多學(xué)科交叉視角下“工程制圖及CAD”課程的教學(xué)創(chuàng)新與優(yōu)化探究

摘要：探索了多學(xué)科交叉視角下“工程制圖及CAD”課程與多物理場仿真軟件COMSOL Multiphysics融合教學(xué)的創(chuàng)新模式，旨在優(yōu)化工程教育的教學(xué)效果。首先，分析了當(dāng)前課程教學(xué)內(nèi)容與現(xiàn)代工程實踐需求的差距，提出引入仿真軟件以強化學(xué)生在三維建模與仿真驗證方面的能力。其次，基于教學(xué)實踐，[ 4]"詳細介紹了利用COMSOL Multiphysics開展案例教學(xué)的具體方法，以及學(xué)生通過仿真分析工程結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的實踐經(jīng)驗。最后，通過教學(xué)反饋，總結(jié)了該融合教學(xué)模式的初步成效和優(yōu)化方向。[ 5]"為提升工程制圖課程的實踐性和綜合性提供了新思路，對工科教育教學(xué)改革具有重要借鑒意義。

關(guān)鍵詞：工程制[A6]"圖 計算機輔助設(shè)計 教學(xué)改革 實踐能力

Exploration of Teaching Innovation and Optimization of the \"Engineering Graphics and CAD\" Curriculum from a Multidisciplinary Intersection Perspective

WANG Zhiqi" ZHANG Xiufen" XUE Junfang

Inner Mongolia University of Technology， Hohhot， Inner Mongolia Autonomous Region， 010000 China

Abstract： This paper explores an innovative teaching model that integrates the “engineering graphics and CAD” curriculum with the multi-physics simulation software COMSOL Multiphysics from a multidisciplinary perspective， aiming to optimize the teaching effectiveness of engineering education. Firstly， the study analyzes the gap between the current curriculum content and the demands of modern engineering practices， proposing the incorporation of simulation software to strengthen students' skills in 3D modeling and simulation verification. Secondly， based on teaching practices， the paper provides a detailed account of the methods for conducting case-based teaching using COMSOL Multiphysics and demonstrates the practical experience of students in optimizing engineering structures through simulation analysis. Finally， through teaching feedback， the study summarizes the preliminary effectiveness and optimization directions of the integrated teaching model. This study offers new insights into enhancing the practicality and comprehensiveness of the engineering graphics curriculum and has important reference significance for the reform of engineering education and teaching.

Key Words： Engineering graphics; Computer aided design; Teaching reform; Practical skills

[ 7]"“工程制圖及CAD”是工科專業(yè)的一門重要基礎(chǔ)課程，旨在培養(yǎng)學(xué)生的工程繪圖能力、空間想象力與計算機輔助設(shè)計工具的操作技能。現(xiàn)階段，課程內(nèi)容包括AutoCAD二維繪圖和SolidWorks三維建模的綜合教學(xué)，既注重基礎(chǔ)理論知識的傳授，也強調(diào)實踐技能的訓(xùn)練。然而，隨著現(xiàn)代工程技術(shù)的快速發(fā)展，大多數(shù)企業(yè)逐漸采用三維建模直接生成工程圖，甚至在某些場景中完全取代了傳統(tǒng)的工程圖表達方式。這對學(xué)生在三維建模與結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面的能力提出了更高要求，也促使課程教學(xué)進一步向貼近實際工程需求的方向發(fā)展。

國際工程教育改革趨勢聚焦于簡明化、實踐化和跨學(xué)科融合，強調(diào)通過綜合能力的培養(yǎng)來提升學(xué)生的就業(yè)競爭力。在此背景下，如何通過優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，將理論教學(xué)與實踐環(huán)節(jié)有機結(jié)合，使學(xué)生既掌握基礎(chǔ)知識又具備解決復(fù)雜工程問題的能力，成為教學(xué)改革的重要議題。COMSOL Multiphysics作為一款多物理場仿真軟件，憑借強大的仿真功能和跨學(xué)科特性，為工程教育提供了創(chuàng)新的教學(xué)工具。將其引入“工程制圖及CAD”課程，可以為學(xué)生提供從幾何建模到多物理場仿真的完整學(xué)習(xí)體驗，幫助學(xué)生在實際工程問題中運用所學(xué)技能，從而彌補傳統(tǒng)教學(xué)中的不足。

本文以多學(xué)科交叉為視角，探討“工程制圖及CAD”課程與COMSOL Multiphysics融合教學(xué)的創(chuàng)新模式。通過分析課程現(xiàn)狀與工程實踐需求的差距，提出引入仿真軟件的教學(xué)改革思路，并結(jié)合具體教學(xué)案例展示其實施過程和實際效果。本研究為提升課程的實踐性與綜合性提供了新方向，對工科教育改革具有重要借鑒意義。

1 “工程制圖及CAD”教學(xué)現(xiàn)狀

“工程制圖及CAD”這門課程是內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)面向機械類、近機類等工科專業(yè)學(xué)生開設(shè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，共計72學(xué)時，其中：40學(xué)時為基礎(chǔ)理論知識的授課，32學(xué)時為計算機輔助設(shè)計軟件的實踐教學(xué)。實踐內(nèi)容包括AutoCAD二維工程圖的繪制與SolidWorks三維實體模型的建立。課程旨在培養(yǎng)學(xué)生的圖紙閱讀、繪圖能力、空間想象能力與對相關(guān)繪圖軟件的操作技能。與其他專業(yè)課程不同，“工程制圖及CAD”針對的是大一新生，具有先導(dǎo)性的教學(xué)意義^[1]。工程制圖被譽為工程技術(shù)界的語言^[2-3]，在相關(guān)領(lǐng)域具有重要地位。該課程對學(xué)生后續(xù)專業(yè)課程學(xué)習(xí)、課程設(shè)計與畢業(yè)設(shè)計的完成起到了重要支撐作用。此外，圖紙閱讀與繪圖能力也是學(xué)生在未來工作崗位中從事設(shè)備設(shè)計、仿真制造等多種工作所必需的重要技能。

目前，“工程制圖及CAD”課程主要專注于培養(yǎng)學(xué)生的繪圖和讀圖技能，但尚未深入研究三維零部件在企業(yè)中的實際應(yīng)用場景。大多數(shù)企業(yè)已經(jīng)采用直接通過三維模型生成工程圖的方法來表達零部件，甚至在現(xiàn)代化智能化加工設(shè)備的應(yīng)用下，某些加工制造過程中不再需要形成傳統(tǒng)的工程圖。因此，針對當(dāng)前工程實踐的需要，有必要調(diào)整課程重心，精簡或刪除部分行業(yè)實際需求較少的內(nèi)容^[4]，更加注重學(xué)生的三維實體建模設(shè)計能力的培養(yǎng)。另外，設(shè)計驗證和優(yōu)化是基于三維實體建模的，旨在確保產(chǎn)品在實際制造中的可行性和性能。因此，課程應(yīng)該更加貼近現(xiàn)實工程實踐，強調(diào)學(xué)生通過仿真驗證結(jié)構(gòu)可行性的能力。

當(dāng)今國際工程圖學(xué)教學(xué)潮流所倡導(dǎo)的是課程內(nèi)容簡明化和實用化、強調(diào)實踐能力的專業(yè)化培養(yǎng)^[5]。區(qū)別于傳統(tǒng)教育，新的教學(xué)體系需要具有以下特點：培養(yǎng)人才的綜合素質(zhì)培養(yǎng)能力，以創(chuàng)新型、適應(yīng)型、技術(shù)型人才為主要培養(yǎng)目標^[6]。在課程教學(xué)方面，傳統(tǒng)的理論講解往往難以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，為了更好地滿足未來工作崗位對學(xué)生的需求，有必要向?qū)W生們直接傳達三維建模與仿真的重要性^[7-8]。通過以未來工作崗位需求為導(dǎo)向的教學(xué)方式，將抽象理論轉(zhuǎn)變?yōu)榫唧w實踐，可以有效地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)內(nèi)驅(qū)力。這樣的教學(xué)方式能夠使學(xué)生們更加清晰地了解自己的職業(yè)規(guī)劃和學(xué)業(yè)規(guī)劃，從而有助于培養(yǎng)出國家制造業(yè)需要的人才。

綜上所述，當(dāng)前課程內(nèi)容與現(xiàn)實機械工程師崗位的要求存在一定脫節(jié)，傳統(tǒng)的課堂講授教學(xué)形式較為單一，很難保證學(xué)生的全過程學(xué)習(xí)專注度^[9-10]。因此，本文提出引入多物理場仿真軟件COMSOL Multiphysics向?qū)W生演示零部件應(yīng)力分布的仿真過程，不僅可以培養(yǎng)學(xué)生在三維實體建模和仿真驗證方面的專業(yè)能力，還通過混合式教學(xué)為學(xué)生提供情景化和參與化的學(xué)習(xí)體驗。

2 COMSOL Multiphysics仿真軟件在教學(xué)中的運用思路

針對不同的工科專業(yè)，如機器人工程、車輛工程、能源與動力工程等，學(xué)生們所應(yīng)用到的物理場有所不同，包括固體力學(xué)、流體力學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)等。為了更好地滿足跨學(xué)科需求，筆者在教學(xué)中選擇了COMSOL Multiphysics這一多物理場仿真軟件作為教學(xué)工具。該軟件以有限元法為基礎(chǔ)，通過求解偏微分方程或偏微分方程組來實現(xiàn)真實物理現(xiàn)象的仿真^[11]。這一教學(xué)選擇有助于學(xué)生在不同領(lǐng)域的工程實踐中應(yīng)用所學(xué)知識，促進跨學(xué)科綜合能力的培養(yǎng)。

素質(zhì)教育以“以人為本”為核心理念，強調(diào)因材施教、理論與實踐相結(jié)合，旨在通過全面激發(fā)學(xué)生的主觀能動性，促使其在學(xué)習(xí)過程中更好地理解和掌握知識體系。在工程教育教學(xué)實踐中，有針對性地將仿真軟件引入課堂，不僅能夠顯著提升學(xué)生在CAD繪圖技能方面的綜合應(yīng)用能力，還可以通過模擬復(fù)雜的物理現(xiàn)象與工程場景，將理論知識與實際工程問題有機融合，從而實現(xiàn)知識傳授的直觀化、具體化和實踐化目標，最終有效地促進教學(xué)質(zhì)量的全面提升。

通過仿真軟件生成色彩豐富且具有較高可視化效果的應(yīng)力分布云圖（或其他參數(shù)云圖），能夠極大地強化學(xué)生對仿真結(jié)果的感知和理解，使其在學(xué)習(xí)過程中既能夠直觀感受復(fù)雜工程問題中的數(shù)據(jù)分布規(guī)律，也能夠通過這樣的視覺刺激進一步加深對空間概念的認知與掌握。這種可視化展示方式不僅有助于增強學(xué)生的空間想象能力和對核心知識點的深層理解，還能夠通過提升學(xué)習(xí)動機和成就感，為培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力與創(chuàng)新思維提供更有力的支持，同時也契合當(dāng)前素質(zhì)教育改革對工程教育提出的實踐化和現(xiàn)代化要求。

此外，在教學(xué)過程中引入仿真軟件的同時，教師可以充分利用其作為實驗與驗證新思路的重要工具，為學(xué)生提供一個融合理論學(xué)習(xí)、實踐操作與問題解決的綜合性平臺，從而促使學(xué)生在利用該平臺進行實驗設(shè)計、參數(shù)調(diào)整和結(jié)果分析的過程中，通過發(fā)現(xiàn)問題、分析問題并最終提出解決方案，逐步形成獨立的創(chuàng)新意識與較強的實踐能力。這一過程將為學(xué)生未來參與科技競賽和從事相關(guān)工程實踐奠定堅實的基礎(chǔ)。特別是在現(xiàn)代工程領(lǐng)域中，熟練掌握COMSOL Multiphysics等先進仿真工具，不僅是學(xué)生適應(yīng)行業(yè)快速發(fā)展需求的基本能力，也成為提升其就業(yè)競爭力的重要技能之一。

同時，COMSOL Multiphysics軟件憑借廣泛涵蓋物理學(xué)、數(shù)學(xué)及工程學(xué)等多個學(xué)科領(lǐng)域的特點，為學(xué)生提供了一個充分發(fā)揮跨學(xué)科優(yōu)勢和多維學(xué)習(xí)體驗的平臺。這種跨學(xué)科屬性在教學(xué)實踐中不僅能夠推動學(xué)科間的交叉與融合，也能夠通過拓寬學(xué)生的學(xué)術(shù)視野，全面提升其在復(fù)雜工程問題上的綜合能力，切實符合現(xiàn)代工程教育改革所提倡的綜合性與實踐性相結(jié)合的教學(xué)目標。

3 COMSOL Multiphysics的教學(xué)實踐

在教學(xué)實踐中，首先，教師通過課堂講解向?qū)W生系統(tǒng)性地介紹COMSOL Multiphysics的基本原理與操作方法，并結(jié)合工程制圖課程中的相關(guān)理論知識，使學(xué)生在掌握軟件功能的同時，能夠理解其在實際工程應(yīng)用中的意義與價值。其次，教師利用演示或視頻教程的形式，詳細闡釋了如何在COMSOL Multiphysics中完成從建立幾何模型到定義邊界條件再到設(shè)置仿真參數(shù)的基本操作流程，為學(xué)生提供直觀且清晰的學(xué)習(xí)路徑。

為了更好地實現(xiàn)理論與實踐的有機結(jié)合，教師從工程實際出發(fā)，精心選擇了一些典型案例，如涉及熱傳導(dǎo)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、流體力學(xué)等領(lǐng)域的問題，并將這些實際工程問題中抽象的幾何模型導(dǎo)入COMSOL Multiphysics軟件中，通過仿真分析，生成與之對應(yīng)的位移分布圖、溫度分布圖、應(yīng)力分布圖等直觀結(jié)果。通過這些具體的圖像化輸出，學(xué)生不僅能夠加深對理論知識的理解，還能夠體會到仿真分析在工程問題解決中的重要作用，進而提升其對軟件應(yīng)用的興趣與認知能力。

在涉及結(jié)構(gòu)設(shè)計的教學(xué)環(huán)節(jié)中，教師重點引導(dǎo)學(xué)生認識到應(yīng)力和應(yīng)變分析是評估結(jié)構(gòu)可行性與優(yōu)化設(shè)計的重要途徑之一。COMSOL Multiphysics作為一款功能強大的多物理場仿真工具，其不僅能夠通過精確的結(jié)構(gòu)仿真計算幫助學(xué)生確定結(jié)構(gòu)的強度和穩(wěn)定性，還能夠為優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計提供數(shù)據(jù)支持，從而在提升結(jié)構(gòu)性能和效率的同時，減少材料消耗并有效降低工程成本。這種基于仿真計算的教學(xué)方式使學(xué)生能夠從理論分析的角度切入實際工程問題，并通過多次實踐逐步提升其解決復(fù)雜問題的能力，為未來在工程領(lǐng)域的應(yīng)用打下堅實基礎(chǔ)。

本文以簡易的支架結(jié)構(gòu)為例，引入COMSOL Multiphysics多物理場仿真軟件的操作過程。通過具體案例的介紹，展示COMSOL Multiphysics在結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用，以及該軟件如何輔助工程師進行結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化，從而為教學(xué)和工程實踐提供了重要參考和指導(dǎo)。

在教學(xué)中，首先，在SolidWorks軟件中，通過拉伸、拉伸切除等特征建立支架的幾何模型（如圖1所示）。其次，將其導(dǎo)入COMSOL Multiphysics中。再次，選定材料，設(shè)定邊界條件，劃分網(wǎng)格后，進行求解，并對計算結(jié)構(gòu)進行后處理，獲得位移與應(yīng)力的分布圖，如圖2、圖3所示。

通過以上案例的演示，學(xué)生可以選取一些實際工程案例，使用COMSOL Multiphysics進行仿真分析。此外，在COMSOL官方網(wǎng)站中，有全面且詳細的各種案例介紹和視頻教程，可供學(xué)生參考。通過學(xué)習(xí)案例并進行實際動手操作，學(xué)生可以更深入地理解工程制圖與仿真之間的關(guān)系，并學(xué)會將仿真結(jié)果與工程制圖相結(jié)合進行分析和解釋。

4 優(yōu)化融合教學(xué)模式

對于工程制圖與仿真軟件的融合教學(xué)模型，還需要進一步的準備工作。具體而言，需要豐富教學(xué)案例，涵蓋更多不同領(lǐng)域和實際工程項目，以滿足學(xué)生的多樣化學(xué)習(xí)需求。在教學(xué)案例的選擇上，可以引入更具挑戰(zhàn)性和創(chuàng)新性的案例，以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和動力。在教學(xué)過程中，還應(yīng)提供更多有關(guān)幾何建模與仿真軟件的教學(xué)資源和學(xué)習(xí)支持，如視頻教程、在線文檔、實驗室實踐等，可以充分利用雨課堂等在線學(xué)習(xí)平臺，將課堂過程保存為視頻形式，以供學(xué)生隨時復(fù)習(xí)。

為了提高教學(xué)的靈活性和互動性，可以采取以下措施。首先，可以[A10]"結(jié)合傳統(tǒng)課堂教學(xué)和在線學(xué)習(xí)平臺，采用多元化的教學(xué)方法，這樣做有助于促進學(xué)生的參與度和學(xué)習(xí)效果。其次，應(yīng)提供個性化的學(xué)習(xí)支持和指導(dǎo)，根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)水平和需求，設(shè)計個性化的學(xué)習(xí)計劃和教學(xué)內(nèi)容，以更好地滿足不同專業(yè)學(xué)生的學(xué)習(xí)需求和發(fā)展方向。最后，將COMSOL Multiphysics的教學(xué)進行過程性評價，例如：要求學(xué)生在規(guī)定時間內(nèi)完成一系列軟件操作任務(wù)，如建立模型、設(shè)定邊界條件、運行仿真等，并根據(jù)完成的準確性和完整性進行評分。統(tǒng)計學(xué)生在課堂上的參與情況，包括回答問題的準確率、參與討論的頻率等指標，從而評價學(xué)生對教學(xué)內(nèi)容的理解和掌握程度。

5 結(jié)語

通過對”工程制圖及CAD”教學(xué)與COMSOL Multiphysics的融合進行探索和實踐，我們深刻認識到了教育教學(xué)領(lǐng)域的不斷創(chuàng)新和發(fā)展的重要性。本文介紹了當(dāng)前課程現(xiàn)狀以與對傳統(tǒng)教學(xué)模式的反思，提出了將仿真軟件引入教學(xué)的思路，并分享了教學(xué)實踐的經(jīng)驗和成果。在教學(xué)實踐中，充分利用COMSOL Multiphysics這一多物理場仿真軟件，結(jié)合傳統(tǒng)的工程制圖課程內(nèi)容，為學(xué)生提供了更加綜合、實踐性強的學(xué)習(xí)體驗。通過理論與實踐的結(jié)合，學(xué)生不僅提高了對工程制圖和CAD軟件的掌握程度，還培養(yǎng)了在三維建模和仿真驗證方面的專業(yè)能力，為未來的工程實踐奠定了堅實的基礎(chǔ)。進一步豐富教學(xué)案例、提供個性化學(xué)習(xí)支持、加強過程性評價，將有助于滿足學(xué)生的多樣化學(xué)習(xí)需求，促進教學(xué)質(zhì)量的持續(xù)提升。

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