應(yīng)用型本科院校三維CAD課程教學(xué)改革方法研究

徐偉偉 李光榮 蔣立異 王博翔 錢(qián)正春

摘要 隨著機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)多元化及數(shù)字化發(fā)展，三維建模軟件學(xué)習(xí)已成為應(yīng)用型本科院校機(jī)械類專業(yè)的必修課之一。文章以機(jī)械專業(yè)三維CAD上機(jī)課程為例，基于工程認(rèn)證理念，分析了傳統(tǒng)教學(xué)中存在的問(wèn)題，并結(jié)合課程特點(diǎn)，以能力培養(yǎng)為目標(biāo)，分別從教學(xué)環(huán)節(jié)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法及考核方式幾個(gè)方面提出優(yōu)化思路。改革后經(jīng)教學(xué)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性、操作熟練度及創(chuàng)新意識(shí)得到顯著提高，或可為其他同類實(shí)踐性課程提供理論指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞 應(yīng)用型；三維CAD；機(jī)械類專業(yè)；教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：G642文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2023.18.017

隨著智能制造的發(fā)展，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)在制造業(yè)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，相應(yīng)企業(yè)對(duì)應(yīng)聘者計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技能的掌握要求也越來(lái)越高[1]。因此，三維CAD課程已成為機(jī)械類專業(yè)學(xué)生的專業(yè)基礎(chǔ)課程之一，也是非常重要的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)。UG是集CAD/CAE/CAM于一體的高端三維參數(shù)化設(shè)計(jì)軟件，在機(jī)械工程、電子技術(shù)、航空航天、車輛工程及日常生活產(chǎn)品等工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛，目前已成為高校機(jī)械類專業(yè)三維建模的首選軟件[2]。在該類課程教學(xué)中很多學(xué)者做了多種教學(xué)模式及方法的探索，如引入CDIO教學(xué)模式[3]、翻轉(zhuǎn)課堂的形式[4]、項(xiàng)目教學(xué)法[5]等。但有幾個(gè)問(wèn)題依然值得我們思考，一是在有限的課時(shí)內(nèi)如何合理安排教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)環(huán)節(jié)；二是教學(xué)方法的選擇及運(yùn)用如何保證培養(yǎng)目標(biāo)的達(dá)成；三是在掌握基本技能的基礎(chǔ)上如何提高學(xué)生的自主設(shè)計(jì)能力及創(chuàng)新能力。本文從這幾個(gè)問(wèn)題出發(fā)，以本單位三維CAD上機(jī)課程為例進(jìn)行課程改革，優(yōu)化教學(xué)環(huán)節(jié)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法及考核方法等，培養(yǎng)學(xué)生的自主創(chuàng)新意識(shí)、自主學(xué)習(xí)能力、動(dòng)手能力及團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，提升學(xué)生理實(shí)結(jié)合、嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的專業(yè)素養(yǎng)，從而成為新時(shí)代的應(yīng)用型創(chuàng)新型人才。

1三維CAD上機(jī)目前存在的問(wèn)題

1.1學(xué)生專業(yè)技能水平不一

三維CAD上機(jī)這門(mén)課程涉及的專業(yè)包括機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化專業(yè)、機(jī)械電子工程、機(jī)械工程、工業(yè)工程等，在該課程開(kāi)設(shè)之前，學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)工程制圖、機(jī)械設(shè)計(jì)原理、機(jī)械制造基礎(chǔ)等專業(yè)課程。但不同專業(yè)學(xué)生的專業(yè)技能水平不一，對(duì)三維建模設(shè)計(jì)技術(shù)的理解程度不同，對(duì)于繪圖基礎(chǔ)和計(jì)算機(jī)操作水平較弱的學(xué)生，需要從三維建模最基礎(chǔ)的內(nèi)容開(kāi)始學(xué)習(xí)。

1.2教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)及課時(shí)分配問(wèn)題

三維CAD上機(jī)類課程總課時(shí)較短，傳統(tǒng)的教學(xué)安排是一半的課時(shí)用來(lái)講授理論及案例演示，一半的課時(shí)上機(jī)練習(xí)，項(xiàng)目任務(wù)則安排在課后完成。然而這種工程軟件應(yīng)用課程具有以練為主的特點(diǎn)，由于課時(shí)數(shù)的限制，大量的理論講解導(dǎo)致學(xué)生并不能很快地消化，甚至出現(xiàn)講完就忘的現(xiàn)象。上機(jī)時(shí)間太短，師生互動(dòng)欠佳，學(xué)生仍停留在理論層面，練習(xí)少，無(wú)法很好地掌握軟件操作技能及技巧。

1.3教學(xué)方法不合適

當(dāng)前課堂教學(xué)大多依然采用多媒體演示方法進(jìn)行教學(xué)，學(xué)生對(duì)教學(xué)內(nèi)容，尤其是軟件操作要點(diǎn)無(wú)法反復(fù)學(xué)習(xí)，而且手段過(guò)于單一，學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性無(wú)法有效調(diào)動(dòng)，難以保證教學(xué)效果。此外，教學(xué)內(nèi)容較多，課堂講授安排較滿，師生缺乏互動(dòng)，大量的命令學(xué)習(xí)學(xué)生無(wú)法及時(shí)消化，實(shí)際操作水平難以提升。

1.4考核形式單一

現(xiàn)有的這類實(shí)踐課考核形式主要以任務(wù)完成情況及平時(shí)成績(jī)（多以出勤率為主）作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，然而任務(wù)書(shū)內(nèi)容涉及的零件模型具有片面性，僅能涵蓋部分三維建模軟件命令的使用，無(wú)法全面了解學(xué)生對(duì)所學(xué)軟件的綜合應(yīng)用能力，而且單一的項(xiàng)目任務(wù)的難易程度與學(xué)生實(shí)際掌握情況存在匹配性不足的問(wèn)題。

2課程教學(xué)環(huán)節(jié)、內(nèi)容、方法及考核辦法的改革

本文針對(duì)三維CAD上機(jī)課程教學(xué)過(guò)程中存在的問(wèn)題，結(jié)合工程教育認(rèn)證理念[6]，以能力培養(yǎng)為目標(biāo)，對(duì)該課程的教學(xué)環(huán)節(jié)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法及考核方法等進(jìn)行了以下改革。

2.1教學(xué)環(huán)節(jié)優(yōu)化

考慮到三維CAD上機(jī)課程實(shí)操性和應(yīng)用性強(qiáng)的特點(diǎn)，在總課時(shí)（24課時(shí)）不變的情況下，調(diào)整課堂講授及上機(jī)練習(xí)時(shí)間的比例，上機(jī)練習(xí)課時(shí)從原來(lái)的50%提升到65%左右，在上機(jī)練習(xí)過(guò)程中通過(guò)設(shè)定不同等級(jí)的練習(xí)題提升學(xué)生的實(shí)操技能，同時(shí)練習(xí)過(guò)程中伴隨有小組討論及答疑等環(huán)節(jié)，小組成員在綜合性較強(qiáng)的零件建模練習(xí)時(shí)通過(guò)小組討論的方式分享各自的建模思路，不僅可培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)精神，而且對(duì)培養(yǎng)自身的表達(dá)能力和創(chuàng)新能力也具有重大的促進(jìn)作用。單純的課堂環(huán)節(jié)課時(shí)有限，并不能有效地提升學(xué)生的綜合應(yīng)用能力，因此在課后安排項(xiàng)目設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，學(xué)生以小組的形式完成一個(gè)機(jī)械裝置的設(shè)計(jì)、建模、裝配及工程圖制作，以此來(lái)提升團(tuán)隊(duì)意識(shí)及創(chuàng)新能力，并且提升該課程相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的靈活運(yùn)用能力，提升軟件操作技能。課程結(jié)束前，設(shè)置成果驗(yàn)收環(huán)節(jié)，主要以小組答辯的形式開(kāi)展，各小組推選匯報(bào)人，介紹項(xiàng)目設(shè)計(jì)的建模思路、建模過(guò)程及后續(xù)改進(jìn)設(shè)想等內(nèi)容，讓學(xué)生不僅會(huì)做，還會(huì)說(shuō)。

2.2教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化

由于縮減了課堂講授時(shí)間，對(duì)于教學(xué)內(nèi)容的合理安排變得至關(guān)重要。該課程的知識(shí)單元包括了零件建模中的草圖、體速特征、布爾運(yùn)算、掃描特征、設(shè)計(jì)特征、參考特征、細(xì)節(jié)特征等特征命令的操作，以及裝配、工程圖的操作等。在課堂講授中不再面面俱到，而是主要介紹軟件功能、基本操作方法、操作技巧、建模思路、裝配方法等，并將三維建模與機(jī)械制造、機(jī)械設(shè)計(jì)等專業(yè)基礎(chǔ)理論課程聯(lián)系起來(lái)，促進(jìn)課程融合。此外，各種命令的具體操作過(guò)程及實(shí)例演示則通過(guò)學(xué)習(xí)通線上資源來(lái)補(bǔ)充。學(xué)生在上機(jī)練習(xí)時(shí)可參照線上資源演示進(jìn)行復(fù)制操作，同時(shí)每次上機(jī)課會(huì)布置上機(jī)練習(xí)任務(wù)，進(jìn)行基本技能訓(xùn)練，包括草圖及約束練習(xí)、零件實(shí)體建模練習(xí)、虛擬裝配練習(xí)、工程圖轉(zhuǎn)換及標(biāo)注練習(xí)等。通過(guò)教學(xué)內(nèi)容的合理安排做到理論與實(shí)踐緊密配合，加深學(xué)生對(duì)其他基礎(chǔ)理論課程的理解及三維建模方法的認(rèn)識(shí)。

2.3教學(xué)方法優(yōu)化

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，教學(xué)方法更加多樣化、信息化。本課程除了常規(guī)的多媒體，還在教學(xué)過(guò)程中引入了線下線上混合教學(xué)的模式，在學(xué)習(xí)通上建設(shè)了課程資源，按照課程大綱教學(xué)內(nèi)容要求錄制短視頻并發(fā)布任務(wù)點(diǎn)，學(xué)生可以利用零碎的時(shí)間觀看相關(guān)知識(shí)點(diǎn)視頻，上機(jī)時(shí)間或者課后可以完成相關(guān)的建模練習(xí)任務(wù)。此外，在課堂教學(xué)中會(huì)發(fā)布課堂活動(dòng)、作業(yè)等，利用線上學(xué)習(xí)平臺(tái)的數(shù)據(jù)化管理，及時(shí)了解學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)程和水平，針對(duì)學(xué)習(xí)中遇到的共性問(wèn)題及時(shí)給出解決方案，并重點(diǎn)講解。

除此之外，引入開(kāi)放式的個(gè)性項(xiàng)目化設(shè)計(jì)。該課程實(shí)操性較強(qiáng)，需要利用工程實(shí)踐來(lái)檢驗(yàn)學(xué)習(xí)效果，但學(xué)生存在個(gè)體差異，個(gè)人掌握水平及技能水平不一致，因此太簡(jiǎn)單的項(xiàng)目設(shè)計(jì)課題對(duì)學(xué)生技能的提升起不到促進(jìn)作用，而太難的項(xiàng)目設(shè)計(jì)對(duì)部分學(xué)生而言完成存在較大困難，容易缺乏信心，難以保證完成的質(zhì)量。因此，在該課程中將項(xiàng)目設(shè)計(jì)任務(wù)分為給定式任務(wù)及創(chuàng)新性任務(wù)兩大類，其中給定式任務(wù)包括不同難易程度的任務(wù)，如千斤頂、虎鉗等，預(yù)先給定多組部分零件的關(guān)鍵尺寸，學(xué)生建模時(shí)需按照結(jié)構(gòu)勻稱、協(xié)調(diào)、合理、符合機(jī)械設(shè)計(jì)規(guī)范的原則自行設(shè)計(jì)其余尺寸，該類任務(wù)可以強(qiáng)化學(xué)生的設(shè)計(jì)能力和模型構(gòu)建能力，提升UG軟件基礎(chǔ)操作技能，同時(shí)能促進(jìn)學(xué)生將機(jī)械設(shè)計(jì)課程的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)理論應(yīng)用到實(shí)踐中來(lái)，加深對(duì)專業(yè)理論知識(shí)的理解和應(yīng)用；創(chuàng)新性任務(wù)則是學(xué)生自主選題，基于大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目、科研項(xiàng)目進(jìn)行一些創(chuàng)新設(shè)計(jì)，引導(dǎo)學(xué)生走進(jìn)生產(chǎn)、發(fā)現(xiàn)生活、暢想未來(lái)，從生產(chǎn)生活中迸發(fā)靈感進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，可借此培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新能力。

2.4考核辦法優(yōu)化

為深入了解學(xué)生教學(xué)過(guò)程中的學(xué)習(xí)狀態(tài)、學(xué)習(xí)成效、掌握水平等情況，可增加過(guò)程評(píng)價(jià)指標(biāo)，并結(jié)合成果評(píng)價(jià)來(lái)驗(yàn)收，提高學(xué)生的綜合應(yīng)用能力。該課程的考核以考核學(xué)生能力培養(yǎng)目標(biāo)的達(dá)成為主要目的，以檢查學(xué)生對(duì)各知識(shí)點(diǎn)的掌握程度為重要內(nèi)容，以上機(jī)操作為主要考核方法，在總成績(jī)中，時(shí)間管理占10%，上機(jī)練習(xí)占30%，項(xiàng)目設(shè)計(jì)占60%。

①時(shí)間管理。主要考查學(xué)生課堂出勤及參與情況，課程所有環(huán)節(jié)可以借助線上平臺(tái)對(duì)課堂活動(dòng)、考核記錄、學(xué)情等進(jìn)行數(shù)據(jù)化管理，根據(jù)學(xué)生出勤及課堂活動(dòng)參與情況給出評(píng)價(jià)，占總成績(jī)的10%。

②上機(jī)練習(xí)。上機(jī)練習(xí)要求全程參與，按時(shí)完成三次以上上機(jī)訓(xùn)練和任務(wù)，每次上機(jī)單獨(dú)評(píng)價(jià)，上機(jī)成績(jī)由上機(jī)設(shè)計(jì)（30%）、課堂操作（30%）和模型完成度（40%）三部分組成，多次上機(jī)按平均值的30%計(jì)入課程總成績(jī)。

③項(xiàng)目設(shè)計(jì)。項(xiàng)目設(shè)計(jì)要求學(xué)生分組進(jìn)行，包括小組分工、建模裝配、撰寫(xiě)報(bào)告、答辯等環(huán)節(jié)，占課程總成績(jī)的60%。每位學(xué)生的項(xiàng)目設(shè)計(jì)成績(jī)由小組成績(jī)和組內(nèi)成績(jī)兩部分組成，小組成績(jī)從四個(gè)部分進(jìn)行評(píng)價(jià)，其中小組實(shí)踐安排占項(xiàng)目設(shè)計(jì)成績(jī)的10%；產(chǎn)品零件數(shù)量與三維模型占項(xiàng)目設(shè)計(jì)成績(jī)的40%；產(chǎn)品裝配占項(xiàng)目設(shè)計(jì)成績(jī)的20%；答辯情況占項(xiàng)目設(shè)計(jì)成績(jī)的30%。小組得分為組內(nèi)所有學(xué)生的平均分，每位學(xué)生的得分則依據(jù)其在組內(nèi)的貢獻(xiàn)，由各小組成員自行評(píng)價(jià)確定，但最高分與最低分差值不得小于15%。

3改革成效

經(jīng)過(guò)對(duì)19、20、21級(jí)6個(gè)班不同專業(yè)的三維CAD上機(jī)課程跟蹤調(diào)查發(fā)現(xiàn)，采用上述教學(xué)改革方法具有顯著的教學(xué)效果，如表1所示。從表中可以看出學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性得到明顯提高，原先理論講授時(shí)間有部分逃課現(xiàn)象，改革后出勤率提高到97%以上。上機(jī)練習(xí)課時(shí)比例增加可有效提升上機(jī)任務(wù)完成度，與改革前相比，上機(jī)任務(wù)完成度提高了15%以上。結(jié)合線上資源的學(xué)習(xí)，學(xué)生的操作技能明顯提升，原來(lái)模型練習(xí)數(shù)量?jī)H6―8個(gè)，改革后部分自主學(xué)習(xí)能力較強(qiáng)的學(xué)生練習(xí)模型數(shù)量達(dá)原來(lái)的兩倍，軟件操作技能提升迅猛。而項(xiàng)目設(shè)計(jì)方面，原來(lái)均選擇給定課題，近兩年教學(xué)過(guò)程中在自主選題上有了突破，部分班會(huì)有1―2個(gè)組進(jìn)行一些創(chuàng)新項(xiàng)目設(shè)計(jì)，表明該模式下部分學(xué)生已經(jīng)熟練掌握了各種命令的操作方法，并且具有一定的創(chuàng)新意識(shí)及創(chuàng)新精神。此外，經(jīng)過(guò)課上討論、互動(dòng)等環(huán)節(jié)的開(kāi)展，大多數(shù)學(xué)生在最終答辯時(shí)能對(duì)自己的成果進(jìn)行詳細(xì)有條理的介紹，語(yǔ)言表達(dá)能力顯著提高。

4結(jié)語(yǔ)

文章基于工程認(rèn)證教育理念，分析了三維CAD課程教學(xué)過(guò)程中存在的問(wèn)題，以能力培養(yǎng)為目標(biāo)，對(duì)該課程的教學(xué)環(huán)節(jié)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法及考核方法等進(jìn)行探索和改進(jìn)嘗試。結(jié)合教學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，可以發(fā)現(xiàn)講授和上機(jī)課時(shí)的優(yōu)化分配可促進(jìn)學(xué)生操作熟練度的提升；課堂講授內(nèi)容以啟發(fā)式教學(xué)為主，具體操作方法以線上課程資源作為輔助，可有效提高學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性及任務(wù)完成度；多種類型的項(xiàng)目設(shè)計(jì)課題可檢驗(yàn)學(xué)生操作技能的熟練度，并可有效提高學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)。該教學(xué)改革方式可為應(yīng)用型本科院校同類課程改革提供參考。

基金項(xiàng)目：江蘇省教育科學(xué)“十四五”規(guī)劃2021年度重點(diǎn)課題（C-b/2021/01/23）；南京工程學(xué)院科學(xué)基金項(xiàng)目（YKJ202004）。

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