基于CDIO背景下多方位三維CAD課程教學體系的研究

• “三維CAD基礎(chǔ)”課程是機械類專業(yè)重要的學科基礎(chǔ)課，也是工業(yè)數(shù)字化設(shè)計的核心課程。首先，總結(jié)了該課程建設(shè)發(fā)展歷程與課程教學中存在的問題，并分析了CDIO工程教育理念和Web3D虛擬現(xiàn)實技術(shù)；然后，提出了基于CDIO工程教育理念的多方位課程教學體系的建設(shè)與實踐，涉及理論教學課堂、上機實驗教學課堂、網(wǎng)絡(luò)教學課堂、新形態(tài)教材建設(shè)等，構(gòu)建出一個多方位、立體化的課程教學體系。在理論教學中，以CDIO工程教育模式為導向，將構(gòu)思、設(shè)計、實現(xiàn)和運作4個階段形成閉環(huán)；并將信息化技術(shù)手段有機融入混合式教學中。經(jīng)過實踐證明，基于CDIO工程教育背景下多方位課程教學體系的研究與實踐，在三維CAD課程教學中的應(yīng)用展現(xiàn)了一定的效果，對于工程制圖、機械CAM等其他相關(guān)課程的改革也具有積極的參考意義。

關(guān)鍵詞：CDIO工程教育 """"三維CAD教學""" "多方位教學體系"""" "Web3D技術(shù)

中圖分類號：G640

Research on the Teaching System of Multi -Ddimensional 3D CAD Course Based on CDIO Background

LI Fusong """LOU Yuyin^* """QIN Zhen """YI Dongwei """WANG Wenjun """YIN Shuai """YU Zhengshan

Liuzhou Institute of Technology， Liuzhou， Guangxi Zhuang Autonomous Region， 545006 China

• ： ：The basic course of 3D CAD is an important "subject foundationbasic course for mechanical engineering majors and a core course for industrial digital design. Firstly， it summarizes the development process of the course construction and the problems existing in the course teaching， and analyzes the CDIO engineering education philosophy and Web3D virtual reality technology; Then， the construction and practice of a multi-dimensional curriculum course teaching system based on the CDIO engineering education concept were proposed， involving theoretical teaching classrooms， computer-based experimental teaching classrooms， online teaching classrooms， and new forms of textbook construction， etc.， to construct a multi-dimensional and three-dimensional curriculum course teaching system. Guided by the CDIO engineering education model in theoretical teaching， a closed loop is formed between the four stages of conception， design， implementation， and operation; And it integrates information technology into blended learning. Through practical experience， it has been proven that the reform research and practice of the multi-dimensional curriculum course teaching system based on CDIO engineering education has demonstrated its effectiveness in the teaching of 3D CAD courses， and. it has positive reference significance for the reform ofIts core concepts and methods are also applicable to other related courses， such as engineering drawing and mechanical CAM.

Key Wwords： ：CDIO engineering education; 3D CAD teaching; Multi- directional teaching system; Web3Dd technology

“三維CAD基礎(chǔ)”課程作為機械類專業(yè)一門重要的學科基礎(chǔ)課，其主要任務(wù)是培養(yǎng)學生運用三維軟件進行產(chǎn)品數(shù)字化建模與設(shè)計的能力，解決工程實際問題的實踐技能，包括有基本的零件建模、曲面造型、零部件裝配、生成二維工程圖。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展和計算機的普及，計算機輔助設(shè)計、制造已廣泛應(yīng)用于我國的各個領(lǐng)域，利用相關(guān)的三維造型軟件可以直接繪制出零件的三維圖形，對產(chǎn)品的表現(xiàn)更加具體和直接；同時，三維軟件和數(shù)控中心無縫對接，可以對三維產(chǎn)品進行直接加工^[1]。因此，作為工科學生，特別是機械專業(yè)的學生而言，能夠熟練應(yīng)用計算機三維繪圖軟件是最基本的技能。

《中國制造2025》明確提出制造業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型要求，這對“三維CAD基礎(chǔ)”課程提出新挑戰(zhàn)。作為機械與計算機技術(shù)結(jié)合的關(guān)鍵課程，其教學應(yīng)順應(yīng)信息化、數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展。因此，需要深入探索該課程的教學改革與研究，通過創(chuàng)新教學方法與內(nèi)容，構(gòu)建符合時代需求的課程教學體系，提升學生的專業(yè)技能與創(chuàng)新能力，以滿足制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的人才需求。

1""" 三維CAD課程現(xiàn)狀

“三維CAD基礎(chǔ)”課程的主要教學目標如下：培養(yǎng)具有熟練利用三維軟件進行中等復雜程度的三維零件建模、裝配的能力，培養(yǎng)具有三維模型轉(zhuǎn)換為二維工程圖的能力，能夠熟練運用三維軟件進行設(shè)計和解決工程實踐問題的能力；同時，培養(yǎng)學生具有愛崗敬業(yè)的敬業(yè)精神，建立嚴謹?shù)墓ぷ髯黠L和科學的工作態(tài)度。

雖然“三維CAD基礎(chǔ)”課程經(jīng)歷了多年建設(shè)，取得了一定的成果，但是根據(jù)教學反饋、調(diào)研分析，發(fā)現(xiàn)該課程在教學過程中普遍存在的問題。

• 課程在傳統(tǒng)的課堂授課教學模式中，在授課中學生的差異性被忽略，很難培養(yǎng)學生自主學習和探索的能力，難以滿足不同學生的個性化要求。
• 傳統(tǒng)線下教學模式，學生想尋找課程相關(guān)資源學習、想隨時互動、靈活自主學習又受到時間和空間的限制。

2""" 相關(guān)改革理念和信息化技術(shù)

2.1" CDIO工程教育理念

CDIO工程教育理念是由麻省理工學院等國際知名大學研究探索出的一種將理論課程和實驗課程有效結(jié)合，以學生為中心的先進教育改革成果^[2-3]。CDIO代表構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計（Design）、實現(xiàn)（Implement）和運作（Operate） ，它以產(chǎn)品研發(fā)到產(chǎn)品運行的生命周期為載體 ，讓學生以主動的、實踐的、課程之間有機聯(lián)系的方式學習工程^[2-3]。CDIO培養(yǎng)大綱將工程畢業(yè)生的能力分為工程基礎(chǔ)知識、 個人能力、人際團隊能力和工程系統(tǒng)能力4個層面，大綱要求以綜合的培養(yǎng)方式使學生在這4個層面達到預定目標^[2] 。

2.2" 虛擬現(xiàn)實VR技術(shù)

虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，VR）是一種基于三維立體效果的虛擬環(huán)境，具有沉浸、多感知和可交互等特性，是仿真技術(shù)的發(fā)展方向之一^[4] ；也是采用成熟的計算機圖形技術(shù)生成逼真的視覺、聽覺等多感知的三維立體虛擬環(huán)境，在這樣的虛擬現(xiàn)實環(huán)境中，體驗者可以身臨其境般、自然不受約束地對虛擬對象進行交互操作和感知交流。因此，虛擬現(xiàn)實技術(shù)的產(chǎn)生以及發(fā)展，為人們提供了更為真實的人機交互方式，特別是在教育教學中提供了更為先進的方式。Web3D技術(shù)是傳統(tǒng)虛擬現(xiàn)實技術(shù)的一個分支，是一種在虛擬現(xiàn)實技術(shù)基礎(chǔ)上，充分利用互聯(lián)網(wǎng)，在網(wǎng)頁上顯示三維立體模型并可以互動瀏覽操作的技術(shù)^[5-6]。近年來，隨著網(wǎng)絡(luò)帶寬的大幅度提升及Web3D技術(shù)的進一步發(fā)展，基于Web3d虛擬現(xiàn)實技術(shù)已經(jīng)逐漸普及起來。

3""" 具體改革建設(shè)與實踐

為了更好地達成教學目標，“三維CAD基礎(chǔ)”課程改革探索采用CDIO工程教育理念、融入信息化技術(shù)，構(gòu)建立體化的三維CAD課程教學模式，包括理論教學課堂、上機實驗課堂、網(wǎng)絡(luò)教學課堂和教學組織實施方面。

3.1" “CDIO理念”融入理論教學課堂

以CDIO工程教育模式為導向，以學生為主體，分別從構(gòu)思、設(shè)計、實現(xiàn)和運作4個階段融入“三維CAD基礎(chǔ)”課程理論教學課堂中，采用閉環(huán)反饋式教學法加強學生對理論知識的理解。

（1）學生構(gòu)思三維產(chǎn)品制造工藝，精簡工具命令，遵循“理論夠用”原則學習基礎(chǔ)知識。

（2）案例設(shè)計，根據(jù)所學知識點由教師提出設(shè)計項目，以工程實踐案例為主，師生共同討論項目的解決方案，學生組隊合作完成設(shè)計任務(wù)。

（3）仿真實現(xiàn)，首先利用設(shè)計方法完成三維模型構(gòu)建，然后結(jié)合虛擬仿真技術(shù)如Web3d技術(shù)、HTML5將三維作品在課程教學平臺中進行真實環(huán)境模擬、交互展示，分析數(shù)據(jù)和成果。學生確定齒輪零件的設(shè)計方法后在三維軟件中進行構(gòu)造，完成三維模型，再利用不同仿真技術(shù)在不同環(huán)境中進行模擬、展示。

（4）運作演示、共享，共建教學資源庫。各組分享項目的設(shè)計成果以及問題，相互點評、討論，教師分析總結(jié)；驗證過程是否正確，再對設(shè)計方案進行優(yōu)化，強化學生學習效果；引入學生的實踐作品案例共建課程教學資源，并創(chuàng)新融入虛擬仿真技術(shù)，豐富線上課程資源。

通過CDIO理念，不僅能夠滿足學生多樣化的要求和不同層次的能力基礎(chǔ)，而且由被動變主動，將理論與實踐有機結(jié)合，進一步開拓思維，條條大路通羅馬，達到適合自己學情最好的學習效果。

3.2" 構(gòu)建“多方位”上機實驗教學課堂

“三維CAD基礎(chǔ)”上機實驗改革主要包括“虛擬仿真式”實驗教學改革和“項目式”上機實驗任務(wù)改革，形成“多方位”的實驗教學改革。

3.2.1""""""" 擬仿真式”實驗教學改革

“三維CAD基礎(chǔ)”課程教學采用設(shè)計仿真軟件UG NX12.0和Web3d技術(shù)來具體實現(xiàn)，UG NX軟件具有設(shè)計、加工、運動仿真功能，具有模擬和分析功能，同時教學平臺中集成了Web3d虛擬仿真技術(shù)。學生只需根據(jù)所要設(shè)計的任務(wù)完成三維建模、裝配，轉(zhuǎn)換為指定格式即可上傳到教學平臺上，從而在電腦或手機上直觀、交互地展現(xiàn)三維產(chǎn)品設(shè)計成果，并相互驗證其結(jié)構(gòu)、功能是否完整。

3.2.2""""""" “項目式訓練”上機實驗改革

課程上機實驗任務(wù)改革主要通過“項目式訓練”方式進行引導，首先教師以項目方式下達任務(wù)，學生自主選題、自行設(shè)計，根據(jù)圖紙需求擬定設(shè)計方案，然后進行上機實驗。教師在學生上機實驗期間給予適當引導，學生作為主角在實踐中發(fā)揮自己的想象力、創(chuàng)造力和實踐能力，通過做項目的方式，提高學生獨立分析和解決問題的能力。

3.3" 構(gòu)建“立體化”網(wǎng)絡(luò)教學課堂

在移動互聯(lián)網(wǎng)高速發(fā)達時代，結(jié)合現(xiàn)代教學手段，利用現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)資源，搭建“三維CAD基礎(chǔ)”智慧學習環(huán)境。三維CAD課程網(wǎng)絡(luò)教學平臺經(jīng)過一定時間的正式運行，基本滿足普通課程教學管理的要求，并在以下方面進一步改革。

（1）學生在課程教學平臺下復習課堂理論、下載課件、上傳作業(yè)、在線答疑，同時可以將在線作品驗證、虛擬實驗、試題測試的結(jié)果同步反映在后臺數(shù)據(jù)庫，為學生自主學習提供良好的“多方位”網(wǎng)絡(luò)教學功能。

（2）教學平臺擴展多種功能模塊達到教學目的和教學過程監(jiān)控，重點體現(xiàn)以學生為中心、教師為輔的引導式教學，實現(xiàn)先學后教、以學定教的目標。

（3）教學平臺融入Web3D技術(shù)、虛擬仿真技術(shù)和信息化手段，實現(xiàn)三維模型在瀏覽器中動態(tài)展示、交互操控，如圖1所示。三維模型無論在教師和學生的電腦端、手機端上均可以實時交互，展現(xiàn)教學信息化手段的有效利用，提升教學效果，實現(xiàn)新型教學互動。

三維模型實現(xiàn)網(wǎng)頁Web3D動態(tài)展示效果，其中一種方法是在教學平臺中引入Threee.js技術(shù)。Three.js是基于原生WebGL封裝運行的3D引擎^[7-8]，是一個輕量級、跨平臺的JavaScript庫，允許在不依賴任何瀏覽器插件的情況下，創(chuàng)建一個GPU加速的3D場景，因此完全兼容當前主流瀏覽器（如Internet Explorer、Firefox、chrome和360瀏覽器等）。首先，在三維設(shè)計軟件如UG NX中設(shè)計好三維模型prt格式，然后將三維模型prt格式轉(zhuǎn)換為stl格式，之后將stl格式的模型文件上傳到教學平臺中，即可實現(xiàn)動態(tài)交互、實時互動的功能，大大提升學生學習積極性，進一步提高教學效果。

4""" 教學效果反饋及總結(jié)

• CDIO工程教育背景下多方位課程教學體系的改革與實踐，在三維CAD課程教學中的應(yīng)用已經(jīng)展現(xiàn)了顯著的效果，其核心理念和方法同樣適用于其他相關(guān)課程，如工程制圖、機械CAM等。這種改革與實踐的重要意義和推廣價值主要體現(xiàn)在以下幾個方面。
• 1）強化學生實踐能力與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。CDIO教育模式強調(diào)將課程內(nèi)容與實際應(yīng)用緊密結(jié)合，通過參與真實的工程項目，學生在實踐中學習、思考和解決問題。

（2）促進學生綜合素質(zhì)的提升。在工程項目中，學生需要與其他成員緊密合作，共同完成任務(wù)，這有助于培養(yǎng)他們的團隊合作精神和溝通能力。

（3）推動課程內(nèi)容的更新與豐富。在CDIO教育模式下，課程內(nèi)容不再局限于傳統(tǒng)的教材和課堂講授，而是更加注重與實際應(yīng)用相結(jié)合。對于三維CAD、工程制圖和機械CAM等課程來說，可以引入更多的行業(yè)案例、標準規(guī)范和先進技術(shù)，使課程內(nèi)容更加豐富和貼近實際。

5""" 結(jié)語

探討基于CDIO模式的“三維CAD基礎(chǔ)”課程教學改革，實踐表明，該模式能夠顯著提升學生實踐與創(chuàng)新能力，促進學生綜合素質(zhì)提升，并推動課程內(nèi)容的更新與豐富。其成功不僅限于本課程，也為其他機械類與計算機技術(shù)結(jié)合課程提供了借鑒。未來，應(yīng)進一步深化CDIO教育模式的應(yīng)用，為制造業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型培養(yǎng)更多高素質(zhì)人才。

參考文獻

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