基于CDIO的《3D工程設計》課程教學改革探討

李玉勝 董小娟 王洪泉 董保香

摘 要 分析了傳統的《3D工程設計》教學現狀，針對教學過程中存在的問題，將CDIO理念貫徹到教學過程中，實現了授課內容與專業課知識相結合、與工程實踐及實訓相結合、符合考核方式等多項教學改革，經過多年的教學實施，實踐證明該教學改革效果顯著。

關鍵詞 CDIO 3D工程設計

中圖分類號：G642文獻標識碼：A

0引言

CDIO即構思-設計-實現-運行，是由麻省理工學院、瑞典查爾斯技術學院、瑞典皇家工學院和瑞典林克平大學等國際知名高校，經過四年的探索研究創立而形成的一種新型的國際工程教育模式。相較于傳統教學模式，CDIO更加注重對學生能力的培養，其能力評價指標包括基礎能力、綜合能力、應用能力和創新能力。目前三維技術的成熟發展已經成為現代設計方法中不可或缺的重要組成部分，對于本科生畢業后走向工作崗位有重要意義。針對《3D工程設計》課程，基礎能力是指學生對軟件基本命令的掌握，能夠建立一般三維模型;綜合能力是在畫圖過程中，對圖紙的理解，分析建模方法，形成建模思路，最后建立所需三維模型;應用能力是將三維軟件與工程實際或者所學理論應用結合起來，例如用三維軟件解決實際的產品設計;創新能力是在軟件的支撐下對機電產品創新設計等。迄今為止CDIO已經實施多年，我們以這四種能力為導向進行課程教學改革，解決了傳統課程教學存在的弊端和缺點，結合工程實際，融合其他專業課，形成“應用驅動，項目為載體，實踐相結合，專業課程融合”的一體化教學模式，培養學生的應用實踐能力，知識融合能力，產品創新能力，符合我校著力培養“基礎厚、能力強、素質高、具有創新精神的應用型高級專門人才”的目標。

1教學現狀分析

《3D工程設計》是我校機械工程學院機械電子工程專業、機械制造與自動化專業、機械設計專業的必修課，也是農業工程與食品科學學院的機械設計制造及其自動化、農業機械化及其自動化專業必修課，是工程實訓中心CDIO培訓、國家骨干教師培訓、中職培訓等核心課程。傳統的《3D工程設計》主要上課方式大多是采用講解命令+案例+練習+交流的方式，這種方式主要著重于本課程的學習，缺少和專業課程的銜接之間知識的交互融合，缺少對CDIO這種理論實踐相結合模式的支持，學生能夠掌握孤立的命令和中低難度模型的建立，對于實際產品設計流程、對于機電一體化產品設計知識點以及與各專業課之間的融合涉及較少，學生無法掌握產品真正的設計流程。這種教學過程中采用教師知識傳授為主、學生被動接受的方式，使得學生主動性學習不高，淡化了學生實際能力的培養和訓練。同時在對企業所做的調查中，不少企業埋怨“高校的畢業生花拳繡腿，設計出來的東西不切實際，如結構不合理等等”。

在機電專業CDIO執行過程中，發現《3D工程設計》與高等數學、理論力學、材料力學、機械原理、金屬工藝學、機械制圖測繪、畫法幾何與工程制圖、機械設計、機器人技術及應用、網絡協同設計與制造技術、先進制造技術、智能工程與專家系統、自動化制造系統、數控技術、機械制造裝備設計、機械制造技術基礎、數控技術、機電系統仿真技術、工業設備及自動化、沖壓工藝及模具等相關課程都有知識上的關聯，3D工程設計不僅僅是畫圖，而是各種專業知識的三維表現。學生在學習過程中，能很好的掌握本門課的知識，但課程之間的關聯性理解不夠深入，學習的結果是獲得了多種孤立的專業知識，對于如何用所學知識設計出一定功能的產品沒有概念，也不了解自己所學知識在整個產品系統中的地位，導致只見樹木不見森林的現象。

2教學改革

2.1《3D工程設計》與其他專業課知識融合

通過《3D工程設計》與其他專業課之間的交互融合，使學生對于專業知識和軟件都有了更深入的理解，更加深入的理解所學專業知識;反過來，對專業知識的深入認識，更進一步發揮了軟件的功能。例如在授課時，把學生用AutoCAD繪制的《機械制圖》課程的圖形，導入到軟件，然后利用對實體操作的平移、旋轉、拉伸、布爾運算等命令獲得實體，在此過程中，同學們不僅僅對軟件的命令更熟悉，而且對《機械制圖》的各種視圖的制作及標準，有了更深的認識。例如用3D軟件的表達式生成規律曲線，結合高等數學的公式，把描述曲線、曲面的公式等，用3D軟件以三維模型或者曲線曲面的的狀態顯示出來，這不僅僅熟悉了軟件中插入公式曲線等相關命令，而且讓同學們對《高等數學》有了更加形象的認識。

同時我們布置了與專業課程相關的作業，例如用3D軟件（UGNX、SolidWorks…）中任意模塊或者任意命令，結合自己所學任何課程中的例題、練習題或課后題，可以是一完整的問題，也可以是問題中的一部分。給出兩種解答方法：一種是該課程的解答方法，第二種是采用3D軟件的解答方法。然后對比這兩種求解方法，寫出心得體會。以下是某同學的作業：（1）問題來源：機械電子工程2013級《理論力學（A）》，課程代碼B12004，教材《理論力學》第六版，哈爾濱工業大學理論教研室編，高等教育出版社，第211頁例9-10;（2）問題描述：在橢圓規的機構中，曲柄OD以勻速度W繞O軸轉動...求AD的角加速度和點A的加速度;（3）應用《理論力學》知識解答……;（4）應用UG軟件求解……;（5）對比兩種方法的優缺點：用理論力學知識求解精度高，而用UG仿真求的為近似解，但是用仿真優勢明顯，比如使用UG可以直接生成整個運動周期的所有點的速度、加速度、位移等數據及曲線;這是使用手工運算無法達到的，而且使用軟件效果更好，速度更快，更加靈活多變;（6）自己的心得體會：掌握一門軟件很重要！當我們能深入的了解掌握一門軟件時，我們便能靈活運用這門軟件，這時，我們就會發現所學的知識原來還有更好的解算方案，這對以后的應用很有好處，而通過此次作業我對UG軟件又有了更加深入的了解和掌握，對命令的運用更加自如，學到了很多的新知識，開闊了視野，同時也回顧了已經學過《理論力學》的知識，對這些知識有了更深入的理解，對此我很高興！

2.2《3D工程設計》與工程實踐相結合

學生學完基本模塊，具備基本三維建模能力后，采用企業實際案例教學，如常見的減速器、山東貝特爾車輪有限公司的輪轂、山東飛馬索道纜車有限公司的索道運載工具等，采用實際產品圖紙作為教學案例。對產品設計非常感興趣的同學，還可依托教師的科研課題項目，直接參與企業產品的設計研發中，并把該設計當做后續的畢業設計，在此后一年多的時間中，進行持續的改進設計圖紙，最終投入生產中。例如機電2012級四位同學設計參與山東飛馬索道纜車設備有限公司的二人吊籃設計，通過了國家客運架空索道安全監督檢驗中心（國內唯一獲得國家質檢總局全部客運索道項目核準，負責全國范圍客運索道所有類別檢驗與技術服務的國家級綜合檢驗機構）的文件審查鑒定與50萬次的型式試驗，最終投入生產實現產業化，目前首批產品在廣東云門山景區客運索道運行良好。其畢業論文《FM-2M吊籃結構設計與分析》被評為校級優秀論文。學生在參與工程實踐過程中有深刻體會，感慨到終于知道所學知識的用處了。通過本課程與企業實際產品的相結合，以企業實際需求為導向，采用項目驅動法，復現軟件和專業知識在企業中的實際的產品設計工藝生產的應用，讓學生體會了如何用軟件和專業知識解決企業實際問題。

2.3《3D工程設計》與實訓環節的融合

我們機械電子工程專業建設了“CDIO機器人測繪與設計”和“CDIO機器人控制與檢測”兩個校內實訓平臺，《3D工程設計》課程后期的學習與“CDIO機器人測繪與設計”相結合，在學習軟件的過程中，也順便提前了解測繪的相關知識，提前掌握測繪相關的命令方法和流程，同樣在后續的測繪過程中，反過來更加深入的掌握所學軟件。通過以機器人測繪設計為主線，把所涉及到的專業知識、軟件工具融合在一起，實現構思、設計、實現和運作整個過程，讓學生在走出校門前就切實的體會到企業產品設計開發的流程，以及軟件專業知識對企業的幫助，使學生對學習的目的更加明確。

2.4《3D工程色合計》考試方式改革

按照工程教育認證的思想，最后的成績分兩方面確定，平時成績占總成績的40%，最后的考試成績占總成績的60%。基礎性知識采用題庫考，專業性知識用論文、大作業等形式來考查，使得學生對知識的把握得到全面的推動和深入。我院從2011年開始與“北京菁華銳航科技有限公司”合作，基礎性知識的考核是采用該公司提供的相應軟件的原廠認證考試題庫，例如UG考試是采用西門子UG原廠認證考試試題，分數超過認證標準分數后，學生可自主決定是否要UG原廠認證證書。這樣學生在學習課程的過程中，不僅僅掌握了軟件，而且還順便獲得證書，節約了時間，節約了培訓費用，激發了學生學習積極性，也減輕了老師出試卷的工作量。

3教學效果與總結

從出勤率來看，在不點名的前提下，出勤率有明顯提高，同時學習認真程度有不小的提高，課后作業積極性變強，提高了最終考試成績。《3D工程設計》與專業課程的結合，用軟件的強大功能解決專業課程中所提到的問題，以及軟件、理論解決方法之間的比較。通過知識的反復應用，使學生對各門課的知識達到融合的狀態，促進了學生對課程的深入理解與交互融合，許多學生恍然大悟，終于明白各門專業課知識的脈絡關系了。《3D工程設計》課程與社會實踐相結合，使學生切身體會到知識的用處，體會到自己的價值所在，對學習目標有了明確理解。總之將CDIO理念貫徹到教學中，經過多年的實施，獲得了良好的效果。

參考文獻

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