基于創新能力培養課內綜合實踐的設計與實施——以上海海洋大學計算機輔助設計與制造課程為例

張麗珍 李 俊 陳雷雷 陳成明 康劍梁 曹守啟上海海洋大學 上海 201306

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基于創新能力培養課內綜合實踐的設計與實施——以上海海洋大學計算機輔助設計與制造課程為例

張麗珍 李 俊 陳雷雷 陳成明 康劍梁 曹守啟
上海海洋大學 上海 201306

摘 要：為了培養大學生的工程實踐能力和創新能力，應該設置綜合型實踐環節。以計算機輔助設計與制造課程為例，圍繞培養大學生的創新能力，對課程內設置綜合型實踐環節的原則、內容設計、實施方法進行了探索，取得了比較好的效果。

關鍵詞：綜合實踐；創新；計算機輔助設計與制造；實施

我國《高等教育法》明確規定“高等教育的任務是培養具有創新精神和實踐能力的高級專門人才，發展科學技術文化，促進社會主義現代化建設。”這強調了大學教育的目的是培養具有創新精神和實踐能力的高級專門人才。目前，與國家經濟建設及社會發展需要大量工程應用人才的環境不相適應的是，一方面企業對工科院校培養出來的人才不甚滿意，而另一方面現在大學畢業生的就業形勢又非常嚴峻，這暴露了畢業生競爭力不足。主要原因是，工科畢業生普遍存在缺乏工程實踐能力和創新意識、專業面狹窄、動手能力差、綜合素質低下等。在我國建設創新型國家的背景下，培養大量具有創新能力和專業化的應用人才具有重要的戰略意義[1-2]。綜合實踐是學生個性發展、創新精神、能力培養的有效途徑，因此為了培養學生的工程實踐能力與創新能力，應該在課程教學中設置綜合型的實踐環節。計算機輔助設計與制造課程是我校機械設計制造及其自動化、工業工程和物流工程專業學生全面接觸計算機輔助設計(CAD)和計算機輔助制造(CAM)基本知識的一門重要課程，該課程內容包括數據處理、圖形學基礎、數據庫技術、幾何建模技術、有限元、數控技術等，而學時只有40。由于實踐教學是讓學生掌握相關知識的重要手段，也是培養學生創新精神和創新能力的重要環節[3,4]，所以該課程除了對課程體系、教學內容、教學手段及方法進行改革外[5]，著重對實踐環節進行了一定的探索。

1 實踐環節設計的原則

計算機輔助設計與制造課程的實踐環節在設計時重點考慮綜合性，遵循“三個性、一個中心”的原則。

1.1 選擇性

實踐環節的內容并不面面俱到，而是選擇有代表性的。若內容太多，每個環節在有限的時間內會達不到預期的效果。

1.2 層次性

在實踐環節的要求方面，有基本要求和較高要求兩個層次。基本要求是必須要做到的，主要讓學生掌握基本知識，為今后的進一步深入打下良好的基礎。較高要求作為可選內容，給有興趣和能力的學生留有自由發揮的空間，以適合不同層次的學生的要求。

1.3 動態性

教材具有滯后性，實踐環節的內容應隨著時代的發展而適時更新，把新出現的軟件、技術、方法及時補充進實踐環節中。

1.4 以學生為中心

在實踐環節的形式方面以提高學生的學習興趣、培養學生的創新思維、提高創新能力為目標，堅持“學生為主體，教師為主導”的原則，注重知識與能力的結合、過程與結果的結合、課內與課外的結合，學生可以選擇感興趣的內容，自主設計，從根本上把學生內在的主動性和積極性調動起來，充分發揮學生的潛質和創造力，以激發學生的學習興趣，提高學生分析問題和解決問題的能力，培養學生的工程能力、創新能力和團隊意識。

2 實踐環節的內容設計

計算機輔助設計與制造課程包含的內容很多，每部分內容都可以是一門單獨的課程，在有限的時間內讓學生都理解是不容易的，我們采取通過大作業即設計性環節的實踐過程達到理解的目的。

計算機輔助設計與制造課程的實踐環節的出發點是讓學生掌握CAD/CAM的有關軟件，并能應用到解決實際問題當中，從而提高計算機應用能力、發現問題和解決問題的能力，在實踐環節能充分發揮學生的主觀能動性和創新性，并要考慮到專業之間的不同和特點，為此，遵照實踐設置的原則和教學大綱的要求，設置了4個綜合實踐環節，綜合實踐環節的課內學時為總學時的二分之一。

2.1 小型數據庫的開發實踐環節

在企業制造信息化程度越來越高的今天，了解數據庫的基本知識是必需的，但在教學過程中發現，由于大部分學生沒有接觸過有關概念，在短短的幾個學時內要講清楚基本知識很難，講過了學生沒有什么印象，也不理解有關概念，為此安排了這一實踐環節。該環節在介紹數據庫技術后進行，由于課時較少，讓學生使用的軟件是簡單易學的Access。基本要求是讓學生用Access軟件就某一內容開發一個小型數據庫，學生完成數據庫的基本功能，包括建庫、查詢、窗體和報表。有興趣和能力的學生可以深入下去，開發有特色的界面、用宏或VB開發一些功能模塊等。通過這樣的練習，學生對關系型數據庫有了感性認識，對理解基本理論內容具有很大的幫助。

2.2 通用軟件二次開發實踐環節

要使通用的軟件用于專門的領域，二次開發是必不可少的，我們的學生今后會有一部分從事設計工作，有些畢業設計課題也會與二次開發有關，所以我們設置了這一環節。由于每名學生在大一時都學過AutoCAD軟件的二維繪圖功能，所以選擇該軟件作為基礎軟件，學生選擇一機械標準件，使用Visual LISP或VBA進行參數化設計。基本要求是通過命令行輸入變量的值，在屏幕上自動繪制出相應的圖形。較高要求沒有任何限制，只給予一些提示和指導，讓學生在課外查資料完成，如開發變量賦值的用戶界面，若選擇的是機械標準件，可以設計一個數據庫，讓軟件自動從數據庫中讀取數據而不是由用戶輸入等。有基礎的學生，可以Solidworks三維設計軟件為支撐進行二次開發。

2.3 三維造型設計實踐環節

該環節培養學生三維設計的能力，為畢業設計和就業打下基礎。因為機制專業的學生有一個計算機應用設計環節，專門學習三維造型軟件，所以該環節為工業工程和物流工程專業設置。在學習Solidworks軟件的基本功能之后，讓學生用該軟件設計一個作品，作品的難度不作限定，學生根據自己的能力自由選取。基本要求是完成各零件的繪制，并裝配。高層次的要求可以加入運動仿真、有限元分析、渲染等等，完全由學生的興趣和自學能力決定。

2.4 CAD/CAM一體化綜合實踐環節

該環節讓學生了解CAD/CAM的實現過程，考慮到專業的不同，設計的內容也有所不同。機制專業的學生專門有數控技術課程，所以在這一環節，機制專業的學生使用高檔機械設計軟件對零件進行三維造型，然后生成數控代碼，進行數控加工軌跡仿真就結束了，而工業工程專業的學生，還要上數控銑床，把設計的零件加工出來。學生先使用Solidworks軟件對自己選定或設計的零件進行三維造型，然后用SolidCAM軟件生成數控代碼，進行數控加工軌跡仿真，最后上數控銑床，把設計的零件加工出來。這樣既能提高學生的動手能力，也能使學生充分了解先進的設計和制造技術，以激發他們的學習興趣。

3 實踐環節的實施及效果

3.1 開展形式

學生自由組合，以團隊形式完成每一個實踐環節，由組長負責分工。期間學生通過自學、討論解決遇到的問題，教師進行指點和輔導。最后撰寫小結，制作PPT進行匯報，每個學生講述自己做的部分，教師和學生分別打分。每個實踐環節的成績根據作品、小結以及PPT匯報時教師和學生打的分數綜合評定。

學生選取的研究對象有的來自于上海市和校級大學生創新項目，有的來自于參與的教師的科研項目，有的來自于學生的生活場所，有的通過查閱資料后自擬。其中有一部分實踐結合各類全國、上海市和校級的學科比賽開展。

3.2 實施的保障條件

為了使實踐環節能夠順利開展，建立了一個CAD/CAM實驗室，購買了AutoCAD、Solidworks、SolidCAM、宇龍數控仿真軟件等，購買了2臺教學用數控銑床，5臺3D打印機。實驗室全天候開放，制定了相應的實驗室開放制度。這些為課程實驗的順利完成提供了良好的支撐環境。

由于實踐性環節是根據我校的實際情況設置的，沒有現成的指導書，為此自編了講義《計算機輔助設計與制造實驗指導書》；自制了對應教材的PPT課件；編制了《三維實體造型零件圖集》，用于CAD三維設計及CAM；收集了有關有限元分析及數控加工仿真方面的視頻等資料，購買了二十多本教學參考書。

3.3 實施效果

由于每一個實踐的作業要求具有一定的靈活性和層次性，有基本、提高、深層及附加等要求，不同水平的學生可以選擇不同層次要求的作業。同一層次的要求中，學生還可以選擇不同的對象內容進行開發，具有較大的靈活性。并與科研及學科競賽相結合，這樣給了學生很大的空間，極大地調動了學生的積極性，提高了學習的興趣和工程實踐能力，培養了他們的創新能力。

有很多學生通過該課程的學習，掌握了三維設計軟件，為教師課題中的設計方案設計三維效果圖、進行有限元分析等，如設計投餌船、割草船、藍藻收集機、長距離運輸魚箱和放流裝置等，為課題的順利開展貢獻了一份力量。

在每年的學科競賽中都取得了較好的成績，2014年就獲得全國三維數字化創新設計大賽全國三等獎1項，上海賽區特等獎1項、二等獎3項、三等獎2項，上海市工業工程優化改善設計大賽二等獎2項、三等獎1項，校級工程優化大賽一等獎1項，二等獎3項。

4 結束語

通過完成具有柔性化的分層次的課內綜合教學實踐環節，結合科研與學科大獎賽，能全方位地鍛煉學生分析問題解決問題的能力，提高學習興趣，培養創新能力。在給學生的問卷調查中，許多學生都講到，這門課讓他們受益匪淺，學到了很多知識，擴大了他們的視野，提高了自學能力，鍛煉了他們的分析問題、解決問題的能力，不僅學會了新的軟件，而且提高了就業的競爭力。

參考文獻

[1] 唐鐵軍,謝書山,李寅甲.加強大學生科技創新能力培養的實踐與思考[J].中國現代教育裝備,2010(7):146-148.

[2] 王玉林,朱慧玲,袁鋒偉.機電專業大學生創新能力培養的科技團隊建設研究[J].中國現代教育裝備,2014(3):53-55. [3] 李正文,顧明華,袁濤.地方綜合性大學農科創新人才培養模式研究與實踐[J].高等農業教育,2012(1):14-16.

[4] 呂超,劉爽,張麗珍.基于大學生創新能力培養與PBL的本科實踐教改研究[J].中國現代教育裝備,2013(5):90-92.

[5] 張麗珍,陳雷雷,陳洪武.基于應用型人才培養的計算機輔助設計課程教學改革[J].科技咨詢導報,2007(30):227.

Design and Implementation of Comprehensive Practice in Class to Improve Students’ Innovation Ability: Taking the Course of Computer Aided Design and Manufacturing of Shanghai Ocean University as an Example

Zhang Lizhen, Li Jun, Chen Leilei, Chen Chengming, Kang Jianliang, Cao Shouqi
Shanghai Ocean University, Shanghai, 201306, China

Abstract:In order to cultivate undergraduate engineering practice ability and innovation ability, comprehensive practice must be designed. Taking the course CAD/CAM as an example, the principle, content design and implementation methods of comprehensive practice in class are explored according to how to improve innovation ability of undergraduate. The result is satisfactory.

Key words:comprehensive practice; innovation; CAD/CAM; implementation

基金項目：上海海洋大學本科教學研究和教學改革項目(編號：A1-0209-15-0301-8)；上海海洋大學教學團隊建設項目(編號：B1-5003-15-000109)。

作者簡介：張麗珍，博士，教授，系主任。

收稿日期：2015-08-25