多學科交叉視角下“工程制圖及CAD”課程的教學創新與優化探究

摘要：探索了多學科交叉視角下“工程制圖及CAD”課程與多物理場仿真軟件COMSOL Multiphysics融合教學的創新模式，旨在優化工程教育的教學效果。首先，分析了當前課程教學內容與現代工程實踐需求的差距，提出引入仿真軟件以強化學生在三維建模與仿真驗證方面的能力。其次，基于教學實踐，[ 4]"詳細介紹了利用COMSOL Multiphysics開展案例教學的具體方法，以及學生通過仿真分析工程結構優化設計的實踐經驗。最后，通過教學反饋，總結了該融合教學模式的初步成效和優化方向。[ 5]"為提升工程制圖課程的實踐性和綜合性提供了新思路，對工科教育教學改革具有重要借鑒意義。

關鍵詞：工程制[A6]"圖 計算機輔助設計 教學改革 實踐能力

Exploration of Teaching Innovation and Optimization of the \"Engineering Graphics and CAD\" Curriculum from a Multidisciplinary Intersection Perspective

WANG Zhiqi" ZHANG Xiufen" XUE Junfang

Inner Mongolia University of Technology， Hohhot， Inner Mongolia Autonomous Region， 010000 China

Abstract： This paper explores an innovative teaching model that integrates the “engineering graphics and CAD” curriculum with the multi-physics simulation software COMSOL Multiphysics from a multidisciplinary perspective， aiming to optimize the teaching effectiveness of engineering education. Firstly， the study analyzes the gap between the current curriculum content and the demands of modern engineering practices， proposing the incorporation of simulation software to strengthen students' skills in 3D modeling and simulation verification. Secondly， based on teaching practices， the paper provides a detailed account of the methods for conducting case-based teaching using COMSOL Multiphysics and demonstrates the practical experience of students in optimizing engineering structures through simulation analysis. Finally， through teaching feedback， the study summarizes the preliminary effectiveness and optimization directions of the integrated teaching model. This study offers new insights into enhancing the practicality and comprehensiveness of the engineering graphics curriculum and has important reference significance for the reform of engineering education and teaching.

Key Words： Engineering graphics; Computer aided design; Teaching reform; Practical skills

[ 7]"“工程制圖及CAD”是工科專業的一門重要基礎課程，旨在培養學生的工程繪圖能力、空間想象力與計算機輔助設計工具的操作技能。現階段，課程內容包括AutoCAD二維繪圖和SolidWorks三維建模的綜合教學，既注重基礎理論知識的傳授，也強調實踐技能的訓練。然而，隨著現代工程技術的快速發展，大多數企業逐漸采用三維建模直接生成工程圖，甚至在某些場景中完全取代了傳統的工程圖表達方式。這對學生在三維建模與結構優化方面的能力提出了更高要求，也促使課程教學進一步向貼近實際工程需求的方向發展。

國際工程教育改革趨勢聚焦于簡明化、實踐化和跨學科融合，強調通過綜合能力的培養來提升學生的就業競爭力。在此背景下，如何通過優化教學內容，將理論教學與實踐環節有機結合，使學生既掌握基礎知識又具備解決復雜工程問題的能力，成為教學改革的重要議題。COMSOL Multiphysics作為一款多物理場仿真軟件，憑借強大的仿真功能和跨學科特性，為工程教育提供了創新的教學工具。將其引入“工程制圖及CAD”課程，可以為學生提供從幾何建模到多物理場仿真的完整學習體驗，幫助學生在實際工程問題中運用所學技能，從而彌補傳統教學中的不足。

本文以多學科交叉為視角，探討“工程制圖及CAD”課程與COMSOL Multiphysics融合教學的創新模式。通過分析課程現狀與工程實踐需求的差距，提出引入仿真軟件的教學改革思路，并結合具體教學案例展示其實施過程和實際效果。本研究為提升課程的實踐性與綜合性提供了新方向，對工科教育改革具有重要借鑒意義。

1 “工程制圖及CAD”教學現狀

“工程制圖及CAD”這門課程是內蒙古工業大學面向機械類、近機類等工科專業學生開設的專業基礎課，共計72學時，其中：40學時為基礎理論知識的授課，32學時為計算機輔助設計軟件的實踐教學。實踐內容包括AutoCAD二維工程圖的繪制與SolidWorks三維實體模型的建立。課程旨在培養學生的圖紙閱讀、繪圖能力、空間想象能力與對相關繪圖軟件的操作技能。與其他專業課程不同，“工程制圖及CAD”針對的是大一新生，具有先導性的教學意義^[1]。工程制圖被譽為工程技術界的語言^[2-3]，在相關領域具有重要地位。該課程對學生后續專業課程學習、課程設計與畢業設計的完成起到了重要支撐作用。此外，圖紙閱讀與繪圖能力也是學生在未來工作崗位中從事設備設計、仿真制造等多種工作所必需的重要技能。

目前，“工程制圖及CAD”課程主要專注于培養學生的繪圖和讀圖技能，但尚未深入研究三維零部件在企業中的實際應用場景。大多數企業已經采用直接通過三維模型生成工程圖的方法來表達零部件，甚至在現代化智能化加工設備的應用下，某些加工制造過程中不再需要形成傳統的工程圖。因此，針對當前工程實踐的需要，有必要調整課程重心，精簡或刪除部分行業實際需求較少的內容^[4]，更加注重學生的三維實體建模設計能力的培養。另外，設計驗證和優化是基于三維實體建模的，旨在確保產品在實際制造中的可行性和性能。因此，課程應該更加貼近現實工程實踐，強調學生通過仿真驗證結構可行性的能力。

當今國際工程圖學教學潮流所倡導的是課程內容簡明化和實用化、強調實踐能力的專業化培養^[5]。區別于傳統教育，新的教學體系需要具有以下特點：培養人才的綜合素質培養能力，以創新型、適應型、技術型人才為主要培養目標^[6]。在課程教學方面，傳統的理論講解往往難以激發學生的學習興趣，為了更好地滿足未來工作崗位對學生的需求，有必要向學生們直接傳達三維建模與仿真的重要性^[7-8]。通過以未來工作崗位需求為導向的教學方式，將抽象理論轉變為具體實踐，可以有效地激發學生的學習內驅力。這樣的教學方式能夠使學生們更加清晰地了解自己的職業規劃和學業規劃，從而有助于培養出國家制造業需要的人才。

綜上所述，當前課程內容與現實機械工程師崗位的要求存在一定脫節，傳統的課堂講授教學形式較為單一，很難保證學生的全過程學習專注度^[9-10]。因此，本文提出引入多物理場仿真軟件COMSOL Multiphysics向學生演示零部件應力分布的仿真過程，不僅可以培養學生在三維實體建模和仿真驗證方面的專業能力，還通過混合式教學為學生提供情景化和參與化的學習體驗。

2 COMSOL Multiphysics仿真軟件在教學中的運用思路

針對不同的工科專業，如機器人工程、車輛工程、能源與動力工程等，學生們所應用到的物理場有所不同，包括固體力學、流體力學、熱學、電磁學等。為了更好地滿足跨學科需求，筆者在教學中選擇了COMSOL Multiphysics這一多物理場仿真軟件作為教學工具。該軟件以有限元法為基礎，通過求解偏微分方程或偏微分方程組來實現真實物理現象的仿真^[11]。這一教學選擇有助于學生在不同領域的工程實踐中應用所學知識，促進跨學科綜合能力的培養。

素質教育以“以人為本”為核心理念，強調因材施教、理論與實踐相結合，旨在通過全面激發學生的主觀能動性，促使其在學習過程中更好地理解和掌握知識體系。在工程教育教學實踐中，有針對性地將仿真軟件引入課堂，不僅能夠顯著提升學生在CAD繪圖技能方面的綜合應用能力，還可以通過模擬復雜的物理現象與工程場景，將理論知識與實際工程問題有機融合，從而實現知識傳授的直觀化、具體化和實踐化目標，最終有效地促進教學質量的全面提升。

通過仿真軟件生成色彩豐富且具有較高可視化效果的應力分布云圖（或其他參數云圖），能夠極大地強化學生對仿真結果的感知和理解，使其在學習過程中既能夠直觀感受復雜工程問題中的數據分布規律，也能夠通過這樣的視覺刺激進一步加深對空間概念的認知與掌握。這種可視化展示方式不僅有助于增強學生的空間想象能力和對核心知識點的深層理解，還能夠通過提升學習動機和成就感，為培養學生的綜合能力與創新思維提供更有力的支持，同時也契合當前素質教育改革對工程教育提出的實踐化和現代化要求。

此外，在教學過程中引入仿真軟件的同時，教師可以充分利用其作為實驗與驗證新思路的重要工具，為學生提供一個融合理論學習、實踐操作與問題解決的綜合性平臺，從而促使學生在利用該平臺進行實驗設計、參數調整和結果分析的過程中，通過發現問題、分析問題并最終提出解決方案，逐步形成獨立的創新意識與較強的實踐能力。這一過程將為學生未來參與科技競賽和從事相關工程實踐奠定堅實的基礎。特別是在現代工程領域中，熟練掌握COMSOL Multiphysics等先進仿真工具，不僅是學生適應行業快速發展需求的基本能力，也成為提升其就業競爭力的重要技能之一。

同時，COMSOL Multiphysics軟件憑借廣泛涵蓋物理學、數學及工程學等多個學科領域的特點，為學生提供了一個充分發揮跨學科優勢和多維學習體驗的平臺。這種跨學科屬性在教學實踐中不僅能夠推動學科間的交叉與融合，也能夠通過拓寬學生的學術視野，全面提升其在復雜工程問題上的綜合能力，切實符合現代工程教育改革所提倡的綜合性與實踐性相結合的教學目標。

3 COMSOL Multiphysics的教學實踐

在教學實踐中，首先，教師通過課堂講解向學生系統性地介紹COMSOL Multiphysics的基本原理與操作方法，并結合工程制圖課程中的相關理論知識，使學生在掌握軟件功能的同時，能夠理解其在實際工程應用中的意義與價值。其次，教師利用演示或視頻教程的形式，詳細闡釋了如何在COMSOL Multiphysics中完成從建立幾何模型到定義邊界條件再到設置仿真參數的基本操作流程，為學生提供直觀且清晰的學習路徑。

為了更好地實現理論與實踐的有機結合，教師從工程實際出發，精心選擇了一些典型案例，如涉及熱傳導、結構力學、流體力學等領域的問題，并將這些實際工程問題中抽象的幾何模型導入COMSOL Multiphysics軟件中，通過仿真分析，生成與之對應的位移分布圖、溫度分布圖、應力分布圖等直觀結果。通過這些具體的圖像化輸出，學生不僅能夠加深對理論知識的理解，還能夠體會到仿真分析在工程問題解決中的重要作用，進而提升其對軟件應用的興趣與認知能力。

在涉及結構設計的教學環節中，教師重點引導學生認識到應力和應變分析是評估結構可行性與優化設計的重要途徑之一。COMSOL Multiphysics作為一款功能強大的多物理場仿真工具，其不僅能夠通過精確的結構仿真計算幫助學生確定結構的強度和穩定性，還能夠為優化結構設計提供數據支持，從而在提升結構性能和效率的同時，減少材料消耗并有效降低工程成本。這種基于仿真計算的教學方式使學生能夠從理論分析的角度切入實際工程問題，并通過多次實踐逐步提升其解決復雜問題的能力，為未來在工程領域的應用打下堅實基礎。

本文以簡易的支架結構為例，引入COMSOL Multiphysics多物理場仿真軟件的操作過程。通過具體案例的介紹，展示COMSOL Multiphysics在結構設計中的應用，以及該軟件如何輔助工程師進行結構分析和優化，從而為教學和工程實踐提供了重要參考和指導。

在教學中，首先，在SolidWorks軟件中，通過拉伸、拉伸切除等特征建立支架的幾何模型（如圖1所示）。其次，將其導入COMSOL Multiphysics中。再次，選定材料，設定邊界條件，劃分網格后，進行求解，并對計算結構進行后處理，獲得位移與應力的分布圖，如圖2、圖3所示。

通過以上案例的演示，學生可以選取一些實際工程案例，使用COMSOL Multiphysics進行仿真分析。此外，在COMSOL官方網站中，有全面且詳細的各種案例介紹和視頻教程，可供學生參考。通過學習案例并進行實際動手操作，學生可以更深入地理解工程制圖與仿真之間的關系，并學會將仿真結果與工程制圖相結合進行分析和解釋。

4 優化融合教學模式

對于工程制圖與仿真軟件的融合教學模型，還需要進一步的準備工作。具體而言，需要豐富教學案例，涵蓋更多不同領域和實際工程項目，以滿足學生的多樣化學習需求。在教學案例的選擇上，可以引入更具挑戰性和創新性的案例，以激發學生的學習興趣和動力。在教學過程中，還應提供更多有關幾何建模與仿真軟件的教學資源和學習支持，如視頻教程、在線文檔、實驗室實踐等，可以充分利用雨課堂等在線學習平臺，將課堂過程保存為視頻形式，以供學生隨時復習。

為了提高教學的靈活性和互動性，可以采取以下措施。首先，可以[A10]"結合傳統課堂教學和在線學習平臺，采用多元化的教學方法，這樣做有助于促進學生的參與度和學習效果。其次，應提供個性化的學習支持和指導，根據學生的學習水平和需求，設計個性化的學習計劃和教學內容，以更好地滿足不同專業學生的學習需求和發展方向。最后，將COMSOL Multiphysics的教學進行過程性評價，例如：要求學生在規定時間內完成一系列軟件操作任務，如建立模型、設定邊界條件、運行仿真等，并根據完成的準確性和完整性進行評分。統計學生在課堂上的參與情況，包括回答問題的準確率、參與討論的頻率等指標，從而評價學生對教學內容的理解和掌握程度。

5 結語

通過對”工程制圖及CAD”教學與COMSOL Multiphysics的融合進行探索和實踐，我們深刻認識到了教育教學領域的不斷創新和發展的重要性。本文介紹了當前課程現狀以與對傳統教學模式的反思，提出了將仿真軟件引入教學的思路，并分享了教學實踐的經驗和成果。在教學實踐中，充分利用COMSOL Multiphysics這一多物理場仿真軟件，結合傳統的工程制圖課程內容，為學生提供了更加綜合、實踐性強的學習體驗。通過理論與實踐的結合，學生不僅提高了對工程制圖和CAD軟件的掌握程度，還培養了在三維建模和仿真驗證方面的專業能力，為未來的工程實踐奠定了堅實的基礎。進一步豐富教學案例、提供個性化學習支持、加強過程性評價，將有助于滿足學生的多樣化學習需求，促進教學質量的持續提升。

參考文[A11]nbsp;獻

[1]""" 楊宏鑫， 劉婷婷， 杜岳峰，等. “工程制圖與CAD”課程教學改革探索與設計[J]. 中國設備工程， 2024（3）： 258-260.

[2]""" 李媛媛. “工程制圖與CAD”課程思政教學改革探索與實踐[J]. 教育教學論壇， 2021（9）： 103-106.

[3]""" 郭曉峰， 于文妍， 王斌，等. 工程制圖與CAD基礎混合式課程建設與教學改革探索[J]. 科技資訊， 2018， 16（36）： 174-175.

[4]""" 林振良， 李慶， 黃瑩娜，等. BIM技術融入“工程制圖基礎”課程教學探索[J]. 西部素質教育， 2024， 10（3）： 23-26.

[5]""" 劉飛， 曾福生， 屈婧婧. 高校非機械類工科專業“工程制圖”課程教學改革探討[J]. 科教導刊， 2024（1）： 124-126.

[6] 張瑞華， 唐勁松. 機械工程制圖教育教學新體系研究[J]. 特種鑄造及有色合金， 2021， 41（8）： 1070-1071.

[7]""" 王運巧， 劉靜華. 全面整合三維CAD技術的工程圖學國際化教學改革實踐[J]. 大學教育， 2017（3）： 20-23.

[8]""" 張宗波， 王珉， 牛文杰，等. 與三維造型技術相融合的工程圖學教學探索[J]. 高教學刊， 2018（21）： 76-78.

[9] 陳璐琪. 雙線混融視角下中職《工程制圖》項目化教學應用研究[D]. 貴陽：貴州師范大學， 2023.

[10]江道傳， 張忠潔， 朱儲紅，等.工程制圖與CAD課程教學改革探索與實踐[J]. 塑料工業， 2024， 52（4）： 189.

[11]" 周騰， 王瀚林， 史留勇，等. COMSOL Multiphysics在《模擬電子技術》教學改革中的應用[J]. 教育教學論壇， 2017（24）： 237-238.