基于工程案例的三維CAD教學改革與實踐

王文軍　林偉健　李福送

[摘 要]為了評估三維CAD教學效果，課題組針對在校學生、校企合作公司和歷屆畢業生進行了有關調研。根據調研結果來看，三維CAD教學改革勢在必行。課題組采用工程案例教學模式，首先以本專業人才培養方案為基礎，根據學生所學專業基礎知識和課題組教師的組成情況，以兩個經典工程案例展示工程案例的精選和實施過程，同時研究工程案例教學的考核與評價。實驗班教學結果表明：學生在課堂教學過程中比較活躍，對三維CAD學習興趣濃厚，而且有主見，對軟件操作比較熟練。本研究對本課程或其他課程推廣案例教學有一定的指導意義。

[關鍵詞]工程案例;三維CAD;改革;實施過程;考核方式

[中圖分類號] G642.0 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2021）09-0085-03

根據機械類企業的需求，對于工程院校機械類專業的學生而言，掌握一門三維CAD軟件是十分必要的，其可為學生接下來的課程設計和畢業設計，也為今后走上工作崗位從事機械設計奠定專業基礎。從近幾年的教學評價體系來看，三維CAD教學存在一定的問題，主要體現為：一是學生學習完后對知識掌握得不牢固，這在學生做專業課程設計和畢業設計時明顯體現出來;二是本課程所教所學與工程實際應用不能有效結合起來，具體調研情況如表1所示。

基于上述原因，學校有必要進行三維CAD教學改革。探索一種既能讓學生學習比較系統的知識，又能牢固地掌握，還能與企業的實際設計無縫對接的教學方法已經迫在眉睫。

案例教學在美國哈佛大學商學院首先使用[1]。近年來，案例教學廣泛應用于工程類課程 [2-5]。工程案例在三維軟件教學也得到了一定的研究[6-8]。但是目前工程案例教學的研究一般都是針對某個方面的研究，而從教學調研、案例精選、方案實施和過程評價等全面去研究工程案例教學的還比較少。

一、三維CAD教學概況

三維CAD這門課程的載體是三維CAD軟件。目前，三維CAD軟件有UG（Unigraphics）NX、Pro/Engineer、SolidWorks和Catia等，本門課程所采用的三維CAD軟件是目前應用比較廣泛的西門子UG NX。UG NX界面友好，同時具有強大的三維建模功能、完善的后續處理功能、數據交換性好等特性。

目前的三維CAD教材中UG NX內容比較繁雜，介紹UG NX軟件操作命令的章節過多，操作命令又是比較枯燥的，加上沒有配上相應的操作步驟圖片，使得教材可讀性不強。本課題組編寫了一本UG NX教材，能與本課程教學改革相配套。

本課題組的師資隊伍中有2位是來自企業的任課教師，他們是從事產品設計、機械制造及工程管理工作近十年的工程師，有著豐富的生產實踐經驗和實際產品設計案例。三維CAD任課教師都具有雙師型教師資格，因此，在實施本課程改革的過程中，能把理論和工程實際有機結合起來。

二、工程案例的精選

三維CAD工程案例的選擇首先要根據本校人才培養方案的要求，其次是根據將要授課學生的知識背景情況，最后根據學生之前所學機械制圖和二維CAD的知識掌握情況等綜合因素來決定的。

（一）工程案例的選擇要緊扣三維CAD教學目標

三維CAD課程是機械類專業的一門基礎課，其主要任務是培養學生學會用三維軟件進行產品設計開發，包括零件建模、零件裝配及生成工程圖樣，以達到運用軟件解決工程實際問題的能力。通過本課程的學習，使學生熟練掌握三維軟件的操作方法，為其課程設計、畢業設計和今后從事機械設計工作打下良好的基礎。

本課程的前續課程有機械制圖、機械制圖上機訓練，后續課程有各專業課程的課程設計，以及畢業設計，都是對本課程知識應用的延續。

（二）工程案例的選擇要基于學生的知識背景

對將要進行授課的學生的課程成績進行調查，發現大部分學生的機械制圖A和二維CAD課程成績都是中等，少部分良好及以上。這說明選擇工程案例要以學生所掌握的有關課程知識情況作為考量，本次工程案例選擇標準應當是偏中等難度，這有利于學生的理解和操作，同時也保證課程教學可順利進行。

（三）工程案例的選擇要符合教學大綱內容要求

工程案例的選擇首先要符合教學大綱內容的基本要求。課題組根據擁有的工程案例庫，結合三維CAD教學目標和學生的知識背景，對本課程的每個基本知識內容精選出一到兩個工程案例進行教學。本文以軸承蓋和制動器兩個經典的工程案例進行說明。

1.軸承蓋

軸承蓋是結構比較經典的零件。軸承蓋安裝在軸承端面，用于固定軸承，調整軸承間隙并承受軸向力，在機械傳動裝置中應用很廣泛，如圖1所示。要求學生了解軸承蓋的構造，從工藝上來說，軸承蓋是通過對棒料進行切削加工而成的。應用UG NX軟件完成該零件的建模，涉及的內容[9]有：

（1）應用UG NX基礎知識中的啟動、文件操作、工作界面、軟件參數設置、對象操作、圖層的使用和基本操作等功能。

（2）應用UG NX草圖繪制中的草圖坐標系、草圖定位、草圖基本曲線的繪制、草圖幾何約束和草圖尺寸約束等功能。

（3）應用UG NX實體建模中的基準特征、基本體素特征及基本特征的創建、編輯、刪除和變換等內容。

2.制動器

制動器安裝在某型電機后端剎車輪的兩邊上，其作用是對電機進行停止動作。制動器是一個包含21個零件的裝配，如圖2所示。該工程案例除了零件三維建模之外，重點內容是裝配和爆炸圖。用UG NX軟件完成零件的建模、裝配和爆炸圖操作，涉及的內容[9]有：

（1）應用UG NX基礎知識中的啟動、文件操作、工作界面、軟件參數設置、對象操作、圖層的使用和基本操作等功能。

（2）應用UG NX草圖繪制中的草圖坐標系、草圖定位、草圖基本曲線的繪制、草圖幾何約束和草圖尺寸約束等功能。

（3）應用UG NX實體建模中的基準特征、基本體素特征及基本特征的創建、編輯、刪除和變換等內容。

（4）應用UG NX裝配中的從底向上設計方法、自頂向下設計方法、組件陣列、部件清單與裝配爆炸視圖等內容。

三、工程案例教學法的實施

本教學改革以機械工程系機制2018級6班和機制2018級7班為實驗班，授課地點在本校的多媒體式機房。機房擁有120臺計算機，配備了投影設備、音響和多媒體控制設備及相關軟件，完全滿足三維CAD教學要求。本文以軸承蓋和制動器兩個案例來說明工程案例教學法的實施過程。

（一）軸承蓋案例

1.在授課前一兩天，任課教師把電子版軸承蓋零件圖發給學生，要求學生先了解零件的結構和尺寸、零件的用途。

2.在上課開始時，任課教師首先結合UG NX軟件說明這節課所學習的三維CAD建模的主要內容，讓學生有目標地去學習和思考。

3.任課教師通過多媒體管理軟件把電子版圖紙發送到計算機的學生端上。學生收到圖紙后，首先要分析圖紙中的零件結構，結合UG NX軟件思考如何建模。學生用10到15分鐘的時間去構思和完成。同時，教師讓學生扮演某公司的技術人員，以角色扮演方式，讓學生作為項目的實施者[1]。

4.請2到3個學生來談談他們建模的思路和步驟、遇到的問題和解決方法。任課教師可以通過多媒體教學軟件管理端，讓所有電腦屏幕都顯示該演示學生的計算機屏幕，看他是如何操作的。

5.最后，任課教師結合學生畫圖過程中所出現的問題，對該零件建模中所需要的操作命令和內容進行總結歸納，對重點難點操作通過多媒體軟件管理演示給學生看。最終的軸承蓋三維建模如圖3所示。

（二）制動器案例

1.在授課前一兩天，任課教師把電子版制動器裝配圖和相關零件圖發給學生，要求學生先了解零件的結構、裝配的要求和步驟、爆炸圖的形成。因為工程案例涉及的零件比較多，所以由2到3名學生作為一個小組來共同完成。

2.任課教師首先結合UG NX軟件說明這節課所學習的三維CAD的主要內容，讓學生有目標地去學習和思考。

3.任課教師通過多媒體管理軟件把電子版圖紙發送到計算機的學生端上。學生收到圖紙后，首先要分析圖紙中的零件結構，再用30分鐘左右的時間去構思和完成。結合UG NX軟件完成零件建模、裝配圖和爆炸圖。同時教師向學生說明，學生小組就是相當于某公司的一個技術團隊，共同完成一個項目的相關設計工作。

4.要求每個小組派代表來談談他們工作的思路和步驟、遇到的問題和解決方法。任課教師可以通過多媒體教學軟件管理端，讓所有電腦屏幕都顯示該演示學生的計算機屏幕。

5.最后，任課教師結合學生畫圖過程中所出現的問題，對裝配和爆炸圖中所需要的操作命令和內容進行總結歸納，對重點難點步驟通過多媒體管理軟件演示給學生看。最終制動器裝配圖如圖4所示，制動器爆炸圖如圖5所示。

四、工程案例教學的考核與評價方式

工程案例教學的考核以過程考核為主，可采用討論法、對比法和分析法來進行評價。評價依據包括建模的思路、裝配步驟的合理性、最終整體的效果、回答問題的正確性和操作UG NX軟件過程中的表現等。學生完成工程案例后，通過多媒體管理軟件上傳到教師端的計算機上，任課教師課后對所有學生上傳的文件內容進行批改。最后，教師綜合各方面因素，對于每個工程案例，給每個學生或每個小組相應的等級分數。過程考核在期末考試中占50%～60%。

（一）討論法

組織任課組教師在期中和期末進行集體討論，對本課程的教學方法進行大討論，總結自身的教學情況，對教學進行評價和給出建議。

（二）對比法

任課教師在臨近期末的時候，針對實施工程案例教學法，對實驗班和普通班進行調查問卷，掌握學生對工程案例教學各個方面的反饋情況。針對實施工程案例教學法后，學生的聽課效果、學習興趣、考核成績等問題進行橫向和縱向對比。

（三）分析法

分析收集任課組教師的討論結果和學生的反饋意見，分析所用的工程案例、現有教材、學生的學習特點等，最終形成理論成果。繼續到相關企業調查了解畢業學生在企業中應用三維CAD的情況和反饋意見，為今后工程案例教學的改進提供依據和積累相關經驗。

五、結束語

通過工程案例精選、工程案例的實施與過程監控，課題組最后進行工程案例考核和評價。對比實驗班和普通班級，發現實驗班學生學習興趣比較濃，積極主動學習，課前有預習和準備，課后經常與老師探討一些問題，期末考試成績也比較理想。該課程教學改革得到了學生的認可。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 朱軍. 案例教學法在城鄉規劃專業教學中的應用研究[D].上海：上海交通大學，2014.

[2] 楊少紅.案例教學法在工程力學教學中的應用[J].科技創新導報，2018（23）：220-221+223.

[3] 文成，周傳德.工程案例法在“機械工程測試技術”課程教學中的應用[J].重慶科技學院學報（社會科學版）， 2012（21）：188-190.

[4] 丁怡，張世亮，俞國燕.案例式教學在基礎工業工程教學中的應用與探討[J].大學教育，2018（11）：95-97.

[5] 李海艷，駱繼明，黃運保.基于典型機械產品案例《計算機圖形學與CAD技術》課程實驗教學方法與實踐探索[J].機械設計與制造工程，2016（1）：86-89.

[6] 郭陸峰.案例教學法在PROE三維建模實訓教學中的應用探索[J].福建電腦，2014（10）：187-188.

[7] 戴曉琴.基于模塊化案例教學的《UG三維造型設計及制圖》課程內容設計[J].教育教學論壇， 2018（3）：181-182.

[8] 武立波，宋若冰，蔡衛國，等.三維實體建模與設計課程教學改革[J].裝備制造技術，2017（8）：273-274+276.

[9] 北京兆迪科技有限公司. UG NX 12.0快速入門教程[M].北京：機械工業出版社， 2018：32-286.

[責任編輯：鐘 嵐]