繪圖，到三維CAD建模，再通過計算機虛擬環境，由三維實體模型設計回到二維工程圖的設計，進一步優化后進行再設計的循環過程學習。該教學模式有助于啟發學生的設計意識，變目前的被動接受式的傳統教學模式為主動探索式的研究性教學。根據CDIO研究性教學的理念，本文的教學方案設計如圖1所示。

2.1 課前作品觀摩

為了激發學生的學習興趣，在課程的前半階段，經常給學生演示往屆學生的優秀作品，特別是一些大賽獲獎作品，例如直升機、海洋平臺、發動機、教學樓、變形玩具、蝸牛等。通過展示這些作品，使學生對Solidworks軟件的強大功能有一個直觀的認識，增加學生努力學習的熱情和信心;同時，激發學生的創新靈感，啟發學生們從專業、生活中找idea。此外，給學生們介紹CAD的相關比賽情況，比如學校的科技節、山東省大學生機電產品創新大賽、全國3D動力大賽，以及CAD的相關網站和論壇，開闊學生眼界，幫助學生了解CAD等數字化技術與相關領域（CAM/CAE/PDM/ERP）的滲透和發展，激發學生利用工具軟件進行自主創新的工程意識。

2.2 課堂教學

CAD課堂教學在電腦機房中進行，學生人手一臺電腦，方便學生隨即進行針對性的隨堂練習。課堂教學方案的設計遵循以學生為主體，教師為引導的思路，充分調動學生的主動性。教學多采用專題啟發式和案例式教學模式。比如，在講解AutoCAD構造選擇集專題時，通過對比window、crossing和box命令操作時圖元選擇結果的差異，啟發學生思考三者之間的區別和聯系，激勵學生自主總結規律，加深了學生的理解。在講解Solidworks放樣與掃描命令時，舉例茶壺建模。通過壺嘴建模過程，學習基準面建立方法和放樣特征的步驟;通過壺把建模過程，提取掃描特征步驟;并由茶壺建模推廣到水龍頭結構零件的建模方法和技巧。通過兼具藝術美、生活美的茶壺建模，激發了學生的興趣，激勵學生去主動地、更深入地學習教材上有關放樣和掃描命令的技巧。相比枯燥地講解操作方法，案例教學更能激發學生的創新思維與設計意識。

2.3 課內上機實踐

CDIO理念強調學生在工程環境中進行學習，從對實際產品的認識、分析出發，提取產品特征，發現問題，并進一步嘗試解決問題。④CAD是一門實踐性很強的課程，需要學生進行大量的上機實踐，僅僅課堂上的隨堂練習是遠遠不夠的。本校針對機械CAD技術這門課程，總共安排了32學時的理論課，和相應的32個學時上機練習。即教師每授課一次，上機練習一次，同時有助教隨堂輔導。助教在輔導課上，引導學生在上機實踐中自己發現問題，和學生共同學習、共同探討，并引導學生主動探究，分析解決問題。

習題與練習的選擇盡量兼顧趣味性與專業性、難度適中，而且具有一定挑戰性。比如，在學完AutoCAD的圖形基本變換及編輯命令后，為學生布置一道繪制自行車的上機練習，旨在練習多段線、陣列和復制命令。對于自行車的尺寸和形式，學生可以自由設計。由于幾乎每個學生在校園里都擁有一輛自行車，現在要用新學習的軟件繪制自己熟悉和喜愛的東西，大大激發了學生的熱情和興趣。學習完AutoCAD尺寸標注后，布置齒輪繪制和尺寸標注的作業。在繪制過程中，學生需要根據齒輪模數和齒數，計算齒根圓和齒頂圓尺寸。這就激勵學生自主學習、查閱資料，尋找齒輪計算公式，初步鍛煉了學生機械設計的能力。

2.4 研究性課外實踐

CAD課程不僅僅是一種軟件使用學習，更是一種基于軟件設計能力的學習和培養。根據CDIO教學模式，給學生布置在本學期內完成一項CAD專業設計的大作業，激勵學生在掌握了基本操作的基礎上進行研究性的自主學習，并應用于課外大作業的作品上。大作業在選題上注重與學生興趣相結合，鼓勵學生從專業、生活中自主選擇對象進行原型設計或創新性改進設計，培養學生的觀察能力和創新意識。在組織形式上采用個人與小組工作相結合的模式，有利于充分調動學生學習的積極性。大作業促使學生由被動表達向主動設計轉變，提高了學生的創新思維與設計意識，最大限度激發了學生潛能。

學期結束之前，組織一次大作業討論課，在討論-實踐-思考的過程中，增強學生參與思考、自主創新的熱情，鍛煉了個人的組織能力、表達能力。對于優秀的大作業作品，組織學生在第二課堂中繼續展開研究和開發，并進一步組織學生積極參加相關比賽、申報專利和成果轉化，讓大學生在學生時代就體驗科學研究工作及設計工作的成果申請與保護流程;對于有商業前景的設計，利用快速成型機制作模型，并與相關企業洽談商業開發。讓學生真正體驗從產品研發到實施運行的整個流程，提高學生的創新設計和工程實踐能力，使他們能夠更快地與工程實際接軌。此外，課程組專門成立了研究工作室，邀請學有余力和有興趣的同學參加。研究工作室的成立大大拓展了CAD教學的第二課堂空間，有助于開發學生研究與創新的潛力，做到在研究中教學，在教學中研究。

圖2 Solidworks戰斗機設計

圖3 水面漂浮物收集的雙船與分輸裝置

3 成效

本課程旨在培養學生利用CAD系統進行工程圖樣繪制、產品數字化建模等工程應用技能;培養學生在后續課程學習乃至畢業設計中，運用CAD基礎理論、CAD系統結合專業知識，解決工程實際問題的實踐和創新能力。學生知識技能的掌握量和熟練程度是CAD技術實踐教學效果的顯性衡量指標。⑤通過2013年秋季學期對試點班級課外大作業的考核，證明基于CDIO理念的研究性教學有效地提高了學生學習的積極性、主動性，教學效果明顯。如圖2所示，為大作業中某學生利用所學的SolidWorks 軟件設計的戰斗機模型，對戰斗機的機身結構和外觀進行了創新性設計。圖3是班里學生設計的用于水面漂浮物收集的雙船與分輸裝置，擬解決目前國內淡水污染情況嚴重，清除水面漂浮物機械效率低、能耗高，使用不便等方面的問題。該裝置采用機械手在內的多重收集裝置，通過新式傳送帶和雙船裝置，將垃圾運送回岸;并且要通過傳送帶來完成對于漂浮物的機械化分輸，提高對水面漂浮物清理的效率。由于CAD課在本校主要面向大二的學生，專業設計課還沒有學習，因此這些作品在結構上和功能實現上還存在一定缺陷，初步設計方案也顯得幼稚，離實用化還有一定距離，但創新意識和工程意識體現得活靈活現。

4 結語

實踐證明，基于CDIO理念的研究性教學在“機械CAD”課程中的運用具有一定的科學性、合理性，并取得了一定的成效。在教學過程中，學生由開始的被動練習逐步嘗試專業化對象設計，并在大作業過程中完成自主選題設計-繪制-修改-匯報的全過程。該教學方法有效地提高了學生學習的積極性、主動性，培養了學生自主運用課程知識來解決專業問題的能力，增強了學生的工程意識與創新素質培養。

注釋

① 劉子建，趙翠，伍素珍.“機械CAD技術”課程研究性教學探討[J].中國大學教學，2010.1：46-48.

② 鞠晨鳴，徐建成.以“實踐”為導向的研究性教學[J].中國大學教學，2012.9：69-71.

③ 厲威成.CDIO模式的教育理念及其實踐研究[D].成都：四川師范大學，2012.

④ 郝智秀，季林紅，馮涓.基于CDIO的低年級學生工程能力培養探索[J].高等工程教育研究，2009.5：36-40.

⑤ 楊青，邱欣.CDIO模式交通運輸專業CAD技術的實踐教學研究[J].中國電力教育，2013.14：143-144.