與專業(yè)培養(yǎng)對(duì)接的三維CAD課程改革與探索

摘 要：三維CAD技術(shù)的發(fā)展讓設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)質(zhì)的飛躍，對(duì)工科院校人才培養(yǎng)的三維設(shè)計(jì)能力提出了更高的要求。為了提升學(xué)生的三維設(shè)計(jì)能力與專業(yè)化，本文分析了三維CAD課程的現(xiàn)狀，并提出了三維CAD課程內(nèi)容淺顯且與專業(yè)培養(yǎng)相脫節(jié)等亟需改變的問題，以深化課程內(nèi)容與專業(yè)化為主線，提出了系列課程的改革措施并進(jìn)行了實(shí)踐探索。

關(guān)鍵詞：三維CAD;設(shè)計(jì)能力;深化課程內(nèi)容;專業(yè)化;教學(xué)改革

0 前言

隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，三維設(shè)計(jì)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了CAD/CAM/CAE等模塊之間的無縫數(shù)據(jù)交換，支持產(chǎn)品開發(fā)的整個(gè)過程，從設(shè)計(jì)（CAD），到分析（CAE），到制造（CAM）的完整流程。三維設(shè)計(jì)不僅使模型更加直觀，提升了產(chǎn)品質(zhì)量和技術(shù)含量，也使設(shè)計(jì)效率得到極大提高。對(duì)于制圖而言，二維圖樣可由三維CAD軟件自動(dòng)生成，并隨著三維模型數(shù)據(jù)的更新而更新。可以說， 三維CAD技術(shù)的應(yīng)用讓設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)質(zhì)的飛躍。

《中國(guó)制造2025》戰(zhàn)略目標(biāo)提出，到2025年基本實(shí)現(xiàn)工業(yè)化，中國(guó)制造業(yè)邁入制造強(qiáng)國(guó)行列，這將使得三維數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)逐漸成為三維設(shè)計(jì)和加工制造的核心內(nèi)容，這也意味著對(duì)工科院校人才培養(yǎng)的三維設(shè)計(jì)能力提出了更高的要求。目前企業(yè)已經(jīng)逐漸普遍使用三維軟件進(jìn)行產(chǎn)品的研發(fā)設(shè)計(jì)，對(duì)技術(shù)人員的能力也提出了較高的要求。因此，掌握并熟練運(yùn)用三維CAD技術(shù)是機(jī)械設(shè)計(jì)師所必需有的技術(shù)條件[1]。而作為培養(yǎng)、輸送人才就業(yè)的工科院校，仍面臨一些問題，亟需進(jìn)行教學(xué)改革，構(gòu)建三維CAD課程與專業(yè)培養(yǎng)對(duì)接的教學(xué)體系，進(jìn)行深入的改革以提升專業(yè)人才的三維設(shè)計(jì)能力。

1 三維CAD課程現(xiàn)狀及存在的問題

為了適應(yīng)先進(jìn)設(shè)計(jì)和制造技術(shù)的發(fā)展和社會(huì)需求[2]，許多工科院校在傳統(tǒng)制圖類課程基礎(chǔ)上增設(shè)了三維CAD課程，使學(xué)生具備一定的三維設(shè)計(jì)能力。目前，國(guó)內(nèi)高校所開設(shè)的三維CAD課程大多為24～48課時(shí)，如湖南大學(xué)設(shè)計(jì)藝術(shù)學(xué)院《設(shè)計(jì)思維與三維表達(dá)》（32學(xué)時(shí)）、四川大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院《計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)》（32學(xué)時(shí)）等，且包含了教學(xué)與實(shí)踐兩個(gè)環(huán)節(jié)[3]。在相對(duì)較少的課時(shí)條件下，如何有效開展課程教學(xué)，讓學(xué)生在有限時(shí)間內(nèi)掌握三維 CAD技術(shù)，是一個(gè)非常值得研究分析的問題。與此同時(shí)，三維CAD課程相應(yīng)的教改也是百花齊放，這種表象之下仍存在幾個(gè)顯著的問題。

第一，削減了三維CAD的核心技術(shù)。一方面，將三維CAD技術(shù)應(yīng)用到制圖教學(xué)或?qū)⒐こ虉D引入到三維CAD是目前最多的教改形式，解決了學(xué)生邏輯思維能力與想象力不足的主要問題，幫助學(xué)生樹立鮮明的圖學(xué)意識(shí)[4]，但其側(cè)重于二維制圖。另一方面，大多數(shù)三維CAD課程內(nèi)容是基礎(chǔ)應(yīng)用，由于技術(shù)難度和學(xué)時(shí)等因素限制，無可厚非，但這意味著三維CAD核心技術(shù)未得到深入講解，學(xué)生大多是學(xué)到軟件的入門，學(xué)生的三維設(shè)計(jì)思維是得不到拓展的。

第二，三維CAD課程內(nèi)容在很大程度上缺乏專業(yè)特色。通過在中國(guó)大學(xué)MOOC等學(xué)習(xí)平臺(tái)檢索發(fā)現(xiàn)，三維CAD課程的授課內(nèi)容是通用的，主要集中在軟件功能命令的操作和簡(jiǎn)單零部件的應(yīng)用，也即缺乏專業(yè)特色。大學(xué)特色某種程度上可謂是專業(yè)特色，就車輛工程專業(yè)而言，目前未見與專業(yè)相關(guān)的課程內(nèi)容和教學(xué)資源，如車身及其零部件的設(shè)計(jì)等。所以，筆者認(rèn)為三維CAD課程需要優(yōu)化授課內(nèi)容并與專業(yè)培養(yǎng)對(duì)接才是重點(diǎn)，教學(xué)內(nèi)容是基礎(chǔ)更是重點(diǎn)。

第三，三維CAD課程設(shè)置的實(shí)踐環(huán)節(jié)與專業(yè)培養(yǎng)脫節(jié)。大多數(shù)學(xué)校的課程設(shè)置會(huì)有實(shí)踐操作環(huán)節(jié)，但也存在未設(shè)置實(shí)踐環(huán)節(jié)的。在教學(xué)課程結(jié)束后進(jìn)行課程設(shè)計(jì)，以此達(dá)到強(qiáng)化三維設(shè)計(jì)能力的目的。就實(shí)踐環(huán)節(jié)而言，仍存在一個(gè)不可忽視的問題，課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容與專業(yè)培養(yǎng)脫節(jié)，以車輛工程專業(yè)為例，課程設(shè)計(jì)內(nèi)容是通用類的機(jī)械類部件，與“車輛結(jié)構(gòu)”幾乎毫無相關(guān)性，操作環(huán)節(jié)無非是二維、三維之間切換的設(shè)計(jì)，并未達(dá)到課程設(shè)計(jì)的目的，只是鞏固課程內(nèi)容而已。

2 三維CAD課程與專業(yè)培養(yǎng)對(duì)接改革措施與探究

2.1 優(yōu)化師資隊(duì)伍建設(shè)，引進(jìn)柔性人才

師資力量不足，無法保障課程質(zhì)量，更無法培養(yǎng)學(xué)生三維設(shè)計(jì)能力和素養(yǎng)，更談不到創(chuàng)新和實(shí)踐能力。教師隊(duì)伍的建設(shè)是提高教學(xué)質(zhì)量的核心問題。與二維制圖相比，三維設(shè)計(jì)需要更多的實(shí)踐和培訓(xùn)，教師或?qū)W生用AutoCAD畫二維圖相當(dāng)熟練，但在進(jìn)入三維設(shè)計(jì)時(shí)，無論從概念還是造型技巧上，對(duì)都感到相當(dāng)生疏。一方面，學(xué)校應(yīng)加大資金投入，對(duì)任課教師培訓(xùn)，使他們盡早成為“雙師型”。另一方面，結(jié)合專業(yè)特色和人才培養(yǎng)方案，加強(qiáng)校企合作，引進(jìn)柔性人才。基于此，教師本身也應(yīng)與時(shí)俱進(jìn)拓展知識(shí)面，學(xué)習(xí)3D新理論和新技術(shù)。

2.2 課程設(shè)置與專業(yè)培養(yǎng)對(duì)接

課程建設(shè)毋庸置疑是要與專業(yè)建設(shè)相結(jié)合的，通過實(shí)踐環(huán)節(jié)，如學(xué)科競(jìng)賽、課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)等形式，將三維CAD課程與專業(yè)培養(yǎng)對(duì)接起來，以深化技能和理論知識(shí)，同時(shí)又具專業(yè)屬性。如車輛工程專業(yè)，課程設(shè)置應(yīng)與先前專業(yè)核心課程《汽車構(gòu)造》、《汽車?yán)碚摗贰ⅰ镀囓嚿斫Y(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)》等有機(jī)結(jié)合，將“理論構(gòu)造”通過三維CAD課程進(jìn)行“實(shí)踐設(shè)計(jì)”。

從專業(yè)培養(yǎng)的角度出發(fā)，任課教師首先要明確教學(xué)目標(biāo)，根據(jù)學(xué)生的專業(yè)特點(diǎn)對(duì)教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，以此增強(qiáng)教學(xué)的專業(yè)性。教師需要根據(jù)自己對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解和對(duì)企業(yè)生產(chǎn)過程的了解，將專業(yè)資源進(jìn)行再加工，根據(jù)專業(yè)特點(diǎn)適當(dāng)?shù)剡x定專業(yè)資源并整理成教學(xué)素材。這種專業(yè)性的素材可以是企業(yè)資源、科研項(xiàng)目等，以此選取“小課題”用于學(xué)生的實(shí)踐教學(xué)，一方面可以提高學(xué)生參與實(shí)踐環(huán)節(jié)的積極性，另一方面可以使學(xué)生學(xué)到真正用于實(shí)踐的相關(guān)知識(shí)和技能。

2.3 深化課程內(nèi)容，強(qiáng)化三維CAD設(shè)計(jì)能力

內(nèi)容的改革是課程改革的靈魂，具體到課程內(nèi)容，應(yīng)以三維零件的設(shè)計(jì)流程為主線，由淺入深安排教學(xué)內(nèi)容。三維CAD設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，教學(xué)過程中采用模塊化教學(xué)，設(shè)置不同的教學(xué)模塊，如二維草圖設(shè)計(jì)、三維零件設(shè)計(jì)、曲面設(shè)計(jì)、裝配設(shè)計(jì)、工程圖設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)仿真等，其中核心內(nèi)容為三維零件設(shè)計(jì)，在貫以裝配與工程圖，使學(xué)生掌握二維與三維的關(guān)系以及裝配的方法，明確三維CAD的設(shè)計(jì)流程與思想。

將項(xiàng)目“小課題”融合至課程內(nèi)容進(jìn)行“深層次”設(shè)計(jì)，密切課程內(nèi)容與專業(yè)特性的關(guān)系，在各教學(xué)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中著重培養(yǎng)三維設(shè)計(jì)的思想，從而提高三維設(shè)計(jì)能力。在此當(dāng)中，三維設(shè)計(jì)內(nèi)容的“質(zhì)量”應(yīng)以“參數(shù)化建模”為重點(diǎn)，也就是前后建模步驟之間帶有一定關(guān)聯(lián)，當(dāng)改變某一個(gè)變量的時(shí)候，其他變量也隨之改變。若需要修改零件的某一結(jié)構(gòu)尺寸，只要修改建模的相應(yīng)參數(shù)即可實(shí)現(xiàn)全局的修改，設(shè)計(jì)效率和繪圖質(zhì)量得到質(zhì)的提高。

2.4 完善課程設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)“課題”專業(yè)化

三維CAD課程的設(shè)置或水平在不同學(xué)校仍舊參差不齊，盡管教改表象是“百花齊放”，而身處其中就會(huì)發(fā)現(xiàn)問題多多。畢業(yè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)最能體現(xiàn)存在的問題，三維CAD類的課題傳統(tǒng)且常見，但學(xué)生真正做起畢業(yè)設(shè)計(jì)時(shí)卻是花費(fèi)大量時(shí)間重新學(xué)習(xí)或進(jìn)一步學(xué)習(xí)，而答辯環(huán)節(jié)仍舊存在諸多問題，影響了畢業(yè)設(shè)計(jì)的進(jìn)度和效果，這也意味著工程設(shè)計(jì)能力仍需改革強(qiáng)化。

在教學(xué)過程當(dāng)中，課程設(shè)計(jì)是一個(gè)鍛煉三維設(shè)計(jì)能力的好方式，也是向畢業(yè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)過渡的必要過程。通過課程設(shè)計(jì)扎實(shí)基礎(chǔ)、提升綜合運(yùn)用的能力，避免學(xué)生到畢業(yè)設(shè)計(jì)階段出現(xiàn)脫節(jié)、“從頭學(xué)”的問題。對(duì)于設(shè)計(jì)流程，可采用不同的設(shè)計(jì)對(duì)象，從三維到二維，再貫以裝配和運(yùn)動(dòng)仿真;對(duì)于設(shè)計(jì)對(duì)象，應(yīng)以專業(yè)性為導(dǎo)向，如車輛工程專業(yè)的學(xué)生，可以設(shè)計(jì)具有專業(yè)化的課題，選擇變速器、制動(dòng)器、懸架系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)進(jìn)行課程設(shè)計(jì)，綜合各個(gè)教學(xué)內(nèi)容模塊進(jìn)行實(shí)踐操作，如圖1所示為本學(xué)期學(xué)生設(shè)計(jì)的變速器和懸架系統(tǒng)。

2.5 課程MOOC平臺(tái)建設(shè)

在線課程建設(shè)為學(xué)生搭建內(nèi)容豐富的網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺(tái)，高度整合的信息和資源取代枯燥的理論說教。學(xué)生既可以個(gè)別化學(xué)習(xí)，也可以協(xié)作式學(xué)習(xí)，學(xué)生之間可以線上線下共同討論分析和完成布置的任務(wù)，從而大大提高學(xué)習(xí)效率[5]。如今，線上課程作為教學(xué)形式的變革是大勢(shì)所趨，通過中國(guó)大學(xué)MOOC平臺(tái)檢索，線上建設(shè)的三維CAD相關(guān)的典型的課程課時(shí)量為70左右，如大連理工大學(xué)的《3D工程制圖實(shí)踐—Autodesk Inventor》（62課時(shí)），東北農(nóng)業(yè)大學(xué)的《三維機(jī)械設(shè)計(jì)》（87課時(shí)），宿遷學(xué)院的《CAD（UG）》（64課時(shí)）等。

建設(shè)MOOC課程平臺(tái)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)線下教學(xué)的不足，一方面，可以整合、深化教學(xué)資源。不同于傳統(tǒng)的理論課程，三維CAD屬于工程應(yīng)用類軟件課程，功能強(qiáng)大而且需要大量的操作實(shí)踐，勢(shì)必需要更多的課時(shí)量，MOOC課程平臺(tái)可以彌補(bǔ)線下教學(xué)由于課時(shí)限制而不能將課程內(nèi)容講的面面俱到的缺陷。另一方面，學(xué)生可以通過MOOC平臺(tái)較為自由地鞏固學(xué)習(xí)、深入學(xué)習(xí)，提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力，從而使得技能知識(shí)從“入門”到“精通”。

3 結(jié)語

三維CAD課程的改革和探究，不僅可以改進(jìn)目前存在的問題，更重要的是更加切合實(shí)際需求。理論和技能的專業(yè)化是高等院校學(xué)生必備的，專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)和教學(xué)質(zhì)量需要每位教師的不懈努力，因?yàn)檫@意味著能否保障學(xué)生在進(jìn)入就業(yè)狀態(tài)后，是否可以降低來自專業(yè)技能方面的壓力。因此，構(gòu)建適應(yīng)技術(shù)發(fā)展和行業(yè)狀況的三維CAD課程勢(shì)在必行，通過與專業(yè)培養(yǎng)對(duì)接進(jìn)行改革，探索出能夠有效改善教學(xué)效果的課程體系，保障高校的教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)實(shí)踐能力，提升學(xué)生三維設(shè)計(jì)的工程能力，促使學(xué)生認(rèn)識(shí)、鍛煉自身的“專業(yè)”能力。

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基金項(xiàng)目：2019年廣西科技大學(xué)鹿山學(xué)院教育教學(xué)研究和改革實(shí)踐項(xiàng)目基于“線上線下”混合教學(xué)模式的在線課程建設(shè)（編號(hào)：2019JGZY015）

作者簡(jiǎn)介：謝義杰（1989-），男，河南周口人，碩士研究生，研究方向：車輛結(jié)構(gòu)工程。