構建基于CDIO的三維設計圖學精品課程體系

郭長虹+權凌霄+董志奎+馬筱聰

摘要：結合燕山大學實施“卓越工程師培養計劃”和基于CDIO的教學改革實踐，提出基于CDIO模式的設計圖學教學體系和考核模式的構建原則等。實踐證明，該教學體系對于學生想象思維、創新能力以及三維設計造型能力的提高十分有效。

關鍵詞：計算機三維設計；工程圖學；設計圖學；CDIO教育模式

中圖分類號：G642.3 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）13-0127-02

一、引言

隨著計算機技術的發展，先進的三維設計制造技術正迅猛取代落后的二維設計制造技術，成為現今機械設計的主流。三維設計便捷直觀，可構造二維圖樣難以表達清楚的復雜造型，實現產品預裝配、運動仿真、干涉檢查、工程分析等，實現CAD/CAE/CAM/CAPP集成一體化設計。基于此，教育部工程圖學教學指導委員會重新修訂了工程圖學教學要求，增加了培養創造性構型設計能力及三維造型設計能力的培養。為了培養出企業亟需的三維設計人才，我們于2013年9月增設了三維設計圖學選修課，采用CDIO教育模式，產業企業深度參與，按照企業需求培養人才，教學內容與產業發展同步更新，構建了具有CDIO特色的三維設計圖學課程體系，深化培養了三維設計能力，促進了我校設計圖學精品課程建設，體現了設計圖學的先進性和時代感。

CDIO培養模式是產業深度參與并且教學內容和培養目標與之同步更新的工程教育模式。有些公司特地為CDIO模式培養出來的畢業生制定了高于其他模式培養的畢業生15%的工資標準，表明產業界對CDIO教育模式的肯定。CDIO的含義是：C（Conceive）構思，D（Design）設計，I（Implement）執行，O（Operate）運作。CDIO的培養模式，是在產品的設計研發開始，到產品投入運行為止的產品整個生命周期內，讓學生系統的、實踐的、主動的、課程間有機聯系的學習整個產品設計過程。CDIO教育模式的培養標準的制定重點滿足工業界需求，要求培養學生合格的工程實踐能力，教學內容中的工程知識不斷更新，及時聽取產業界反饋信息，不斷補充完善教育教學。國內目前已有57所大學開展了CDIO改革試點實踐，燕山大學機械學院是教育部CDIO工程教育模式機械類組牽頭單位。

二、基于CDIO的三維設計圖學精品課程體系的構建

1.構建原則。三維設計圖學課程體系應以先進的三維設計軟件Creo Paramatric 2.0（Pro/E最新版，簡寫為Creo）為手段，用三維設計的理念講授圖學，來表達設計思維，將機械設計、工程制圖、設計學、計算機圖學融為一體，以培養學生工程圖樣表達能力、產品研發設計能力和創新設計能力為培養目標，構建了機械設計、零件設計、工程圖學和計算機三維繪圖高度統一的綜合類課程——設計圖學，從而變革圖學教育思想、理論和體系，使工程圖學教育步入一個全新的領域，開啟了我校設計圖學課程的建設。

2.結合典型企業項實例，實施項目式教學，創建CDIO特色的實踐教學體系。CDIO教育模式全面囊括了現代企業工程師所需的知識、技能、能力及素質等完整內容，倡導學生以積極的、實踐的、主動的、多門課程之間有機聯系的方式學習工程，著重培養學生的現代工程設計和生產技能，強調學生的工程實踐能力和創新能力。CDIO教學模式的核心內容是教師實施“基于項目教學”、指導學生在“做中學”。教師采取“項目式”教學方法，結合典型工程實例進行講解，全面引入實踐教學，將典型創新科研項目篩選歸類、合理簡化，將其恰如其分的引入圖學教學實踐中，創建一套具有創新性、綜合性的設計圖學系列實踐，為學生搭建一個動手、動腦和創新設計的空間，培養學生創造性思維能力。三維設計圖學的課時安排是每講授2個學時三維設計知識，安排2學時的設計與創新實踐，體現“學以致用”。實踐證明，這一做法可極大地激發學生學習的興趣和好奇心。

本課程的實踐項目的構建如下：①構建能夠培養工程性三維設計能力的實踐。三維設計圖學課程精心設置了大量的自下而上的企業設計案例和簡化了教師們的一些科研項目作為實踐案例，比如銑刀頭、機床尾座、柱塞泵、減速器箱體等等，要求學生們結組測繪零部件草圖、設計零部件并完成裝配、運動仿真和干涉檢驗，設計合理后，出裝配圖和各個零件圖。②構建能夠培養工程實用性三維設計能力的實踐。應用計算機三維軟件進行設計有兩種方法，一種是自上而下的設計，即先完成相關的裝配，然后在具體裝配設計中完成某個零件的設計。自上而下的設計要求設計師頭腦中先設計產生的是裝配體，然后才詳細設計每個零件。題目有多功能晾衣架、米桶的設計等等，學生根據教師給定的制品圖及要求，完成二維工程圖，在設計過程中，要求學生綜合考慮產品的諸多要素，如生產成本、物流成本、產品物料性能、模具結構、工藝條件等，才能使所設計的產品更為經濟合理，這是設計的最基本內涵，這些設計要求在二維設計中是無法做到的。③構建能夠培養創新性三維設計能力的實踐。為了培養學生的創新思維，更好地挖掘學生的設計潛能，布置學生完成個性化的產品設計，設計出了諸如自行車、新型節能汽車、鼠標等產品。通過不同的設計實踐，加深了學生對何為設計、怎么設計的理解，培養了學生的工程創新能力，開闊學生的設計視野，培養三維設計的能力和興趣，使學生能在做中學會思考，體會設計帶來的成就和樂趣，為學生的表達、設計和創新能力奠定基礎。

3.建立CDIO特色的考核體系以考核企業需求的職業技能，充分體現學以致用。為了能夠全面、客觀、公正地評價學生的工程能力和綜合素質，最關鍵的是要建立一套科學完整的考核與評價指標體系。因此在設計圖學的課程考核方法中，適當加強了對工程素養和工程設計能力和工程實踐能力的考核。設計圖學課程考核分有兩個部分，課程考核的第一部分為側重考核能力的平時成績，平時成績包含課程中的主要實踐環節、產品創新構型設計、零件測繪建模、產品工程圖樣的最佳表達方案、裝配體的最佳表達與運動仿真等實踐測試環節，共占總成績的60%；，課程考核的第二部分是考核綜合素質的上機考試，共占總成績的40%。endprint

4.課堂上增加討論環節，加強學生分析和解決問題等現代職業素質的培養。為了提高學生分析和解決問題的能力，培養學生的設計創新能力，加深學生對工程問題的理解，在設計圖學課程體系中增加了幾次課堂討論環節，要求學生們分為幾個小組，討論產品研發和設計方案，選出最佳設計方案，設計出具有個性化的產品，每組代表講解設計流程和展示設計圖樣，并提交出三維產品設計造型和二維工程圖樣。通過項目討論和交流，實現經驗分享，拓展視野，探討不足之處及改進措施等，有效提高了學生參與設計的積極性，也訓練了學生的綜合設計能力、創新思維和溝通協調等能力。

5.加強教學團隊建設，實施交叉授課，提升圖學教師的綜合素質和創新能力。實施CDIO培養模式也對教師們提出了很高的要求，要求教師們具備豐富的企業工程經驗，與企業密切合作，承擔相關的課程設計、畢業設計等實踐教學工作。設計圖學課程以三維設計為主線，搭建了設計圖學課程與工程圖學、機械設計、零件設計、機械制造基礎、機械制造工藝學等等相關課程之間有機聯系的橋梁，實現了與這些課程之間的縱向貫通，促進了學科基礎知識與專業知識之間的有機結合和相互滲透，使工程圖學課程得到后續拓展和有效延伸，形成了臺階式的教學模式。國內外多所大學的實踐證明，這種模式使學生工程圖樣的表達能力得以分階段逐步提高。

三、結論和建議

基于Creo Parametric的三維設計圖學的教學改革已經進行了兩年，CDIO特色的課程體系與考核體系，取得了較好的成效，尤其是在當今企業所需的工程技能的培養方面起到了很大的作用，有利于提高學生工程能力和創新能力，復合企業界對人才的培養需求。

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