基于翻轉課堂的“計算機輔助設計+3D 打印”混合式教學改革

●張清珠 李 兵 魏玉蘭 張 梁 楊 帆 徐云杰

一、引言

《計算機輔助設計》是機械類相關專業的專業基礎課程，共64 個學時，4 學分，是課程設計、畢業設計、各類競賽以及畢業后工作中使用最多的一門課程。《計算機輔助設計》中的AutoCAD和SolidWorks 是側重應用的工程軟件，在實際應用中除了會畫圖之外，更多的是要掌握機械設計的專業知識，如幾何公差和形位公差的給定、零件的經濟性和可加工性等，這正是一個優秀工程師應具備的專業素質。但以往很多學生在學習這門課中，一直將二者相互獨立的學習，忽略了二者相輔相成的意義，并且由于課程課時有限，學生在課程中僅僅是學會了AutoCAD 和SolidWorks 的基本命令和特征的使用，忽略了軟件與專業的聯系性，從而使得在面對實際問題時，如機械設計課程設計、設計類競賽或畢業設計時束手無策。因此，《計算機輔助設計》課程的改革勢在必行。

二、教學改革理論基礎

2016年6月24日教育部發布了《教育信息化“十三五”規劃》，提出到2020年，基本建成“人人皆學、處處能學、時時可學”與國家教育現代化發展目標相適應的教育信息化體系；基本實現教育信息化對學生全面發展的促進作用、對深化教育領域綜合改革的支撐作用和對教育創新發展、均衡發展、優質發展的提升作用；基本形成具有國際先進水平、信息技術與教育融合創新發展的中國特色教育信息化發展路子。

隨著網絡技術的發達，翻轉課堂、MOCC、SPOC、微課、混合式教學等新的教學模式在不斷推動著教育教學手段的改革，伴隨而來的是各種APP 軟件的開發應用，如清華雨課堂、藍墨云班課、超星學習通、課堂派等，經各大高校的實踐反映出良好的教學效果。其中，微課教學是一種新型的教育信息資源形式，時長一般在10 分鐘以內，具有明確的教學目標，可以利用手機、PAD、電腦等移動終端隨時隨地，不受時間地點的限制進行交流學習，可用于在線教學、混合式教學、遠程教學等，實現學生的個性化需求，被越來越多的師生接受。但微課教學不能完全替代教師的課堂教學，如果缺乏了教師的參與，學習效果并不像預期的那么理想，Blending Learning(混合式學習或混合式教學)的概念應運而生，混合式教學模式既發揮教師在教學過程中引導、啟發、監控教學過程的主導作用，又適當以網絡學習方式提高學生學習過程的靈活性、主動性，把傳統學習方式的優勢和現代教育技術的優勢有機相結合。

因此本課程采用基于翻轉課堂的混合式教學方法，通過在浙江省線上平臺建設在線課程，將AutoCAD 和SolidWorks 有機結合起來，并行、循環學習，將所有知識點按照任務驅動的模式進行課程的分解，將其中一部分知識點進行視頻錄制，基于網絡平臺建立完整的課程教學視頻、學習資料、課件庫和習題庫，安排學生利用課下時間自學知識點，并做同步測試練習，參與討論；課上則對學生自學過程中遇到的問題進行解答，然后引入一些機械設計競賽案例、企業項目案例，鼓勵學生開動腦筋，培養創新思維，綜合課程所學知識自己尋求解決方法，將所學知識進行強化、提升。一方面解決了課時有限，無法全面講授課程內容的不足，另一方面，使學生在學習過程中變被動為主動，在機械工程實踐當中掌握AutoCAD 和SolidWorks 的操作方法和技巧的同時，將所學課程融會貫通，學以致用，使教與學的有效性得到最大限度的發揮。

三、課程改革實施方案

（一）課程改革思路

圖1 教學改革思路——并行、循環學習

圖2 課程建設設計思路

本課程的教學改革思路如圖1 所示中，將AutoCAD 和SolidWorks 并行、循環學習，并在其中巧妙的融入機械設計、工程設計應用案例，同時穿插《機械制圖》《互換性》《機械設計》《機械原理》《制造工藝》《理論力學》等課程的內容，使學生在機械工程實踐當中掌握AutoCAD 和SolidWorks 的操作方法和技巧的同時，將所學課程融會貫通，學以致用。讓學生在實際使用中深刻體會到二者的共同點和各自優勢，并學會在實際工作中如何選擇使用它們。

課程建設設計思路如圖2 所示。每個知識點均通過機械設計實例演繹，最開始學習課程的實例來自《計算機輔助設計》的前序課程《畫法幾何與工程制圖》或生活中常見的、簡單的機械零件，這樣學生在課程之初不會產生畏懼感，并在實例操作過程中牢固的掌握軟件的基本功能。待學生掌握了各個知識點后，通過機械設計中典型減速器零部件（如軸類零件、盤蓋類零件、箱體類零件、叉架類零件、減速器）圖形的繪制，講解幾何尺寸、形位公差和尺寸公差、表面粗糙度的標注、技術要求、傳動件的嚙合參數表、標題欄、明細欄的創建，圖塊的創建與插入，以及SolidWorks 如何導出AutoCAD 圖紙，如何打印圖形等，對學生的機械設計能力進行最后的“淬火”處理，潛移默化地培養學生的機械設計能力，為今后處理工程實際案例打下夯實的基礎。除此之外，還引入一些企業項目案例、機械設計競賽案例，鼓勵學生開動腦筋，培養創新思維，綜合課程所學知識自己尋求解決方法，進一步鞏固強化所學知識。同時引入3D 打印，讓學生在使用軟件設計機械零部件的基礎上，通過3D 打印實驗室，將自己所設計的零部件打印出來。讓學生系統了解產品的設計方法，并通過實物的裝配來回溯設計，可以增加學生的成就感，引發學生對機械設計和制造的興趣。

（二）改革實施方案

本課程將AutoCAD 和SolidWorks 兩門軟件的所有知識點拆分整合成6 大項目，分別是軟件介紹、簡單平面圖形的繪制、復雜平面圖形的繪制及三維模型實體設計、零件圖繪制、裝配體繪制、進階訓練項目。各個項目對應的任務、學時、教學目標、教學設計與方法、教學活動如表1 所示。

表1 教學內容安排

images/BZ_190_1308_323_2148_1220.pngimages/BZ_190_1310_1209_2150_3088.png

?

（三）教學評價

本課程構建并實施多元、過程的發展性評價體系，遵循科學性、民主性、多元性、主體性、開放性的原則，既重視結果，更重視過程，改變考試結果決定學習效果的只重結果的考核方式，改變教師主宰成績評定的唯師型評定方法。本課程采用“5+1”過程性考核和終結性考試相結合的考核評價模式。“5+1”考試模式是指平時“視頻自主學習＋課堂討論＋作業成績＋在線測驗+在線考試”的五元模塊考核與“期末考試”相結合的考試模式，其中過程性的五元模塊考核占總成績60%，期末終結性的考試占總成績的40%。這樣的考核方式同時聚焦了學生課上和課下的學習效果。

1. 線上過程性考核成績占總成績的40%，包含以下各項目：（1）視頻觀看占10%。能使用本課程教學視頻進行自主學習，并開展教學互動。根據視頻學習時間和嵌入式問題測試結果評定成績。（2）作業成績占25%。通過檢查和批閱學生作業完成情況評分。（3）測驗成績占25%。根據各章學習結束后的在線測試成績評定。（4）考試成績占30%。根據各章學習結束后的線上考試成績評定。（5）發帖討論成績占10%。根據學生課程網站討論區發言討論情況、精華帖情況和分組案例討論情況進行評價，普通帖子0.5 分一個，精華帖子1 分一個。

2.線下終結性考試成績占總成績的40%。對校內學生，采用統一試卷進行考試。

四、課程改革的優勢

本課程采用基于翻轉課堂的混合式教學方法，通過在浙江省線上平臺建設在線課程，將AutoCAD 和SolidWorks 有機結合起來，并行、循環學習，將所有知識點按照任務驅動的模式進行課程的分解，將其中一部分知識點做成微課，向學生提供課程教學視頻、學習資料、課件庫和習題庫等教學資源，全面提高學生的學習主動性與積極性，提高教學效果，為學生以后進一步求學和工作后快速適應并在工作中占有一席之地奠定理論與實踐基礎，同時也可為更多的機械工程從業人員提供幫助。

按照成就學生的培養理念，以項目式教學法展開教學，教學設計安排與實際工程實施路線吻合，形成了知行合一的教學特色。本課程將二維的空間想象能力和三維的創造和創新能力有機結合。將二維的簡潔、快捷和三維的形象、具體有機結合，這不僅激發了學生對機械行業產生濃厚的興趣，而且在兩款軟件的學習使用中，體會二者的各自優點，并能夠判斷在面對一個工作時，如何選擇軟件來快速解決工程技術問題。

注重培養學生的實踐能力、創新能力和解決實際問題的能力。為提高學生整體的實踐能力，特在實踐教學環節增加了3D 打印環節，改變了原來空對空的上課模式，讓學生在使用軟件設計機械零部件的基礎上，通過3D 打印實驗室，將自己所設計的零部件打印出來。讓學生系統了解產品的設計方法，并通過實物的裝配來回溯設計，使實踐環節更加具體和可操作。