應用型本科院校三維CAD課程教學改革方法研究

徐偉偉 李光榮 蔣立異 王博翔 錢正春

摘要 隨著機械產品設計多元化及數字化發展，三維建模軟件學習已成為應用型本科院校機械類專業的必修課之一。文章以機械專業三維CAD上機課程為例，基于工程認證理念，分析了傳統教學中存在的問題，并結合課程特點，以能力培養為目標，分別從教學環節、教學內容、教學方法及考核方式幾個方面提出優化思路。改革后經教學實踐發現學生的學習主動性、操作熟練度及創新意識得到顯著提高，或可為其他同類實踐性課程提供理論指導。

關鍵詞 應用型；三維CAD；機械類專業；教學改革

中圖分類號：G642文獻標識碼：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2023.18.017

隨著智能制造的發展，計算機輔助設計技術在制造業中的應用越來越廣泛，相應企業對應聘者計算機輔助設計技能的掌握要求也越來越高[1]。因此，三維CAD課程已成為機械類專業學生的專業基礎課程之一，也是非常重要的實踐教學環節。UG是集CAD/CAE/CAM于一體的高端三維參數化設計軟件，在機械工程、電子技術、航空航天、車輛工程及日常生活產品等工業設計領域應用非常廣泛，目前已成為高校機械類專業三維建模的首選軟件[2]。在該類課程教學中很多學者做了多種教學模式及方法的探索，如引入CDIO教學模式[3]、翻轉課堂的形式[4]、項目教學法[5]等。但有幾個問題依然值得我們思考，一是在有限的課時內如何合理安排教學內容及教學環節；二是教學方法的選擇及運用如何保證培養目標的達成；三是在掌握基本技能的基礎上如何提高學生的自主設計能力及創新能力。本文從這幾個問題出發，以本單位三維CAD上機課程為例進行課程改革，優化教學環節、教學內容、教學方法及考核方法等，培養學生的自主創新意識、自主學習能力、動手能力及團隊協作能力，提升學生理實結合、嚴謹認真的專業素養，從而成為新時代的應用型創新型人才。

1三維CAD上機目前存在的問題

1.1學生專業技能水平不一

三維CAD上機這門課程涉及的專業包括機械設計制造及自動化專業、機械電子工程、機械工程、工業工程等，在該課程開設之前，學生已經學習工程制圖、機械設計原理、機械制造基礎等專業課程。但不同專業學生的專業技能水平不一，對三維建模設計技術的理解程度不同，對于繪圖基礎和計算機操作水平較弱的學生，需要從三維建模最基礎的內容開始學習。

1.2教學環節設計及課時分配問題

三維CAD上機類課程總課時較短，傳統的教學安排是一半的課時用來講授理論及案例演示，一半的課時上機練習，項目任務則安排在課后完成。然而這種工程軟件應用課程具有以練為主的特點，由于課時數的限制，大量的理論講解導致學生并不能很快地消化，甚至出現講完就忘的現象。上機時間太短，師生互動欠佳，學生仍停留在理論層面，練習少，無法很好地掌握軟件操作技能及技巧。

1.3教學方法不合適

當前課堂教學大多依然采用多媒體演示方法進行教學，學生對教學內容，尤其是軟件操作要點無法反復學習，而且手段過于單一，學生的學習積極性無法有效調動，難以保證教學效果。此外，教學內容較多，課堂講授安排較滿，師生缺乏互動，大量的命令學習學生無法及時消化，實際操作水平難以提升。

1.4考核形式單一

現有的這類實踐課考核形式主要以任務完成情況及平時成績（多以出勤率為主）作為評價指標，然而任務書內容涉及的零件模型具有片面性，僅能涵蓋部分三維建模軟件命令的使用，無法全面了解學生對所學軟件的綜合應用能力，而且單一的項目任務的難易程度與學生實際掌握情況存在匹配性不足的問題。

2課程教學環節、內容、方法及考核辦法的改革

本文針對三維CAD上機課程教學過程中存在的問題，結合工程教育認證理念[6]，以能力培養為目標，對該課程的教學環節、教學內容、教學方法及考核方法等進行了以下改革。

2.1教學環節優化

考慮到三維CAD上機課程實操性和應用性強的特點，在總課時（24課時）不變的情況下，調整課堂講授及上機練習時間的比例，上機練習課時從原來的50%提升到65%左右，在上機練習過程中通過設定不同等級的練習題提升學生的實操技能，同時練習過程中伴隨有小組討論及答疑等環節，小組成員在綜合性較強的零件建模練習時通過小組討論的方式分享各自的建模思路，不僅可培養團隊精神，而且對培養自身的表達能力和創新能力也具有重大的促進作用。單純的課堂環節課時有限，并不能有效地提升學生的綜合應用能力，因此在課后安排項目設計環節，學生以小組的形式完成一個機械裝置的設計、建模、裝配及工程圖制作，以此來提升團隊意識及創新能力，并且提升該課程相關知識點的靈活運用能力，提升軟件操作技能。課程結束前，設置成果驗收環節，主要以小組答辯的形式開展，各小組推選匯報人，介紹項目設計的建模思路、建模過程及后續改進設想等內容，讓學生不僅會做，還會說。

2.2教學內容優化

由于縮減了課堂講授時間，對于教學內容的合理安排變得至關重要。該課程的知識單元包括了零件建模中的草圖、體速特征、布爾運算、掃描特征、設計特征、參考特征、細節特征等特征命令的操作，以及裝配、工程圖的操作等。在課堂講授中不再面面俱到，而是主要介紹軟件功能、基本操作方法、操作技巧、建模思路、裝配方法等，并將三維建模與機械制造、機械設計等專業基礎理論課程聯系起來，促進課程融合。此外，各種命令的具體操作過程及實例演示則通過學習通線上資源來補充。學生在上機練習時可參照線上資源演示進行復制操作，同時每次上機課會布置上機練習任務，進行基本技能訓練，包括草圖及約束練習、零件實體建模練習、虛擬裝配練習、工程圖轉換及標注練習等。通過教學內容的合理安排做到理論與實踐緊密配合，加深學生對其他基礎理論課程的理解及三維建模方法的認識。

2.3教學方法優化

隨著信息技術的發展，教學方法更加多樣化、信息化。本課程除了常規的多媒體，還在教學過程中引入了線下線上混合教學的模式，在學習通上建設了課程資源，按照課程大綱教學內容要求錄制短視頻并發布任務點，學生可以利用零碎的時間觀看相關知識點視頻，上機時間或者課后可以完成相關的建模練習任務。此外，在課堂教學中會發布課堂活動、作業等，利用線上學習平臺的數據化管理，及時了解學生的學習進程和水平，針對學習中遇到的共性問題及時給出解決方案，并重點講解。

除此之外，引入開放式的個性項目化設計。該課程實操性較強，需要利用工程實踐來檢驗學習效果，但學生存在個體差異，個人掌握水平及技能水平不一致，因此太簡單的項目設計課題對學生技能的提升起不到促進作用，而太難的項目設計對部分學生而言完成存在較大困難，容易缺乏信心，難以保證完成的質量。因此，在該課程中將項目設計任務分為給定式任務及創新性任務兩大類，其中給定式任務包括不同難易程度的任務，如千斤頂、虎鉗等，預先給定多組部分零件的關鍵尺寸，學生建模時需按照結構勻稱、協調、合理、符合機械設計規范的原則自行設計其余尺寸，該類任務可以強化學生的設計能力和模型構建能力，提升UG軟件基礎操作技能，同時能促進學生將機械設計課程的基礎設計理論應用到實踐中來，加深對專業理論知識的理解和應用；創新性任務則是學生自主選題，基于大學生創新項目、科研項目進行一些創新設計，引導學生走進生產、發現生活、暢想未來，從生產生活中迸發靈感進行創新設計，可借此培養學生的自主學習能力和創新能力。

2.4考核辦法優化

為深入了解學生教學過程中的學習狀態、學習成效、掌握水平等情況，可增加過程評價指標，并結合成果評價來驗收，提高學生的綜合應用能力。該課程的考核以考核學生能力培養目標的達成為主要目的，以檢查學生對各知識點的掌握程度為重要內容，以上機操作為主要考核方法，在總成績中，時間管理占10%，上機練習占30%，項目設計占60%。

①時間管理。主要考查學生課堂出勤及參與情況，課程所有環節可以借助線上平臺對課堂活動、考核記錄、學情等進行數據化管理，根據學生出勤及課堂活動參與情況給出評價，占總成績的10%。

②上機練習。上機練習要求全程參與，按時完成三次以上上機訓練和任務，每次上機單獨評價，上機成績由上機設計（30%）、課堂操作（30%）和模型完成度（40%）三部分組成，多次上機按平均值的30%計入課程總成績。

③項目設計。項目設計要求學生分組進行，包括小組分工、建模裝配、撰寫報告、答辯等環節，占課程總成績的60%。每位學生的項目設計成績由小組成績和組內成績兩部分組成，小組成績從四個部分進行評價，其中小組實踐安排占項目設計成績的10%；產品零件數量與三維模型占項目設計成績的40%；產品裝配占項目設計成績的20%；答辯情況占項目設計成績的30%。小組得分為組內所有學生的平均分，每位學生的得分則依據其在組內的貢獻，由各小組成員自行評價確定，但最高分與最低分差值不得小于15%。

3改革成效

經過對19、20、21級6個班不同專業的三維CAD上機課程跟蹤調查發現，采用上述教學改革方法具有顯著的教學效果，如表1所示。從表中可以看出學生的學習主動性得到明顯提高，原先理論講授時間有部分逃課現象，改革后出勤率提高到97%以上。上機練習課時比例增加可有效提升上機任務完成度，與改革前相比，上機任務完成度提高了15%以上。結合線上資源的學習，學生的操作技能明顯提升，原來模型練習數量僅6―8個，改革后部分自主學習能力較強的學生練習模型數量達原來的兩倍，軟件操作技能提升迅猛。而項目設計方面，原來均選擇給定課題，近兩年教學過程中在自主選題上有了突破，部分班會有1―2個組進行一些創新項目設計，表明該模式下部分學生已經熟練掌握了各種命令的操作方法，并且具有一定的創新意識及創新精神。此外，經過課上討論、互動等環節的開展，大多數學生在最終答辯時能對自己的成果進行詳細有條理的介紹，語言表達能力顯著提高。

4結語

文章基于工程認證教育理念，分析了三維CAD課程教學過程中存在的問題，以能力培養為目標，對該課程的教學環節、教學內容、教學方法及考核方法等進行探索和改進嘗試。結合教學實踐經驗，可以發現講授和上機課時的優化分配可促進學生操作熟練度的提升；課堂講授內容以啟發式教學為主，具體操作方法以線上課程資源作為輔助，可有效提高學生的學習主動性及任務完成度；多種類型的項目設計課題可檢驗學生操作技能的熟練度，并可有效提高學生的創新意識。該教學改革方式可為應用型本科院校同類課程改革提供參考。

基金項目：江蘇省教育科學“十四五”規劃2021年度重點課題（C-b/2021/01/23）；南京工程學院科學基金項目（YKJ202004）。

參考文獻

[1]李志鵬.論三維建模技術在機械產品設計中的應用[J].內燃機與配件，2021（21）：216-218.

[2]訾克明，蘆新春，王衍.基于“中國元素”的UG三維設計課程的教學改革[J].輕工科技，2020，36（12）：159-160.

[3]張宇晴，李小英，張金穎.基于CDIO課程體系的三維建模課程改革研究[J].大學教育，2018（5）：80-82.

[4]唐友亮，孫肖霞.基于翻轉課堂的UG課程教學研究與實踐[J].教育教學論壇，2017（31）：177-178.

[5]劉明，齊薇.項目教學法在UG課程中的實踐應用——以營口職業技術學院為例[J].遼寧師專學報（自然科學版），2022，24（1）：33-35.

[6]潘圓媛.工程教育認證理念下《SolidWorks三維建模設計》課程建設研究[J].產業與科技論壇，2022，21（24）：195-197.