智能制造背景下的計算機輔助設計課程建設實踐

靳江艷 方憶湘 劉文學

摘 要：中國制造2025規劃將智能制造作為兩化融合的主攻方向，對于高等教育的專業人才培養和課程體系建設提出了新的要求。計算機輔助設計（Computer Aided Design，CAD）技術是智能制造技術的重要支撐技術之一。計算機輔助設計課程作為機械工程學科的專業基礎課程之一，以學生為中心，圍繞未來智能制造技術的發展對學生掌握CAD技術提出的要求，明確以CAD技術相關基礎理論為重點授課內容;并以學生學習成果為目標，結合應用實例、上機實驗與課程作業，訓練學生運用所學基礎理論熟練掌握相關CAD軟件工具的設計、分析、仿真等功能;同時，結合各類文獻資料和授課教師的科研成果，不斷將CAD技術的最新發展引入課程教學環節，以持續改進和完善課程教學內容。

關鍵詞：計算機輔助設計;課程建設;智能制造;成果導向

中圖分類號：G642.3

1 緒論

隨著工業4.0概念的提出，中國制造2025規劃指出要加快“推進新一代信息技術和制造技術融合發展”，并將智能制造作為信息化與工業化深度融合的主攻方向[1]。智能制造以產品的數字化設計、制造、分析、仿真與虛擬現實、測試驗證等技術為核心支撐，在機械、電子、建筑、航空航天、汽車等領域得到了進一步的重視和更加廣泛的應用，相關的理論研究和工程應用水平已經成為衡量一個企業乃至一個國家制造業整體水平和綜合競爭力的重要標志，同時也對相關從業人員提出了更高的要求。

計算機輔助設計（Computer Aided Design，CAD），是指利用計算機的軟、硬件系統輔助工程技術人員對產品或工程進行設計、分析、修改以及交互式顯示輸出的方法或手段，是一門多學科的綜合性應用技術，是現代設計方法和手段的綜合體現[2]。CAD技術是機械產品數字化設計、制造、分析、仿真與虛擬現實、測試驗證等技術的核心和基礎技術，為二十世紀最重要的技術發展之一，也是近年來業界高度重視的工業4.0概念和智能制造技術的重要支撐技術之一。因此，掌握相關技術的基本概念、原理、方法和手段，具備運用計算機輔助技術相關的現代設計工具分析和解決復雜工程問題的能力是新技術、新經濟發展對工程類專業教育提出的現實要求。

計算機輔助設計課程作為機械工程學科的專業基礎課程之一，課程設置的目的，主要訓練學生學習和掌握CAD技術的基本原理、方法、手段和發展趨勢，并使學生全面學習和掌握CAD技術這一現代設計方法與手段，培養學生的現代產品和工程設計與開發能力，并為進一步掌握相關的計算機輔助工具技術提供基礎理論支撐。授課內容全面介紹和講述CAD技術的發展歷程、系統組成、相關接口技術和圖形標準、計算機圖形處理的基本原理和關鍵技術、通用CAD應用系統的設計和造型功能、自由曲線與自由曲面、CAD二次開發技術、以及工程數據的計算機處理等內容，以使學生對CAD技術有一個全面的了解，同時，概要介紹CAM相關技術。

2 學期分析及教學目標

計算機輔助設計課程的教學對象是機械工程專業大學三年級下學期的學生。結合智能制造技術發展對人才發展的需求進行學生及其學習情況進行分析，主要包括以下三方面：

（1）學生已經完成了專業基礎課的學習，能夠較熟練地使用二維計算機輔助繪圖工具，部分學生自學了三維造型軟件，但是由于對計算機輔助設計技術的內涵和基礎理論缺乏系統認識，制約了學生對現代設計工具高級功能的掌握和深入應用。

（2）大三年級是形成工程思維和科學思維方式的關鍵時期，結合計算機輔助設計課程多學科交叉的特點，加強工程思維和科學思維能力的培養。

（3）多數學生對國際和國內制造業的發展現狀和趨勢、對智能制造涉及的各種先進設計和制造技術、對計算機輔助技術對整個制造業的影響認識不足，對我國目前智能制造技術的應用水平、優勢和不足缺乏了解，不利于學生把國家建設、行業發展和自身學習建立緊密聯系。

針對上述問題，通過本課程的學習，要求學生掌握計算機輔助設計技術的內涵和基礎理論，具備應用相關技術工具進行復雜機械工程問題的表達、建模、零部件設計、仿真等技術應用的能力基礎，培養綜合運用多學科知識解決復雜機械工程問題的能力，以及專業溝通與交流能力。

3 成果導向的課程建設

1981年，Spady率先提出了成果導向教育（Outcome-Based Education，OBE）理念，OBE是指教學設計和教學實施的目標是學生通過教育過程最后所取得的學習成果[3]。成果的分析歸結為：學習者在完成學習后所應知道的、理解的和具備的能力水平，其核心是學生完成學業后可以帶得走的能力[4]。成果導向教育打破傳統的“以教師為中心”的教學模式，強調學生的主體地位[5]，計算機輔助設計課程建設從教學內容、教學方法等方面開展以學生為中心的教學活動，注重學生學習成效，將知識傳授、能力培養和素質教育融為一體。

課程教學多年來一直秉承基礎理論講授與專業工具應用訓練并重的教學理念，強調對技術原理的掌握是熟練應用技術工具的前提。課程教學圍繞未來智能制造技術的發展對學生掌握CAD技術提出的要求，明確以CAD技術相關基礎理論為重點授課內容;并以學習成果為目標，結合應用實例、上機實驗與課程作業，訓練學生運用所學基礎理論熟練掌握相關CAD軟件工具的設計、分析、仿真等功能;同時，課程建設緊跟智能制造技術發展需要，結合各類文獻資料和授課教師的科研成果，不斷將CAD技術的最新發展引入課程教學的不同環節，以持續改進和完善課程教學內容。另外，綜合運用各類教學方法和教學手段，組織教學內容，開展教學活動，主要包括三方面的內容。

3.1 與CAD技術相關的基本概念、發展現狀和趨勢的知識

這部分內容僅依靠課堂講授是遠遠不夠的，需要學生利用課余時間，通過圖書館或網絡查閱大量相關文獻資料才能夠充分了解。采用講授法和討論法相結合的教學方式，教學重點在于理清知識脈絡，一方面結合教師科研課題，使學生深入了解相關技術產生、發展、更新的過程，學習前人提出、分析以及解決問題的思路和方法，為形成科學的工程思維方式奠定基礎;另一方面，通過對比國內外技術發展過程，認識到我國數字化設計制造技術發展中的優勢和不足，明確新時代的大學生對于國家建設和行業發展的所應承擔責任和義務。

通過文獻綜述寫作訓練與匯報，訓練學生專業文獻檢索、溝通與交流的能力。考慮到學生數量較多（2—3個自然班），為了使每個學生都能夠進行匯報和交流，將學生以5—6人為單位分成若干小組，首先進行小組匯報與交流，選出小組優秀文稿，再進行班級匯報與交流。通過文獻綜述寫作與匯報，鍛煉學生的科技寫作與溝通能力的同時，擴大了學生的知識面，使學生從不同側面了解相關技術的起源、發展現狀、應用概況和發展趨勢，同時在班級內形成互相學習的氛圍。

3.2 與計算機圖形學相關，需要運用數學知識進行分析和計算的內容

這部分知識分為兩部分內容涉及較為復雜的數學知識在計算機圖形處理中的應用，需要通過分析各種不同案例，強化基礎知識，實現靈活運用。采用講授法與案例法相結合的教學方式，講授重點在于介紹計算機圖形處理的基本原理。學生在掌握計算機圖形處理理論知識的基礎上，通過分析復雜圖形處理案例，進一步夯實基礎知識，獲得處理復雜工程問題的能力。

3.3 與CAD工具使用相關的繪圖、造型、數據交換和二次開發相關的內容

這部分內容應用型較強，學生不僅要掌握工具軟件繪圖和造型的基本原理，還要熟練掌握相關設計工具。因此，將教師講授、學生實踐與自主學習相結合，在掌握幾何繪圖和造型技術原理的基礎上，通過教師引導和自主學習，能夠熟練使用兩種以上CAD工具。并且，通過對比不同設計工具提供的原理相同、形式不同的設計工具，分析不同工具相關設計功能的優勢和局限性;特別關注國產軟件解決方案的相關功能，認識到我國在工業軟件供應方面與國外的差距，樹立為中華崛起而讀書的決心。

同時，針對CAD工具的使用，引導學生從辯證的觀點認識CAD設計工具在產品研制過程中優勢和局限，正確看待CAD設計工具、傳統設計方法以及人在設計中的作用等工程倫理問題。同時，使學生認識到以電子形式存儲的產品設計制造結果使剽竊行為更容易發生，CAD工具在帶來極大便利的同時，也會引發道德和法律問題。

4 結語

智能制造技術的發展對高等教育人才培養和課程體系建設提出了新的要求，計算機輔助設計課程作為與智能制造技術緊密相關的課程，課程建設以成果導向教育理論為指導，組織課程內容，綜合運用多種教學手段和方法，開展教學活動，通過小組討論、文獻綜述與匯報、案例分析與應用等教學環節，使學生針對相關技術和工具“知其然，亦知其所以然”，使學生在獲得知識的同時，具備獨立分析、解決工程問題的能力及自主學習能力，能夠認識到相關技術應用中涉及倫理、道德和法制問題，為成為社會主義新時代的合格建設者和可靠接班人奠定基礎。

參考文獻：

[1]周濟，李培根，周艷紅，等.走向新一代智能制造[J].Engineering，2018，4（01）：28-47.

[2]崔洪斌，方憶湘，張嘉鈺，等.計算機輔助設計技術及應用[M].北京：清華大學出版社，2004.

[3]李志義，朱泓，劉志軍，等.用成果導向教育理念引導高等工程教育教學改革[J].高等工程教育研究，2014（02）：29-34+70.

[4]申天恩.論成果導向教育理念的大教學戰略構想[J].吉林師范大學學報（人文社會科學版），2016，44（03）：83-88.

[5]周紅坊，朱正偉，李茂國.工程教育認證的發展與創新及其對我國工程教育的啟示——2016年工程教育認證國際研討會綜述[J].中國大學教學，2017（01）：88-95.

基金項目：河北省高等教育教學改革研究與實踐項目（2021年度）

作者簡介：靳江艷（1977— ），女，漢族，博士，講師，研究方向：數字化設計與制造。