以培養能力培養為導向的“三維實體建模與仿真設計”課程教學改革

吳 飛，何永玲，宋孟天，龐啟碩，韓星暉，胡文睿

（北部灣大學 機械與船舶海洋工程學院，廣西 欽州 535011）

0 引言

隨 著 計 算 機 輔 助 設 計（omputer Aided Design CAD）技術的廣泛應用，掌握三維CAD技術已經成為應用型本科院校機械專業學生的基本技能之一?！叭S實體建模與仿真設計”（下文簡稱“三維設計”）課程是面向機械工程類各專業開設的一門重要專業課程，學生完成該課程學習后，基本能利用三維繪圖軟件進行零部件設計及制圖，能利用Motion模塊的相關功能進行機構分析以及基于三維實體模型的產品開發。為了滿足社會對機械類人才的要求，筆者所在的機械與船舶海洋工程學院開設了“三維實體建模與仿真設計”課程及相近的課程，包括：Computer Aided Engineering（CAE）、computer Aided Manufacturing（計算機輔助制造的核心是計算機數值控制(CAM）等工程應用軟件課程，使整個學習變成一個閉環系統，其中CAD三維設計軟件（UG）是這一系統學習的基礎。為激發學生學習興趣，提高學生的實踐創新能力，同時為后續的課程打好基礎，把CDIO、OBE[CDIO代表構思(Conceive)、設計(Design)、實現(Implement)和運作(Operate)]等國際先進工程教育教學理念融入應用型高校的辦學中，提出了以大學生學科競賽為平臺，培養能力為導向的“三維設計”課程教學改革實踐。

1 傳統教學模式的不足與課程建設思路

1.1 學生學習面臨的困難

學生剛開始接觸制圖課程，因缺乏對實際結構的認識，空間想象力弱，比較難將一個結構復雜的機械結構在大腦里形成完整的影像，即使完成了課堂教學，也是僅有一些專業名稱或簡單結構能記住，要把具體結構想象出來也只有少部分同學能做到。學生在剛開始學習時，空間想象能力提升非常困難，導致部分學生對該課程產生畏懼心理，進而失去對該課程的進一步學習的信心。由于本門課程是后面學習的課程基礎，故學習好該課程尤為重要。

針對上述問題，我們對新生的培養方案是一步改革，減少課堂理論授課時間，相應加大實踐教學，形成“理論-實踐-競賽”的教學模式。

要求教師單次只帶20人以內的學生，讓學生上課過程中有充分機會接觸到實物。將往屆競賽作品進行剖析、分解、再組合。也就是將作品實物帶到課堂中去，分別拆開一一解讀，讓學生能夠實地的看見工程結構的組成，觀察實物的幾何結構，從而提高空間想象能力。

1.2 畢業生能力不高

企業反饋：應屆畢業生普遍存在眼高手低現象，學生到了企業難以快速上手工作，這個問題最根本的原因就在于學生在學校沒有進行相應有效的實踐學習。應用型本科培養的主要目標就是企業工程師，能夠解決工程實際問題。雖然學生在校期間也都學習了工程圖學、計算機輔助設計以及相關的課程設計課程，但要是真的開始制圖時還是無從下手，根本問題就是訓練不夠。在教學中可以通過學科競賽作為依托，課堂上仿競賽，課后完成“競賽”作品，參加學科競賽（全國大學生先進成圖技術與產品信息建模創新大賽、全國大學生機械創新設計大賽、全國大學生工程訓練綜合能力競賽和全國三維數字化創新設計大賽等）比賽中的設計、制作等環節，不斷的“練-思考-再練”，完成學生動手能力的培養，為學生畢業進入企業工作打下重要鋪墊，同時建立強大的自信心，勇敢面對生活，持續進步。

1.3 創新思維能力薄弱

三維設計這門課程，傳統的教學目標僅僅將制圖能力及識圖能力作為課程目標，導致學生創新能力不足。創新能力的培養也是重中之重，是時代的要求和個人競爭力的有力體現。因此，在教學過程中需要注入該“血液”，通過學科競賽題目，學生可以自主完成作品的設計來達到“競賽”的目的，也即在“競賽”的過程中學生充分發揮主觀能動性，完成作品結構設計與制作。通過這一方式可以有效地提高學生創新能力的培養。

1.4 課程建設思路

針對以上問題，“三維實體建模與仿真設計”課程的傳統授課方式注重“理論+實操”相結合。理論上教師將操作命令知識作為教學重點，采取“講解—示范”的方式，系統地講解了建模的知識，課后布置作業。這樣的教學方式學生在學前不預學，課后難以將所學知識融會貫通內化為自己的能力。

因此，需要建立以學生為中心、以能力培養為導向的教學模式，以學科競賽作為平臺，結合教學需求，將歷年競賽題目與作品融入教學內容中，“以任務為導向，比賽引領”的課程建設思路。同時，鼓勵學生進行產品創新設計，提高學生的動手實踐能力、思維能力和探究能力。

2 以學生能力培養為導向的課程教學改革實踐

教育部組織開展的機械類學科競賽主要包括全國大學生先進成圖技術與產品信息建模創新大賽、全國大學生機械創新設計大賽、全國大學生工程訓練綜合能力競賽和全國三維數字化創新設計大賽等，學生要在規定的時間內完成作品的設計和制作，要求學生具備機械設計、力學分析、控制、材料成型及加工等多方面的知識技能和經驗，是完成競賽作品必要的知識與能力。

在比賽過程中都會大量利用三維設計軟件來完成競賽作品的設計、仿真動畫等環節，該軟件可以提高工作效率，增強作品的可行性與可靠性。

社會對人才能力的需求變化對高校提出了高的要求，因此，針對學生實際情況，學校應調整對三維造型軟件課程的教學方式，調整該課程的教學目標、教學模式、豐富教學內容、完善考核體系。故，以全國大學生先進成圖技術與產品信息建模創新大賽和全國三維數字化創新設計大賽為載體，從教學內容、教學實踐、教學方法和教學模式等四方面入手進行改革，同時將課程思政元素融入，培養高素質人才。

2.1 能力為導向的教學方式的意義

為滿足當代快速發展的需要，對高校學生提出了更高的要求，學生能力的提升作為重重之重。三維設計能力作為工程設計的重要能力。因此，提出以培養能力為導向的結合學科競賽的新型教學模式，旨在提高學生綜合能力。學生在全國大學生先進成圖技術與產品信息建模創新大賽和全國三維數字化創新設計大賽等學科大賽中，將理論和實際結合，提高學習興趣，加強能力培養。

通過學科競賽、科創活動等方式，激發學生自主學習，加強課程教學內容和提升教師教學素質。通過與課程教學密切相關的學科競賽，將國內外的圖學教學思想加入到機械制圖創新的教學中，提高教學水平。

2.2 教學內容

我校機械類專業學生三維設計課程開設在大二第一學期，學生剛完成工程圖學課程的學習，對零件結構的組成和構型有一定的認識和識圖能力，也了解圖紙的二維設計的整個過程。在此階段開設三維設計課程可以很好的滿足學生對三維制圖的好學心。

為更好地融合工程圖學課程內容與全國大學生先進成圖技術與產品信息建模創新大賽和全國三維數字化創新設計大賽主題，實踐教學應以項目為驅動，選擇與實際生產相結合、具有代表性的二級減速器[5]。具體內容見表1。

表1 二級減速器三維設計教學內容與要求

2.3 教學實踐

“三維設計”課程側重在教學實踐的實施，以學科競賽為中心，設置實踐教學、教學延伸和質量評價體系3個模塊，如圖1所示。其中，實踐教學以教材中的案例和競賽過程中競賽作品，競賽作品案例一般為競賽過程中作品的關鍵機械零部件等；教學延伸即以各類學科競賽應用為依托；質量評價包含階段性的大作業和競賽作品。

圖1 教學實踐環節

教學中的案例符合工程實際，題材豐富，主要取自教材、科研實驗、實習企業、生活用品等，同時也是學科競賽的重要比賽選題。一般而言，選擇典型的部件作為案例，例如減速器、泵等，這些零部件便于取材，有利于學習，學生學習效率高。通過這些案例的操作學習，學生反復操作，做到熟能生巧。在一定階段學習后要提交大作業，內容可以將往年競賽要求做適當調整，學生再進行自由選題、自行設計，鼓勵創新。

在實踐教學中，以全國機械創新設計大賽、全國三維數字化創新設計大賽等學科競賽為延伸，注重先進性、實用性和創新性，從而保證教學內容的開展。同時，設計了“大作業”“競賽作品”等質量評價方式，用以檢驗教學內容和實踐環節的成果，通過大作業的反饋來適時調整教學要求、內容和安排。

2.4 教學方法

課前布置學習任務單完成預習和練習作業題，課上一起回顧上節課所學知識。

課堂上，教師通過知識點提問、演示等方式，檢驗學生課前自學的學習效果，發現學生在自學時存在的問題以及還未理解和吸收的知識點。然后教師通過引導式教學方法，結合生活中的案例，為學生進行講解。教師在講述過程中，多與學生進行互動，吸引學生的注意力，提高學生的學習興趣。同時互換身份，課堂上，教師可以讓學生上去為其他學生進行講解，教學在學生講解結束后，對其內容進行補充完善，對其學生進行鼓勵表揚，這樣既培養了學生的自學能力，也加深鞏固了學生的知識，也提供一個展示自己的機會。

另一方面，鼓勵學生通過其他方法來完成，并談談自己的感受，各自的優缺點，自主思考從而加深對知識點的理解與掌握。

2.5 教學模式

將學科競賽與日常教學相結合，如學科競賽“項目化”能有效促進課程體系的完善和改革，從而提高教學質量。

教學中通過仿效學科競賽參賽形式，將全班學生分成多個小組，每隊3～4人。小組競賽需要在規定時間內完成作業與期末作品，所選題目不能相同，在老師給出的題庫中選擇，要求學生分工協作、相互交流，完成對應的項目作品；作品中要包含零件的源文件、仿真動畫、word文稿以及ppt等內容；最后進行作品答辯，展示學習成果，為參加全國三維設計創新大賽、全國大學生先進成圖技術與產品信息建模創新大賽做準備[6-7]。

3 結語

本研究針對“三維建模技術”在整個專業、行業的特殊地位，深入分析了如何利用“三維建模技術”為實際工程減少設計時間，提高設計水平。通過課程教學改革，依靠“全國大學生先進成圖技術與產品信息建模創新大賽”“全國三維設計創新大賽”等學科競賽，引導學生充分利用課內外的學習學會如何從準備到模擬再到參與的全過程進行學科競賽。這一過程是將課堂知識任務化、項目化，學生不僅掌握了基本的“三維建模”知識，也提前了解部分裝備原理。

通過團隊的分工與合作、各種技能的學習與掌握、實踐能力和解決問題的能力都得到了有效鍛煉或提升，團隊意識也得到了加強，這些都為后續參加“機械創新設計大賽”“工程訓練大賽”等賽項提供堅實的基礎。調動了學生學習“工程制圖”和 三維軟件的積極性和主動性，提高了學生學習的興趣。