基于CDIO的工程圖學教育改革探索

梁瑛娜　董志奎

摘要：本文提出了基于CDIO工程教育理念的工程圖學教學內容、教學方法、教學手段及學習評估體系，該體系強調對學生自主學習、實踐動手能力、跨文化溝通交流能力、團隊協作能力、社會責任與領導力的培養。本文對工程圖學教育改革進行的初步探索，希望可以起到一定的啟示和借鑒作用。

關鍵詞：工程圖學；CDIO；教學改革

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）31-0086-02

CDIO（Conceive—構思、Design—設計、Implement—實施、Operate—運行）工程教育模式是近年來國際工程教育改革的最新成果，它以產品研發到運行的生命周期為載體，讓學生以主動的、實踐的、課程之間有機聯系的方式學習工程。將CDIO工程教育理念貫穿到工程圖學的教學過程當中，采用項目式教學，引導學生積極快樂地學習。

一、架構CDIO特色的工程圖學教育體系

（一）目標明確的教學內容

企業要求培養的設計師不僅應掌握繪圖知識，更應當對產品成本、效益、市場、銷售以及國內外環境均具有適應能力、想象力、創造力、計劃能力、預測能力，不能孤立地講授圖學知識，而應培養學生的綜合素質和能力。

1.三維造型設計。隨著工程系統復雜程度的增加和計算機軟硬件技術的飛速發展，傳統的二維設計方法在工程規模、設計質量、設計工期和數據整合等方面都顯得力不從心，因此，三維造型技術逐漸成為設計發展的主流趨勢。國家標準（GB/T26099.1-2010，2011年10月實施）規定：所有視圖應由三維模型投影生成，不推薦在工程圖環境下繪制產生；除非某些無法用投影直接生成的示意圖和原理圖才允許在工程圖環境下繪制產生。

我院“畫法幾何與機械制圖”課程共有104學時，第一學期“畫法幾何”部分40學時，第二學期“機械制圖”部分64學時。我們選用Solidworks三維造型設計軟件，并將其貫穿到教學實踐中。在“畫法幾何”介紹到立體及其交線時，課堂教學中開始引入Solidworks三維造型軟件，幫助學生建立“體”的概念、體會立體交線的形成過程，目的是讓學生熟悉軟件界面，了解三維造型設計的基本思路。真正系統地講授并實踐三維造型是從“機械制圖”中的組合體開始，復雜立體的三維造型過程正好與組合體畫圖及讀圖所用的形體分析法不謀而合，使學生能夠更深刻的理解三維造型過程和形體分析法，同時進行基于實例的操作練習，為后續零件圖、裝配圖的三維造型設計奠定了堅實的基礎。

三維造型的引入必將使傳統的畫法幾何受到壓縮，其中工程實際應用不多的圖解法將被削弱。但三維造型與二維表達并非對立的兩部分，而應是相輔相成、互相促進的。

2.徒手繪圖。在產品設計初期，徒手繪制二維或三維草圖可以迅速、便捷地表達設計意圖；在裝配、維修現場，由于缺少繪圖儀器和計算機，需要先徒手繪制草圖，再形成規范的工程圖樣；在進行參觀、學習、交流時，徒手繪圖可以快速捕捉學習信息和設計靈感。同時，有研究表明，在提高學生的空間視覺能力方面，徒手繪圖比計算機三維造型更為有效。徒手繪圖的教學應側重于學生對基本方法和基本技巧的掌握，而不是對目測尺寸準確性的強調。

3.基于工程實際的項目式教學。在進行了投影基本原理、組合體及表達方法的講授之后，學生已經具備了基本的制圖能力，后續標準件、零件圖及裝配圖的內容實踐性較強，采用與工程實際相結合的項目式訓練，可以達到更好的教學效果。

對于零件圖的講授，采用課堂教學與工廠實踐相結合的方式。課堂上對核心內容進行講解后，帶領學生到校工廠進行參觀實習。學生通過對實際零件的觀察、思考，可以加深對軸套類、箱體類零件結構特點及典型表達方案的理解；通過對各種加工方法及零件加工過程的參觀和實踐，體會不同加工方法所能形成的表面結構及組織結構，理解零件圖技術要求所規范內容的必要性。將學生置于真實的生產環境中，不僅讓學生通過實際的動手操作對課堂講授的理論知識很快有了全面、深刻的理解，對學生形成工程責任感和嚴謹的工作作風也具有極其積極的意義。

在裝配圖的教學中，選用不同規格的齒輪油泵或減速器等實體模型，安排學生分組完成查閱資料、測繪、零件圖及裝配圖的三維造型、生成二維工程圖、撰寫項目報告及答辯等一系列過程，作為三級項目計入期末成績。在這個過程中，學生通過查閱資料了解齒輪油泵或減速器的用途、工作原理及性能等；每人要對裝配體中一個典型零件進行測繪，并繪制二維工程圖樣；全組同學合作進行裝配體三維造型，分析裝配關系、拆裝順序、各零件結構特點和功用；撰寫項目日志、項目報告，制作PPT匯報答辯。三級項目強調學生的自主學習，強調在“做中學”、“做中思”，通過各個環節培養學生深度學習的能力、解決實際問題的能力、團隊協作的能力。

CDIO的培養計劃旨在設置豐富的實踐項目并輔以工業實習，利用課堂和現代化學習場所使其具有活潑的、實踐的、團隊的特色，及時與外界溝通，通過廣泛評估與評價不斷改進計劃。

（二）全面立體的教學方法

多媒體以其圖文并茂、聲像俱佳、動靜皆宜的表現形式，在展現圖解過程、立體模型、零件結構和裝配關系方面有著不可比擬的優勢，甚至有完全取代板圖教學和實體模型的趨勢。但是，多媒體動畫解題過程過快、交互性不夠等不足之處也是顯而易見的。相比之下，教師通過板圖則可以更清晰地將解題思路、作圖規范展示給學生，同時又便于觀察學生的接受程度，及時進行調整，師生之間能夠形成良好的互動。

目前，學院設有實體模型室1個，定期補充典型組合體、零部件及裝配體模型，供學生觀察、測繪使用。考慮到模型成本及開放時間的限制，我們建立了虛擬模型庫，其中包括組合體模型、典型零部件及其加工視頻、零件測繪操作視頻、裝配仿真視頻、計算機繪圖教程視頻等，在學校網站上開放，供學生使用。我們還在學校網站上建設了輔助教學系統，包括與教材配套的CAI課件及習題解動畫。此外，我們還利用實時通訊工具以教學班為單位建立群，對普遍性問題及時進行在線答疑，了解學生學習情況，對教學做出適時調整。

（三）科學嚴格的評估體系

CDIO的學習評估體系指出，不同的能力應用不同的方式進行考核：專業知識可用試卷或口頭測驗；CDIO相關的能力則可以用記錄、報告、自評、互評等形式進行。如果能將100分鐘的期末考試延伸至平時的學習、實踐過程中，可促進教學的高效實施。

1.隨堂測驗。在講授完每章內容過后，選取綜合本章主要內容的一道考題，以統一作業紙的形式進行隨堂測驗。不僅可以使學生更深刻地掌握、運用本章知識，做到“查漏補缺”，而且可以鍛煉學生在有限時間內作答的能力。

2.零件表達。綜合表達方法和零件圖的知識及實踐，對不同類型的零件進行測繪。每位學生需測繪2個不同類型的零件，根據零件結構、考慮其加工方法確定表達方案；按照其加工過程標注尺寸和技術要求，最終分別繪制尺規工程圖、二維計算機工程圖各1張。

3.項目報告及匯報答辯。基于裝配圖的三級項目實訓用時多、權重大的特點，從項目開始就明確提出具體的目標及任務，合理安排進度，按階段提交項目日志，不僅可以確保項目按計劃順利實施，而且可以及時了解學生在項目過程中的心得與困惑，進行有效溝通。對于整個項目過程和最終的匯報答辯，都制定嚴格的評分細則，做到公平、公正，最大限度地調動學生的積極性與主動性。

4.期末考試。學期末，對所有班級采取統一命題、統一考試、統一閱卷的方式，更公平、全面、準確地考核學生的學習質量。學生最終的課程成績主要由以上幾方面組成，其中隨堂測驗與平時作業成績占10%，零件表達及其他章節的工程圖樣占10%，裝配圖三級項目占20%，期末考試占60%。采用這樣的考核方式，不僅可以綜合、全面地考察學生的知識和能力，更重要的是將考核延伸到整個學習過程中，充分調動學生的積極性與主動性，取得更好的學習效果。

（四）圖學教師的工程培訓

CDIO教學體系對圖學教師的工程素質和工程經驗提出了更高的要求。高校教師大多都是從高校畢業后直接踏上講臺，沒有企業工作的經歷；而作為基礎課的教師，工程及科研工作又相對匱乏。因此，需全面提升圖學教師的工程素質，鼓勵教師到企業掛職鍛煉，鼓勵教師參與圖學會議、機械論壇等相關學術活動，鼓勵教師投身科研工作等，都有利于教師工程實踐能力和自身素質的提高。同時，組織圖學教師與專業課教師共同指導學生完成二級項目、一級項目或機械創新大賽等，不僅有利于加強教師間的交流，更有利于課程的銜接、融合。此外，聘請一支具有豐富工程經驗的高級工程師隊伍，作為兼職輔導教師充實到理論及實踐教學中去，也是國內外高校人才培養的成功經驗。

二、結束語

CDIO教育模式是一種能力導向的人才培養模式，它強調學生在畢業時應具備扎實的基礎知識，特色明顯的專業知識，自主學習和實踐動手能力強，批判與創造意識優秀，溝通交流和思想表達流暢，具有跨文化交流能力與國際視野、社會責任、團隊合作精神與領導力。基于項目的工程圖學全新課程體系的引入，改變了以往重知識輕能力的培養模式，體現了“知行合一”、“做中學”、“做中思”的教育理念，同時改進教學方法、教學手段及學習評估體系，借鑒國內外先進教學經驗，順應了企業、科技、經濟發展的要求，更重要的是讓學生體會到了學習的樂趣和意義。

參考文獻：

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