三維計算機輔助設計教學改革研究與實踐

吳燕

摘 要：本文通過對三維計算機輔助設計課程的主要介紹、課程對機械專業的重要性、教學過程中主要存在的問題、教學改革方法等方面內容進行了研究。以三維計算機輔助設計為平臺，采用OBE的教學理念，以成果導向教學法和指導教學法為主要授課方法，進行課程的教學改革。該方案以“所有所得、學以致用”為教學目的并于實踐教學相結合，使三維計算機輔助設計課程的教學達到理論與實踐的統一，培養具有創新意識的應用型人才，有利于學生學會如何用理論知識來解決機械專業的實際問題。

關鍵詞：三維計算機輔助設計；OBE理念；教學改革

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.13.208

0 引言

在當前德國工業4.0和中國制造2025等大背景下，三維技術普及化是必然趨勢。“計算機輔助設計”是一門重要的專業必修課，是為了適應機械、建筑、設計學科的發展而開設的一門現代化技術類課程。

對于機械專業該課程的開設主要使學生對二維和三維計算機輔助設計的基礎知識、基本理論和基本技能有深入的了解和具體實際操作技能，使學生能初步掌握計算機輔助設計的基本方法。三維計算機輔助設計的零部件不僅所見即所得，而且由于全相關，零件、裝配和工程圖中的修改可以實現牽一發動全身；并且可以對零部件進行質量屬性評測、裝配干涉檢查、空間運動仿真、應力應變分析、可加工性分析以及模擬仿真制造等一系列的功能，極大地提高了設計水平和效果以及設計效率。數字化時代下的產品設計和加工制造已由三維設計技術和制造迅速取代傳統的二維設計和制造方式。如何快速適應當前形式，加強計算機輔助設計課程的教學質量是當前迫切需要解決的問題[1-3]。由于課程實踐性強的特點，而傳統的教學模式存在著相當大的弊端，顯然已經不能適應機械類專業的工作要求和社會需求。所以對此問題的研究具有重大意義。

1 機械專業三維計算機輔助設計課程概述

1.1 課程重要性

三維計算機輔助設計是機械工程系各專業的一門實踐性很強的專業課程。該課程的形成是基于現代設計表現的革命性變化，即由手工繪圖設計表現到電腦設計上。希望學生通過對三維軟件的學習，能夠熟練的建模，充分表達自己的設計思想，并在今后的實際學習和生活中運用三維軟件解決一系列實際問題，如對實際結構工程的分析、設計作品方案等。因而該課程對機械專業學生進行機械裝備設計和車輛設計有非常重要的實際作用，在許多后續的學習環節中都有十分重要的意義，甚至對學生以后的就業方向和實際工作都有極大的影響。

1.2 存在問題

（1）繪圖課程的學習缺乏連續性，機械制圖在第一學期開設，二維計算機輔助設計課程安排在第二學期開設，而三維計算機輔助設計在第五學期開設，二維和三維軟件學習過程無法進行很好的融合，造成學生學習三維軟件的時候，對二維軟件的使用已經很生疏。

（2）傳統的按課本按部就班的授課方法和教學方法不適應軟件的教學。

（3）缺乏合理有效的實踐方式是導致學生軟件學習不能學以致用的主要原因。

2 有效教學改革舉措

2.1 OBE理念

20世紀80年代， 美國教育家Spady發表了《成果導向教學管理：以社會學的視角》 一文， 文中首先使用了“成果導向教育 （OBE） ”的概念[4]。OBE （Outcomes-Based Education）成果導向教育理念倡導反向設計， 正向實施的原則， 按照本專業學生畢業后能夠達到的能力確定其培養目標， 并制定方案，更有利于專業人才綜合素質的培養[5]。“OBE”模式，基于產出的教育，以學生為中心、按需授課、按照學生發展的要求授課。BE理念下的課堂教學，聚焦于三個方面的改進。

2.2 基于OBE的教學改革

從課堂教學目標來說，強調以學生為中心，注重“知識系統、能力培養和素質要求”三位一體的課程體系，課堂教學不僅僅是老師講授，而是促進學生全面、有效發展，如圖1所示。讓學生明白計算機輔助設計是機械制圖、二維計算機輔助設計、機械原理、機械設計以及機械制造等課程的理論知識的綜合運用，是“產品設計與制造仿真，而非簡單的畫圖”。讓學生在學習過程中把設計、繪圖、制造等步驟連接起來，建立基于三維技術的全新機械設計知識系統。在畫圖的過程中，深入淺出的歸納設計方法和原理，讓學生專注于設計方法的總結而非軟件的本身，培養規范嚴謹的工作態度和創新能力。

課堂教學內容方面，以“學生要學什么，而不是老師要教什么”為思考問題的邏輯起點。機械專業學生的就業面廣，可從事機械設計、制造工藝規程、工藝工裝設備的設計與制造、機械設計與制造的技術管理等，圍繞學生就業和學生需求，歸納產品設計的通用方法，講解最常用的命令，盡量做到選材經典、圖文并茂和通俗易通。三維計算機的通常授課思路通常是采用：首先講解二維草圖，主要講解一些命令；其次講解特征建模；然后講解裝配設計；最后講解工程圖。本課程授課首先采用的是常用零件參數化授課，如圖2所示，將草圖、特征、零件綜合設計結合到一起進行講解；然后講解基本零件的裝配方法；最后講解工程圖的建立。

課堂生態方面，學生要做到學有所獲，能夠學得積極、學得主動。為能夠檢驗學生學有所得，教師要改進教學方法，從原來的“告訴式”教學模式轉向“指導式”教學模式。如圖3的軸類零件。通過零件的加工方法確定建模流程：（1）下料—拉伸凸臺獲得棒料；（2）軸徑—

（下轉第221頁）

（上接第226頁）

反側拉伸切除獲得各個部位；（3）銑鍵槽—拉伸切除獲得鍵槽；（4）車倒角—倒角完成軸類模型。學習軸類零件的建模，學生學習了圓和槽口的草圖命令以及拉伸凸臺、拉伸切除和倒角的特征命令。教學過程的流程為：先分析零件、再得到零件加工方法、其次分析使用那些草圖和特征命令、然后為學生做示范、最后進行指導。整個教學過程一直有相應的教學目標，以學生為中心，不是單調的學習某個命令。這個過程既提高了學生學習的積極性，也提高了學生解決問題的能力，同時和專業知識聯系緊密，達到了學有所得、學以致用的效果。

2.3 加強實踐

實踐過程是鞏固理論知識和加深對理論認識的有效途徑之一，也是培養具有創新意識的應用型人才的重要環節，三維軟件的學習離不開實踐，在實踐過程中理論聯系實際，培養學生動手能力的提高。在授課過程中，讓學生走出課堂，在實踐實訓室中對相關機械零件和汽車零件進行測繪并了解其構造和原理，回到機房后對零件進行建模和裝配，在建模過程中學生還可以提出自己的想法，改善現有的設計，提高學生的創新思維。這個過程不僅讓學生對本專業的專業知識得到了進一步的認識和掌握，同時也熟悉了三維軟件的使用和創新意識的培養，為以后的學習和工作打下了堅實的基礎。

3 結論

在高等教育和社會對應用型高校的要求，如何上好三維計算機輔助設計課程一直是高校專業課教師值得研究的課題。在三維計算機輔助設計課程的授課過程中，以三維計算機輔助設計為平臺，以成果導向為教育理念，采用有目標的教學方法和實踐相結合，把機械專業的專業知識融入三維計算機輔助設計軟件的操作過程，不僅使授課更加有意義，還提高了學生的創新意識，這樣不僅提高了授課效果，還有利于學生對課堂知識的掌握，更有利于學生學會如何用理論知識來解決機械專業的實際問題，提高應用型本科院校的人才培養。

參考文獻：

[1]董曉英.三維設計能力培養模式的研究與實踐[J].江蘇技術師范學院學報，2007，13（06）.

[2]楊敏，陳炎冬.以提升學生整體能力為目標的CAD/CAM/CAE課程體系改革[J].科教文匯，2016，369（11）：54-55.

[3]趙惠清，安瑛，馮連勛.機械專業本科生全程三維設計能力培養模式[J].工程圖學學報，2004（03）：116-119.

[4]王明海等.成果導向高職課程實施[M].北京：高等教育出版社， 2016（03）.

[5]李志義.成果導向的教學設計[J].中國大學教學，2015（03）：32-39.