三維建模實踐課程的教學和考核評估模式改革探索

張培艷， 李翠超， 黃蓓蕾， 金 曄

（上海交通大學學生創新中心，上海200240）

0 引 言

三維建模是在計算機上建立完整產品三維幾何模型的過程，在機械、航空、汽車、建筑、醫療、地質以及視頻游戲等領域有著廣泛應用。三維建模將設計表達轉化為可視化方案，可為后續的制造加工提供依據。目前，三維建模軟件主要有：PTC 公司的Pro / E、Dassault公司的Catia 和SolidWorks、Siemens 公司的NX、AutoDesk公司的Inventor等。其中，SolidWorks是基于Windows開發的三維CAD 系統，操作性好，易于完成設計、仿真、渲染等功能，已成為國內高校三維建模實踐課程的常用軟件［1-5］，我校亦購置了該軟件用于三維建模實踐教學。現結合三維建模教學實踐過程中存在的問題進行分析，并提出解決方案。

1 “三維建模”實踐教學目標及現狀

“三維建模”作為工程實踐課程的一個訓練項目，教學目的明確，是完成課程整體目標不可或缺的組成部分［6～9］。以SolidWorks 軟件為載體的“三維建模” 實踐教學，旨在使學生掌握SolidWorks的功能及應用，包括草圖繪制、編輯等零件建模方法、實體生成方法、系統的裝配及設計以及工程圖的制作等，使學生理解計算機輔助設計制造系統理念，并能利用該軟件進行設計和仿真，從而建立解決問題的能力。

目前的教學仍存在一些問題。①學生對三維建模的知識儲備差異化較其它實踐訓練項目（如車工、數控加工等）更為明顯。少數學生在高中甚至更早的基礎教育階段已接觸過設計軟件，有的還具備一定的設計軟件使用能力和設計經驗，而有的學生則從未接觸過這類軟件。②隨著工程實踐教學學時的普遍壓縮以及訓練項目的增多，“三維建模”的教學學時通常被壓縮至8 學時甚至6 學時。在相對較短的學時內要完成教學目標，對教學過程提出了很大的挑戰。③“三維建模”的考核評估存在主觀性評估問題，如以設計布局整齊合理、標準格式統一、位置合理等作為評價點，對于設計軟件的掌握和使用缺乏技術性考核，通過考核引導學生進行技能學習和訓練的驅動力不足。

針對上述問題，提出一種開放性實踐教學模式，并結合SolidWorks 的CSWP （Certified SolidWorks Professional）認證考試的方法優化教學考核模式，實現上述問題的解決。

2 三維建模實踐課程的開放性教學模式

為解決一些特定的教學問題，出現了很多創新教學模式，如翻轉課堂等［10-13］。開放性實踐教學模式，一般是利用開放實踐場所為學生的自主實踐（如課程項目制作、大學生創新項目制作、競賽社團等任何實踐活動）提供開放的空間環境和實踐載體，并通過系列實踐培訓后，對學生的實踐能力和水平進行考核與認證，實現學生自主分級使用實踐場所、設備和儀器等，有利于營造出安全、規范的“工程圖書館”實踐氛圍。

將開放性實踐教學理念引入以CAD 軟件學習為主的“三維建模”實踐課程教學中，將課程按入門課程、基礎課程和高級課程來分層次進行重構，定期開展不同層次的課程培訓并進行標準化的課程考核評估；學生可根據自身實際情況選擇某一層級的課程參加學習并參加相應的標準化考核評估。這一教學模式，有效解決了學生知識起點差異化問題，既達到了基本教學目標，也為起點較高的學生提供了進一步提升的途徑；同時，通過系列培訓和標準化考核評估，為開放實踐基地的規范使用、安全使用提供了保障，為學生進入開放實踐場所提供準入標準和參考，對促進學生自主實踐學習提供便利條件，也為個性化的興趣學習提供可能。

3 CSWP認證考試方法在實踐教學中的應用

3.1 CSWP認證考試概述

CSWP是SolidWorks 全球性認證考視項目，主要考察軟件應用專業工程師對設計、仿真一體化軟件的使用水平和解決問題的能力，受到一些應用型本科高校的重視，并推動了雙證書制和考試認證的教學模式改革［14-16］。該考試項目以設計為中心的三維建模能力出發，著重考察使用三維設計軟件的設計能力。除了測試個人使用軟件的基本能力外，也注重評估個人使用SolidWorks建立參數化模型、維護產品設計意圖的專業技能。

3.2 CSWP在三維建模實踐教學考核中的借鑒

CSWP考試內容有：①設計基本概念［圖1（a）］；②從圖紙尺寸進行零件建模，進行質量分析［圖1（b）］；③更新零件參數或在基礎零件的基礎上，創建更復雜的零件進行質量特性分析［圖1（c）］；④創建一個組件，即進行零件裝配，使用坐標系統進行目標位置確定和質量特性分析［圖1（d）］。

比較CSWP 考試內容與“三維建模”實踐課程的教學內容，二者在內容和知識點要求上是一致的，如工程視圖表達、零件的建模方法以及零件裝配等。CSWP考試以零件的質量特性分析和組件裝配的坐標系確定和質量特性分析作為考核點，是對設計能力和軟件使用能力的一種科學且客觀的考核方法，避免過多的教師主觀評估。因此，在“三維建模”實踐課程的考核時，借鑒CSWP考試的零件質量分析和組件裝配的坐標系判定方法，針對不同專業學生設計難度不同的零件和裝配圖，在給定材料要求的情況下，分析零件質量和組件的質心。通過測量草圖的輪廓和面積，作為草圖繪制的正確性考核。以CSWP 考試內容為基礎，基于草圖、零件實體和裝配的測量評估，是一種評價軟件使用能力的客觀評估標準。

借鑒CSWP的認證考試方法，設計了“三維建模” 實踐課程考核方法如表1 所示。

4 教學改進評價分析

對2019 級的2 個班共計39 名學生開展問卷調查，從分層教學模式的需求以及考核方式改進評價進行調查分析，其中93.75%的同學對分層教學提出需求。從計算機輔助設計-制造理念的理解、軟件使用能力、考核方法的客觀公正3 個方面進行考核方式改進效果分析，調查結果如表2 所示。

圖1 CSWP考試題目部分類型

表1 “三維建模”實踐課程考核方法

表2 考核方式改進效果

結果表明，CSWP 模式考核的滿意度較原有考核方式的滿意度在評價內容的3 個方面均有不同程度的提升，尤其考核方式的客觀性上提升最為明顯。

5 結 語

針對“三維建模”實踐教學中存在的學生知識基礎差異化問題，提出了開放性實踐培訓和基于CSWP模式考核認證的教學改革，既是一種多元化教學模式的初步探索，也是課程教學的改進。借鑒SolidWorks的CSWP認證模式，制定了標準化考核評估方法，有利于改進“三維建模”實踐教學效果。從實際調研評價看，CSWP認證模式的考核方式在引導現代設計-制造一體的理念上、評價軟件的使用能力及其客觀性上都具有明顯的優勢。