融入OBE理念的CAD/CAM基礎課程混合式教學研究與實踐

摘? 要：針對CAD/CAM基礎課程內容涉及較多理論原理、算法、程序實現等特點，充分利用線上線下相結合的混合式教學方式優點，根據搭建的CAD/CAM基礎在線資源課程平臺，通過融入OBE理念，闡述“以學生為中心”混合式教學模式設計思路、課堂教學方法和課內實驗改革和實踐，培養學生自主學習能力和創新意識，提高課程教學質量，達成課程教學目標。

關鍵詞：OBE理念;混合式教學模式;CAD/CAM基礎;教學改革和實踐

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2022）05-0066-05

Abstract： Aiming at the characteristics of "Fundamentals of CAD/CAM" involving many theoretical principles， algorithms， program implementation and so on， the advantages of blended teaching mode combining with online teaching and offline teaching are made the best use， the teaching ideas， reform and practice of classroom teaching method and in-class experiment for blended teaching mode based on "student-centered" are elaborated by incorporating the OBE concept according to the "Fundamentals of CAD/CAM" online resource course platform， so as to cultivate the students' independent learning ability and innovation consciousness， to improve the teaching quality and? to attain the teaching objectives.

Keywords： OBE concept; blended teaching mode; Fundamentals of CAD/CAM; teaching reform and practice

CAD/CAM即計算機輔助設計（CAD）、計算機輔助制造（CAM），是計算機技術在工程應用中最重要的體現之一，是產品設計、成型制造領域中的一項關鍵技術，也是成型制造領域重要的發展方向之一[1-2]。隨著科學技術的進步以及全球制造業激烈的競爭環境，掌握CAD/CAM技術是現代工程技術人員必備的技能之一，也是適應“中國制造2025”發展規劃下對人才培養的需求。為了提高學生利用現代工具的能力，武漢理工大學材料成型及控制工程專業在近幾年的培養方案中開設了多門與CAD/CAM相關的理論課程、實踐課程。

CAD/CAM基礎是材料成型及控制工程專業的一門專業基礎課，課程內容主要介紹在計算機輔助設計和制造中工程數據處理、圖形處理、幾何造型以及曲線曲面處理的基本原理和方法。課程內容涉及方法多、學科交叉、知識點密集，特別是其中圖形處理涉及的矩陣變換、曲線曲面參數化內容等，公式較多，比較抽象，教學過程中有一定的難度，而且該課程又是今后本專業其他CAD/CAM實踐課程應用的理論基礎，是本專業的一門核心課程，支撐本專業兩個畢業要求指標點。由于課時限制，采用傳統的教學方法很難將所有知識點高效率地傳授給學生，課程教學目標達成度偏低，因此立足于滿足工程教育認證標準，利用武漢理工大學網絡教學平臺建設了CAD/CAM基礎在線資源課程平臺，采用線上線下相結合的混合式教學方式開展了該門課程的教學改革。為了培養學生自主學習的能力和創新意識，提高課程教學質量和課程教學目標達成度，在線上線下混合式教學的過程中，融入了國際工程教育認證“以學生為中心”的OBE核心教學理念，重新優化設計了課程理論教學內容和課內實驗教學內容、改革了課程教學方法和課內實驗實施方式。

一、融入OBE理念的混合式教學模式設計思路

（一）OBE教育理念

OBE（Outcome Based Education，簡稱OBE）即成果導向教育，是一種以學生的學習成果（Learning? outcomes）為導向的教育理念，由美國學者Spady在1981年首次提出，其核心理念是以學生為中心，結果為導向，持續改進，認為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]。OBE教育是一種先進的教育理念，已形成了一套比較完整的理論體系和實施模式，美國工程與技術教育認證協會（ABET）全面接受了OBE的理念，并將其貫穿于工程教育認證標準的始終，是教育范式的革新[4-5]。

（二）混合式教學模式

隨著現代科學技術和互聯網的迅猛發展，在美國的哈佛大學和麻省理工學院掀起的在線教育課程（Massive Open Online Courses，簡稱MOOCs）浪潮后，中國也開始了“互聯網+教育”時代高校教育的改革思考和實踐探索。我國一些發達和先進地區的高校如北大、清華、上海交大進行了高等教育課程的改革和探索，率先建設了一系列資源豐富MOOCs、視頻公開課，推進了我國高等學校各學科專業課堂教學模式的改革，混合式教學應運而生[6-7]。

混合式教學模式（blending learning）是國際教育界在由美國為代表提出的“E-learning”發展而來的，是在線（online）教學和離線（offline）教學的一種整合，是面對面課堂教學和網上交互輔助教學形成的一種混合模式[6]。一般是指學生根據教師要求在課前進行線上自主學習，在課堂上，教師只是對重難點知識進行講授，結合討論、答疑及習題測驗等方法，開展協作探究和互動學習的教學模式[8]。由于混合式教學通常是以網絡教學平臺為載體，利用視頻、圖片、PPT等多媒體素材，采用線上線下相結合的模式進行教學，課前向學生布置相關學習內容進行預習，課中通過講授、討論等多種方式進行重難點知識點講解，課后布置相關的思考題或任務進行鞏固復習，學生通過學習網絡教學平臺相關課程資源直接獲取所需知識或者間接與同學、教師溝通交流獲取所需知識。這種教學模式打破了傳統課堂“教師講，學生被動接受知識”的狀況，學生主動參與課堂學習的程度更高。這種教學模式不僅激發了學生學習的興趣，還提高了學生自主學習的能力，符合當前新工科背景下高校人才培養的需求，是近年來我國高校各專業學科廣泛開展的一種提高課程教學質量的課程教學模式改革。

（三）混合式課程教學模式設計思路

為了滿足工程認證的標準要求，材料成型專業調整了2017版培養方案，按照調整的專業培養方案要求，CAD/CAM基礎課程學時為40學時，其中理論學時為32學時，實驗學時為8學時，課程支撐本專業兩個畢業要求指標點——設計/開發解決方案和使用現代工具，為了達成畢業要求指標點，本課程設計了三個課程教學目標：

（1）正確認識和處理人與計算機之間的關系，熟悉計算機輔助設計和制造技術在材料成型及控制工程專業領域中應用的目的和意義。

（2）掌握CAD/CAM系統組成和關鍵技術，能夠運用CAD/CAM課程中的基本原理進行工程數據、圖形以及曲線曲面等的計算機處理。

（3）了解常用的CAD/CAM軟件，能夠結合CAD/CAM基本原理和常用軟件對材料成型及控制工程領域中工程問題進行預測和模擬，并了解其使用的局限性。

針對本門課程的內容特點和教學目標，課程負責人整合設計了課程理論教學內容和課內實驗內容，首先利用武漢理工大學網絡教學平臺搭建了該門課程網站，錄制了課程重難點教學內容視頻，設置了課程實驗、課程作業、課程測試、課程討論、課程拓展資源等模塊，建設了本門課程的在線教學資源網站。

根據建設好的課程資源網站，立足工程認證標準的基本要求，在課程教學中采用了線上線下混合式的教學模式，分課前、課中、課后三個階段進行課程理論環節的教學和實施，任課教師每次在上課之前2-3天布置下一次課的線上線下學習任務，表1是其中一次課的混合式課程學習安排。

課前內容設計的思路主要是四個方面，一是對于相對簡單易于理解的內容布置學生線上學習并完成配套的作業，二是對于難度比較大的內容布置學生課前預習，三是對一些重要的理論、原理進行課前測試，四是布置學生閱讀網站拓展資源，開拓學生視野的訓練。

課中內容設計的思路主要是三個方面，一是講授重難點知識，二是對學生在線學習中遇到的問題進行討論解答，三是進行課程單元測試。

課后內容設計思路主要是學生回看課中沒有弄懂的知識點、完成課后作業、更正課前測和單元測的錯誤，鞏固課程所學各知識點。

課內實驗的設計思路是，為了進一步提高學生自主學習的能力和培養學生分析問題解決問題的能力，貫徹以學生為中心的教學理念，課程負責人改革了課程實驗內容，摒棄了原先的全班學生共用一本課程實驗指導書，按照實驗指導書一步步完成實驗項目的教學方式，而是根據整合后的理論教學內容和課程教學目標要求以及對畢業指標點的支撐，特別是加強了學生使用相應的軟件進行圖形處理和圖形設計的功能，采用了模塊化的方式，設計了四個實驗項目，將8學時的實驗分解成四個2學時，分解到相應的理論教學環節之后進行實施。

二、融入OBE理念的教學方式

（一）課堂教學方法

為了激發學生的學習興趣，提高學生的課堂參與度，在課堂理論教學過程中，根據不同的課程知識特點和其難易程度，采用了不同的教學方法，并不定時地對學生進行問卷調查，以了解學生對各種教學方法實施的滿意度和對知識點的掌握情況，以便于任課教師在后期的教學實施過程中能夠不斷地根據教學內容選擇和完善相應的方法，力圖能很好地達成本課程教學目標。

1. 問題導向式教學方法

如果課程內容理論性不是很強，側重于理解記憶，但是在工程中又有廣泛的應用，一般都是要求學生對重點章節內容進行課前在線學習，然后在課堂上利用設置問題的方式導入教學內容。如，在講授CAD關鍵技術——參數化技術時，為了檢查學生課前對參數化設計概念的理解，設置了“請列舉在機械零件的CAD設計中能進行的參數化設計的零件”。通過問題設置首先讓學生進行問題的回答，一方面可以掌握學生的在線預習情況，另一方面可以調動學生思維積極性，活躍課堂氣氛，此外老師也可以判斷學生通過在線學習掌握了哪部分知識點，哪部分需要課堂上加強講授，然后老師就會在課堂上進行重點介紹，課后再通過在線作業來鞏固，從而加深學生對該知識點的理解和掌握。

2. 啟發式教學方法

計算機圖形處理技術基礎是CAD/CAM基礎課程中很重要的一個章節，也是本專業學生今后熟練使用各種CAD/CAM軟件進行圖形設計的理論基礎。通過本章節的學習讓學生們能夠明白在CAD/CAM軟件中對圖形進行旋轉、縮放等操作的時候，計算機后臺程序是怎樣進行數據處理實現圖形的這些操作。也就是說學生們不但要會操作軟件的各種命令，還必須明白這些命令是如何實現的。這樣當以后遇到更復雜的問題的時候，同學們也能去分析和解決。圖形變換是計算機對圖形數據進行處理實現圖形操作的過程之一。圖形變換的方式和類型很多，有二維圖形變換、三維圖形變換，各種維度的圖形變換，又有比例變換、旋轉變換、平移變換等，課本上給出了各種圖形變換的矩陣，學生記憶困難。為了讓學生不因為需要死記硬背這些矩陣而影響對該門課程的學習興趣，本節內容采用了啟發式教學。首先讓學生明白圖形變換的實質就是點的變換，不管圖形多么復雜，只要確定了圖形變換前后各點的坐標對應關系，就能確定圖形變換矩陣，通過矩陣運算就能確定圖形變換前后點集的坐標。因此，只要掌握其中一種圖形變換原理、其變換矩陣推導的過程和建立的方法，那么其他的圖形變換都能自己去理解并進行推導，就不需要死記矩陣變換公式了。

比如，在課堂上任課教師首先講解了對稱變換中“關于X軸為對稱線的對稱變換”的推導過程，告訴學生進行圖形變換前，首先從幾何上去確定圖形坐標點在變換前后的關系并用公式進行表達，然后根據公式寫出變換矩陣就能確定關于X軸對稱前后圖形點集的對應關系，有這個關系我們就能通過程序進行數據處理了。在講了這一個對稱變換關系后，再讓同學們自己動手推導其他幾種對稱變換，如關于Y軸對稱變換、關于直線Y=X對稱變換等，絕大部分同學都能又準又快地推導出各種變換矩陣，部分不會的同學通過交流了解到不會的原因后，老師再稍微拓展講解一下就基本上都掌握了。通過這種教學方法不但調動了學生課堂思維的積極性，而且學生通過自己推導演算，主動參與了思考，對知識點的理解更透徹，避免了老師從頭講到尾，學生被動接受知識，課程效果差的問題。通過將這些方法推廣到其他圖形變換矩陣的推導，學生也都能越來越熟練地掌握和利用。

3. 案例式教學方法

CAD/CAM基礎A課程中涉及很多的原理、算法、程序實現等內容，因此很多知識需要采用結合案例式教學來幫助學生加深對原理、算法的理解。

自由曲線與曲面基本理論和方法是本課程中另外一個知識點，也是本專業學生在今后的產品設計和工作中會用到的一些基本知識，但是課時有限，而且這一塊的知識也比較難，涉及對圖形的參數表示方法和矢量表示方法，需要同學們具備較好的數學理論知識。因此，本門課程在講解的時候從同學們相對容易理解的圖形參數表示法過渡到向量表示方法，并且以汽車發動機罩產品利用自由曲面造型功能創建其三維模型的時候如何判斷各曲面之間的關系，引出曲線曲面拼接時參數連續性和幾何連續性的相關理論以及今后大家在CAD軟件中用到的Beziser曲線和B樣條曲線的表達形式、構造方法、性質特點等，并在課堂上結合給定的數據點構建樣條曲線實例的講解相應曲線和曲面的特性。

4. 軟件輔助教學方法

前面的教學方法中提到CAD/CAM基礎A課程中涉及程序實現方法的知識模塊，也就是說學生在理解了原理，掌握了算法之后，還需要掌握如何通過程序來實現這些算法，從而更加深刻地對理論知識進行理解。

本課程教學過程中對數據擬合和插值、圖形變換處理、自由曲線曲面構建等采用了MATLAB軟件來實現，將枯燥的描述圖形的數學公式，通過MATLAB軟件的一些功能模塊和命令函數處理成直觀的幾何圖形，當程序中的某個參數改變時，圖形也會跟著改變，加深學生對相關理論知識的掌握。

5. 自主學習方法

由于本門課程知識點較多，而課時有限，因此有些重難點知識課堂重點介紹，而有些知識需要同學們課后通過觀看播客單元視頻、課程PPT、教材甚至需要查閱資料等自學。特別是課程中需要使用到的MATLAB和AutoCAD軟件，老師基本上不在課堂介紹，都是預先錄制好軟件基本操作的視頻，學生課后通過作業題自學。為了幫助同學們自主學習或促進他們的自主學習，往往是布置相關知識點的在線作業、討論題或者課前測試等學習活動來提高他們自主學習的能力。此外，也會編制一些讓同學們自己命題或設計的題目來實現某一章知識的綜合運用能力以及軟件使用能力。

（二）課內實驗教學實施

為了提高學生自主學習的能力、分析問題和解決問題的能力以及寫作總結能力，在理論課程相應知識模塊后設計了對應的實驗模塊，實驗時到計算機機房完成。實驗內容的設計完全是基于OBE理念進行確定，采取的教學方式是學生自主設計實驗，老師根據學生實驗中遇到的問題給予一定指導。具體方法是：老師首先錄制好軟件的基本操作視頻上傳到課程網站供學生自主學習，然后老師布置要實現某種功能的實驗任務，學生根據老師布置的實驗任務自主設計和確定具體實驗方案和參數，然后利用MATLAB軟件或者AutoCAD軟件自己編程實現，對實驗過程中遇到的問題可以和老師、同學討論或者通過查閱文獻資料解決，最后撰寫實驗報告。

比如，在計算機圖形處理章節部分，在講解完各種二維圖形變換原理和變換矩陣推導之后，為了進一步加強學生對這一部分知識的理解和掌握，設計了一個相應的圖形變換的實驗項目，老師給定了兩個實驗任務：（1）學生自主設計一個二維圖形，并在MATLAB中實現;（2）對所設計的二維圖形，制定其變換方式和相應的變換矩陣，并在MATLAB中編程實現其變換過程。

同學們根據教師給定的實驗任務，結合課堂上講授的課程變換理論知識，通過思考自行設計了各種形狀的二維圖形，并自己制定了二維圖形的變換方式，在機房利用MATLAB軟件編程功能實現自己二維圖形和二維圖形變換程序。在學生進行實驗的過程中，任課教師針對同學們遇到的問題，逐一進行指導，并針對學生的問題給出相應的建議，在老師指導、學生之間的討論和學生自學查閱老師事先錄制的MATLAB軟件在線課程視頻后，同學們都能順利完成實驗任務。由于二維圖形是由學生自主設計，因此同學們會根據自己的能力設計難易程度不同的圖形，有的同學知識掌握能力弱一些，設計的圖形簡單一點，而有的知識能力掌握較強且喜歡挑戰自己的同學，則設計了相對復雜的圖形，這樣也起到了因材施教的作用。圖1展示了成型2017級兩位同學設計的圖形變換實驗圖形和相應的程序代碼。

同學們在實驗報告的小結中也對這種實驗教學方式給予了高度肯定，很多同學認為這種實驗教學方式雖然會讓學生花費較多的實驗時間，有一定的難度，但是一方面自己學會了MATLAB軟件的某些功能，另一方面提高了自己自主學習、自主思考、查閱資料、將所學理論知識用于實際圖形設計以及分析總結的能力。此外，很多同學還覺得在程序調試成功后，計算機屏幕上出現自己設計的圖形時有很大的成就感，覺得收獲很多。

三、結束語

融入OBE教學理念的混合式教學模式，能夠將知識傳授、能力培養、素質提升有效融合，是一種先進的教育模式。CAD/CAM基礎是材料成型及控制工程專業的一門核心課程，開展以學生為中心線上線下混合式的教學模式，不斷激發了學生學習興趣，活躍了課堂氣氛，改善了教學質量，而且提升了學生學習的積極性和主動性，增進了學生的創新意識，培養了學生自主學習和勇于挑戰自己的能力。這種教學模式符合當前我們國家企業/行業轉型升級對高素質、復合型工程技術人才培養的需求，是一種可以大力推廣的專業課程教學模式。

參考文獻：

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基金項目：武漢理工大學教學改革研究項目“新工科背景下材料成型及控制工程專業人才培養模式改革探索與實踐”（w2020058）

作者簡介：馮瑋（1973-），女，漢族，湖北浠水人，博士，副教授，研究方向為精密成型工藝與數值模擬技術、模具CAD/CAE/CAM技術與優化設計。