融入OBE理念的汽車CAD課程教學改革

鹿盈盈

摘 要：現在汽車工業大發展，對CAD的需求越來越高。汽車CAD課程是一門理論性、實踐性和應用性很強的一門課程。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，汽車CAD教學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，對課程教學目標再定位、對理論教學內容和課內上機教學內容改革、對教學方式、教學考核方式改革，并進行教學實踐，實現了良好的改革效果。

關鍵詞：汽車CAD OBE 教學改革 實踐

CAD（Computer Aided Design）—計算機輔助設計是利用計算機、外圍設備和系統軟件輔助人們對產品進行設計的方法與技術。CAD技術起源于 20 世紀 60 年代，其可以大幅度地提高產品的設計效率和質量，成為現代工業中必不可少的技術手段[1]。汽車是一種包括多種典型機械元件、零部件，多種金屬與非金屬材料以及多種機械加工工藝的典型機械產品。現在汽車工業大發展，對CAD的需求越來越高。因此，對畢業生的CAD能力提出了更高的要求，因此迫切需要高校進行CAD課程教學改革，以提高學生分析和解決復雜工程問題的能力。

CAD課程是一門理論性、實踐性和應用性很強的一門課程。我校車輛工程專業2013年開始開設汽車CAD課程，根據教學計劃，該課程安排在大三上學期，總課時48學時，其中理論學時16學時，上機學時32學時。理論課主要講授CAD的基礎知識。根據CAD技術的內涵，CAD概念分為廣義的CAD概念和狹義的CAD概念。廣義的CAD主要包括設計和分析兩個方面。設計是指構造零件的幾何形狀、選擇零件的材料，以及為保證整個設計的統一性而對零件提出的功能要求和技術要求等。分析是指運用數學建模技術，如有限元、優化設計技術等，從理論上對于產品的性能進行模擬、分析和測試，以保證產品設計的可靠性。狹義的CAD概念，主要是指產品的幾何建模及其相關技術，即如何在計算機中描述產品的形狀和尺寸。因課時有限，為突出重點，本課程內容僅局限于狹義CAD的相關內容。

CAD技術在汽車業中的應用領域包括①汽車底盤設計CAD技術，②汽車車身設計CAD技術，③汽車零部件CAD技術，④汽車輕量化設計CAD技術，⑤汽車模具CAD技術。現有的集成軟件分為I-DEAS、SolidWorks、UG、Pro/E、CATIA等。Pro/E是美國參數技術公司（PTC）的一款非常優秀的工業設計軟件，于1988年問世，30多年來，經歷20余次的改版，已成為全世界最普及的3D CAD/CAM/CAE系統的標準軟件之一。作為PTC公司的旗艦產品，從其誕生之日即引起業界的極大震動，其參數化、全相關、基于特征的設計思想改變了工業三維設計的傳統觀念，帶動了整個行業的發展。Pro/E機械設計軟件的應用領域包括：零件設計、工程圖制作、鈑金設計、模具設計和工業設計等，在家具生產企業、玩具生產企業、汽車零部件生產企業、汽車發動機生產企業、航空航天所需部件的生產企業、醫療器械生產企業、模具生產企業、重型機械生產企業、軍工生產企業等都有廣泛應用[2]。本校汽車CAD技術課程采用的是Pro/E軟件。

1 教學目標的再定位

為了培養卓越的應用型人才，教育部于 2006 年啟動了國際工程教育專業認證工作。工程教育是我國高等教育的重要組成部分，工程教育專業認證是國際通行的工程教育質量保障制度，也是實現工程教育國際互認和工程師資格國際互認的重要基礎[3]。工程教育專業認證的核心是以成果導向（Outcome Based Education， OBE）的教育。OBE是一種以學生的學習成果（Learning out－comes）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[4]。

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，汽車CAD教學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上機教學內容、改革了課程教學方法和課內上機實施方式[4]。

融入OBE教育理念，本課程的教學目標是熟練掌握二維草繪、基準特征、拉伸、旋轉、掃描、混合、圓角、筋、孔等附加特征；特征的復制、鏡像、陣列、隱含、工程圖的概念、創建方法和步驟；了解零部件的裝配方法和裝配過程。同學們并且要學以致用，為以后使用Pro/E從事產品開發與設計、三維建模及機械加工等工程技術打下堅實的基礎。

2 教材的選擇

因教學大綱相對固定，故使用的教材相對固定，選擇兼顧理論性和實踐性的教材。這是因為本校的本科生畢業后，除了直接參加工作外，還有相當比例的學生繼續讀研深造，所以本課程除了培養學生掌握軟件操作外，還要對軟件背后的理論知識能夠理解掌握。案例除了課本上的以外，課題組還組織編寫了CAD上機指導書，以補充上機練習內容。

3 教學內容改革

3.1 理論課教授內容

理論課講解了CAD技術的發展趨勢、CAD系統的組成、CAD系統的配置形式與網絡結構、現代CAD系統的功能模塊（見圖1）、圖形軟件標準、CAD系統軟硬件選用原則、現代CAD軟件的主要技術特點（1.參數化建模技術，2.基于特征的建模技術，3.全數據相關技術，4.智能導航技術）、典型CAD軟件簡介等。介紹完CAD的基礎知識后，對Pro/E軟件進行概述，包括軟件的主要特點、軟件的功能及主要模塊、軟件的界面組成、軟件的操作流程和建模過程、使用Pro/E軟件進行產品設計的技巧等。

汽車CAD理論課時除了講授汽車CAD技術概述外，還會講到CAD技術基礎、二維草圖繪制基礎、基準特征、汽車零部件基本特征和高級特征的創建、附加特征的創建、特征的復制、特征的編輯、零件裝配設計、工程圖設計等內容。所以，如圖1所示，限于課時，本課程軟件部分內容的講解限于Pro/E軟件的通用模塊。

CAD技術基礎適用于各類CAD軟件，通過在本門課程里的理論學習，在學習其它軟件的時候也會受到啟發，起到觸類旁通的作用。CAD技術基礎涵蓋的內容簡介：①CAD中常用的數據結構定義、分類（包括邏輯結構和物理結構）、常見的數據結構（線性表、數組、棧與隊列、樹與二叉樹）；②圖形處理技術基礎（圖形變換包括基本的幾何變換，即研究物體坐標在直角坐標系內的平移、旋轉和放大（縮?。┑囊幝桑凑兆鴺说木S數不同，幾何變化可分為二維幾何變換和三維幾何變換兩大類；投影變換；坐標系與坐標變換；圖形裁剪；圖形消隱）；③曲線和曲面數學模型（規則曲面和擬合曲面）；④CAD建模技術基礎（三維幾何建模技術，可分為線框建模、表面建模和實體建模3種；實體建模主要包括兩部分內容：一是基本實體的生成，主要有體素法和掃描法；二是基本實體之間的集合運算。參數化建模、變量化建模、特征建模技術等）。

Pro/E軟件的學習包括二維草圖繪制、三維圖的創建、裝配圖的建立、工程圖的建立等。通過理論課的學習，學生可以全面地了解軟件各個功能模塊的使用方法，為后面的上機實踐練習打下良好的基礎。

3.2 上機課實踐內容

結合車輛工程專業特點，練習汽車相關的案例，如介紹拉伸、旋轉等三維模型形成方法時，舉例氣門、活塞、撥叉等零部件。這樣可以提高學生們的學習興趣。上機課除了課本上的案例外，還編寫了上機實驗指導書作為教材案例的補充，對學有余力的同學，我們可以提供往年省級或國家級CAD競賽題讓學生們練習，提高自己的三維繪圖水平。

4 教學方式改革

理論課在多媒體教室內上課，上機課在學院機房上課，學生人手一機。首先，充分利用教材上的案例學習并掌握Pro/E軟件的各個功能模塊。傳統上，老師在機房講臺上一步一步演示案例，學生在下面一步一步跟著操作，這種方式起初學生還能跟著學，但是長久了學生因缺乏學習的動力而倦怠。所以考慮將以教師教為主體的課堂翻轉為以學生學為主體的課堂。將教材上需要完成的案例告訴學生，讓學生根據課本上的步驟嘗試自己獨立完成案例，在探索完成案例的過程中，老師“被提問”的次數逐漸增多，這種以學生為主體的教學方式調動了學生學習的興趣和積極性，充分發揮學生的主導作用，實現學生從被動學習向主動學習的轉變，學習過程更有吸引力，從而有效提升學習效果，達到多方位培養學生發現問題、分析問題和解決問題的能力[5]。

其次，補充上機案例，使學生逐漸脫離課本、活學活用。這些案例不提供操作步驟給學生，讓學生獨立思考先后操作步驟，靈活掌握軟件的使用方法。經過訓練的學生，在今后的學習或工作中再遇到實際工程問題，也能想到辦法解決，舉一反三，真正達到學生時代學習的目標，滿足了社會的需求。

汽車CAD作為實踐性、操作性、應用性強的科目，掌握并熟練使用它，對于學習其它科目和滿足畢業要求等都有重要作用。

5 教學考核改革

由于課程理論部分晦澀難懂，難以記憶，而課程以培養學生熟練掌握一種CAD軟件—Pro/E為主，提高學生設計開發汽車零部件的能力，為畢業設計、未來深造和工作打下良好的基礎。而且軟件各模塊的應用也可以加深對理論部分的理解和掌握。所以課程考試采取上機考試形式，不再要求筆試。

最后的成績=平時（20%）+大作業（20%）+期末考試（60%）。平時成績是指考勤、課上練習的完成度。大作業指課后項目作業的完成情況。期末考試是指上機考試，一般有五個題目，一個二維草繪題，三個三維零件圖題，一個看圖紙先完成三維圖，再將三維圖轉化為二維工程圖的題目。五個題目涵蓋所有要求掌握的知識點。

6 教學實踐結果

要達到熟練掌握現代工具的畢業要求，僅僅靠汽車CAD的48學時的課程還遠遠不夠，還需要與課程設計、畢業設計等教學環節相結合。除此之外，還要鼓勵學生積極參加校級、省級和國家級的二維和三維制圖大賽。通過改革，學生們的制圖水平有明顯提高。

7 結論

汽車CAD課程是一門兼顧理論性且具有較強操作性、實踐性和應用性的課程。融入OBE理念，它以培養學生的創新能力為目標，提高學生的自學能力、實踐能力和綜合能力。教學過程采用先進的教學手段，課堂教學以基礎→實踐→綜合→創新為主線，將所學的理論知識和需要提升的實踐性能相結合，培養基礎扎實、實踐能力強的應用型、復合型、創新型高級專門人才[6]。汽車CAD課程教學改革是一項長期工程，需要不斷的持續改進，只有不斷地進行摸索，不斷地實踐，才能順應時代要求，培養出適應社會需求的應用型人才。

基金項目：先進內燃動力全國重點實驗室開放課題（K2023-01）。

參考文獻：

[1]王文竹，劉剛，龔鵬，等. 面向應用型人才培養的汽車CAD教學改革研究[J]. 汽車教育，2021，03： 188-190.

[2]石沛林，李玉善. 汽車CAD技術及Pro/E應用[M]. 北京：北京大學出版社，2011.

[3]楊洪剛. 面向工程教育專業認證的《汽車CAD/CAE》教學改革實踐[J]. 教育現代化，2019，6（18）：56-57+ 88.

[4]馮瑋.融入OBE理念的CAD/CAM基礎課程混合式教學研究與實踐[J]. 高教學刊，2022，5：66-70.

[5]于斐，劉光明. 線上、線下混合式教學在機械CAD/CAM技術課程的實踐[J]. 南昌航空大學學報：自然科學版. 2021，35（1）： 123-128.

[6]于斐，劉光明，焦益群. 機械CAD/CAM技術課程教學改革與實踐[J]. 機械設計與制造. 2022，8： 263-266.