基于CDIO的“四段式”教學(xué)模式實(shí)施

申明倩 王江濤

摘 要：CDIO基于“項(xiàng)目教學(xué)”模式，對(duì)學(xué)生的三維建模能力進(jìn)行分解，從“基礎(chǔ)能力、綜合能力、應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力”四個(gè)方面分階段設(shè)置教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)方式，注重能力層級(jí)的系統(tǒng)性和獨(dú)立性，打破傳統(tǒng)教學(xué)方式的禁錮，實(shí)施以“任務(wù)為驅(qū)動(dòng)，項(xiàng)目為導(dǎo)向，工作過程為載體”的“四段式”一體化教學(xué)方法，使學(xué)生在具體項(xiàng)目教學(xué)中感受到建模理論與設(shè)計(jì)實(shí)踐的有效結(jié)合。

關(guān)鍵詞：任務(wù)驅(qū)動(dòng)；工作過程；教學(xué)模式；Pro/E軟件；CDIO

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-7394（2016）06-0093-05

1 CDIO教學(xué)法的引入

CDIO（Conceiving-Designing-Implementing-Operation，即構(gòu)思—設(shè)計(jì)—實(shí)現(xiàn)—運(yùn)行）是由麻省理工學(xué)院、瑞典查爾斯技術(shù)學(xué)院、瑞典皇家工學(xué)院和瑞典林克平大學(xué)等國(guó)際知名高校，經(jīng)過四年的探索研究創(chuàng)立而形成的一種新型的國(guó)際工程教育模式。[1]相較于傳統(tǒng)教學(xué)模式，CDIO更加注重對(duì)學(xué)生能力的培養(yǎng)，其能力評(píng)價(jià)指標(biāo)包括基礎(chǔ)能力、綜合能力、應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力。[2]針對(duì)工業(yè)設(shè)計(jì)專業(yè)三維軟件課程，基礎(chǔ)能力強(qiáng)調(diào)學(xué)生對(duì)軟件常用命令、基本工具的學(xué)習(xí)和掌握；綜合能力著重培養(yǎng)學(xué)生的項(xiàng)目實(shí)施能力，使學(xué)生在具體項(xiàng)目建模時(shí)對(duì)圖紙的理解、建模方法的分析、建模思路的形成以及具體建模操作能力；應(yīng)用能力是指將三維軟件和后期的加工制造環(huán)節(jié)結(jié)合起來(lái)，比如將建模文件轉(zhuǎn)換成stl格式導(dǎo)入3D打印軟件進(jìn)行3D打印或者生成NC代碼，輸出NC代碼后進(jìn)行數(shù)控加工；創(chuàng)新能力則通過引入設(shè)計(jì)比賽強(qiáng)化學(xué)生的設(shè)計(jì)創(chuàng)新與設(shè)計(jì)實(shí)踐能力。

為此我們結(jié)合三維軟件課程教學(xué)的特點(diǎn)，融入CDIO理念，以這四種能力為核心進(jìn)行課程教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式、教學(xué)手段等的改革與實(shí)踐，克服傳統(tǒng)軟件教學(xué)中存在的弊端和問題，形成以“任務(wù)為驅(qū)動(dòng)，項(xiàng)目為導(dǎo)向，工作過程為載體”的一體化教學(xué)模式，培養(yǎng)學(xué)生成為擅設(shè)計(jì)、能創(chuàng)新、肯協(xié)作，能適應(yīng)市場(chǎng)需要的現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)師。

2 基于CDIO和工作過程的“四段式”一體化教學(xué)模式實(shí)施

工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)是有計(jì)劃、有步驟、有目標(biāo)、有方向的創(chuàng)造活動(dòng)。每個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程都是解決問題的過程。產(chǎn)品設(shè)計(jì)是一種程序，包括信息搜集和理解的工作、創(chuàng)造性的工作（如材料的選擇、色彩的搭配等）、交流方面的工作（如產(chǎn)品的裝配設(shè)計(jì)）、測(cè)試和評(píng)價(jià)方面的工作（如結(jié)構(gòu)的優(yōu)化）以及說(shuō)明的工作等。三維軟件課程開設(shè)在大三的第一學(xué)期，學(xué)生已經(jīng)完成了設(shè)計(jì)方法學(xué)、材料工藝學(xué)、產(chǎn)品形態(tài)設(shè)計(jì)、手繪效果圖等專業(yè)課程的學(xué)習(xí)，具備了進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)知識(shí)和基本技能，因而該課程的主要目標(biāo)是借助Pro/E軟件綜合利用專業(yè)知識(shí)將設(shè)計(jì)方案以直觀、生動(dòng)的形式表現(xiàn)出來(lái)。在具體教學(xué)過程中，結(jié)合能力培養(yǎng)的目標(biāo)要求和CDIO的理念，將教學(xué)內(nèi)容分解為四個(gè)階段：基礎(chǔ)能力培養(yǎng)階段、綜合能力培養(yǎng)階段、應(yīng)用能力培養(yǎng)階段和創(chuàng)新能力培養(yǎng)階段，如圖1所示。這四階段是連續(xù)的、一體的，缺一不可。

2.1 基礎(chǔ)能力培養(yǎng)階段

工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)是創(chuàng)造性的過程，而三維軟件課程是這一過程開啟的基礎(chǔ)。該課程涉及實(shí)體建模方法的基礎(chǔ)理論、曲面造型的基礎(chǔ)知識(shí)、色彩搭配的基礎(chǔ)技巧以及材質(zhì)選擇的基本原則等?？梢钥闯?，將這些基礎(chǔ)的知識(shí)和能力全面展開會(huì)耗費(fèi)大量的課時(shí)，但如果以某產(chǎn)品為例來(lái)講授相關(guān)的概念和知識(shí)會(huì)讓學(xué)生容易理解和接受。在具體教學(xué)中，要想獲得良好的教學(xué)效果，必須打破傳統(tǒng)大而全的教學(xué)模式，結(jié)合專業(yè)特點(diǎn)采取重點(diǎn)講解的方式。按照CDIO的能力分析，該階段主要培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)基礎(chǔ)能力，在軟件學(xué)習(xí)中貫穿草繪、實(shí)體、工程圖、色彩、材質(zhì)、光源、陰影和剖切等模塊專業(yè)技能的訓(xùn)練（如圖2所示）。而且每個(gè)模塊在命令講解時(shí)采用項(xiàng)目教學(xué)法[3]，通過導(dǎo)入企業(yè)委托項(xiàng)目或教師研究課題，按照“基于工作過程”的產(chǎn)品開發(fā)流程，引導(dǎo)學(xué)生完成三維模型的構(gòu)建，工程圖紙的生成以及效果渲染等設(shè)計(jì)任務(wù)，讓學(xué)生在項(xiàng)目實(shí)施過程中不僅掌握軟件操作工具，而且強(qiáng)化工業(yè)設(shè)計(jì)相關(guān)核心專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)和理論水平。同時(shí)，項(xiàng)目教學(xué)過程中完成的三維模型由于更契合企業(yè)生產(chǎn)實(shí)際，會(huì)激發(fā)學(xué)生個(gè)人成就感，激勵(lì)學(xué)生的建模主動(dòng)性。

2.2 綜合能力培養(yǎng)階段

Pro/E軟件強(qiáng)調(diào)參數(shù)化設(shè)計(jì)的概念，因此其建模方式和二維軟件有很大的不同，而很多學(xué)生在學(xué)習(xí)三維之前大都接受了二維（AutoCAD）的學(xué)習(xí)，因此，在進(jìn)行三維建模時(shí)會(huì)因?yàn)榻７绞降牟煌涣?xí)慣。但是，Pro/E軟件的參數(shù)化、單一數(shù)據(jù)庫(kù)等特點(diǎn)使得三維建模在模型尺寸修改、尺寸驅(qū)動(dòng)等方面具有巨大的優(yōu)勢(shì)。[4]因此，對(duì)于三維建模來(lái)說(shuō)，必須提升學(xué)生的二維轉(zhuǎn)化三維的建模能力，這部分主要是規(guī)定建模部分，主要包括學(xué)生對(duì)建模產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)分析、建模命令的選擇以及建模思路的形成。對(duì)于Pro/E軟件來(lái)講，建模時(shí)同一零件往往可以采用不同的方法進(jìn)行造型，建模命令的選擇取決于建模者對(duì)命令的熟悉程度以及對(duì)于零件結(jié)構(gòu)的理解，而且不同建模命令會(huì)影響建模的結(jié)構(gòu)和速度。在根據(jù)二維圖紙繪制三維實(shí)體的規(guī)定建模階段以培養(yǎng)學(xué)生的讀圖能力、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能力和三維建模能力為主，該階段學(xué)生的主要任務(wù)為熟悉圖紙，并選擇合適的建模方法進(jìn)行三維建模。企業(yè)的實(shí)際需求是創(chuàng)新設(shè)計(jì)，必須在教學(xué)中將學(xué)生帶入接近企業(yè)實(shí)際情況的情境中，對(duì)學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計(jì)等能力進(jìn)行培養(yǎng)和訓(xùn)練，如圖3所示。在規(guī)定建模結(jié)束后，接著就進(jìn)行部分建模階段，該階段在主體部分采用規(guī)定建模，在此基礎(chǔ)上要求學(xué)生添加自己的創(chuàng)意使得產(chǎn)品或零件的結(jié)構(gòu)或功能實(shí)現(xiàn)飛躍。該階段不僅強(qiáng)化了學(xué)生的建模能力，更對(duì)學(xué)生的發(fā)現(xiàn)問題能力、創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力，全局優(yōu)化能力等進(jìn)行培訓(xùn)。同時(shí)，為了鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，只要求功能，讓學(xué)生根據(jù)已有的建模方法，進(jìn)行新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與建模。

借助案例引導(dǎo)實(shí)施上述培養(yǎng)方案，通過基于CDIO能力訓(xùn)練，不僅能培養(yǎng)學(xué)生形成清晰的建模思路和良好的建模習(xí)慣，而且會(huì)增強(qiáng)學(xué)生的綜合建模能力，可加強(qiáng)學(xué)生對(duì)案例建模的總體把控，能提高學(xué)生的建模效率，最終滿足各種企業(yè)對(duì)設(shè)計(jì)類人才的需求狀況。

2.3 應(yīng)用能力培養(yǎng)階段

該階段的實(shí)施可采用面向工作過程的方法，通過給定產(chǎn)品功能要求，按照產(chǎn)品的研發(fā)和設(shè)計(jì)需要，面向產(chǎn)品的開發(fā)目標(biāo)招募和組織學(xué)生團(tuán)隊(duì)，形成靈活的目標(biāo)-團(tuán)隊(duì)模式，每個(gè)成員參與到整個(gè)產(chǎn)品開發(fā)的各個(gè)環(huán)節(jié)中，不斷在設(shè)計(jì)、實(shí)施、測(cè)試、再設(shè)計(jì)的多次迭代中優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

將模型建立完成后，模型的正確與否，需要經(jīng)過實(shí)踐的檢驗(yàn)。Pro/E軟件的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)在于可以和后期的加工制造環(huán)節(jié)聯(lián)系起來(lái)，其可以生成NC代碼，輸出NC代碼后進(jìn)行數(shù)控加工。但對(duì)于在校的大學(xué)生來(lái)說(shuō)，這部分很少有機(jī)會(huì)來(lái)實(shí)現(xiàn)。但是當(dāng)將Pro/E文件轉(zhuǎn)換成stl格式時(shí)，可以導(dǎo)入3D打印軟件進(jìn)行3D打印，不僅完成產(chǎn)品的三維建模，還可以將實(shí)物加工出來(lái)，在工業(yè)設(shè)計(jì)專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)實(shí)體模型制作時(shí)具有現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用意義。但不同材料對(duì)加工方法和加工工藝有不同的要求，在課程中應(yīng)該引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合專業(yè)知識(shí)對(duì)材料進(jìn)行分析，選擇合適的成型方法，對(duì)模型進(jìn)行功能反洗，設(shè)計(jì)出能實(shí)施加工的三維模型。在該過程中，以問題解決為導(dǎo)向，鼓勵(lì)學(xué)生圍繞課題主動(dòng)學(xué)習(xí)，利用所學(xué)的專業(yè)知識(shí)和建模方法解決問題、創(chuàng)新設(shè)計(jì)的同時(shí)自主構(gòu)建個(gè)人的知識(shí)體系，教師主要的責(zé)任是給出目標(biāo)或問題，不斷刺激學(xué)生討論、快速主動(dòng)學(xué)習(xí)新知識(shí)、研究解決問題的辦法。圖4是學(xué)生進(jìn)行應(yīng)用能力培養(yǎng)階段的實(shí)施過程。

2.4 創(chuàng)新能力培養(yǎng)階段

工業(yè)設(shè)計(jì)非常重視設(shè)計(jì)實(shí)踐，臺(tái)灣浩漢設(shè)計(jì)公司總經(jīng)理陳文龍先生說(shuō)：“設(shè)計(jì)是一個(gè)實(shí)做的行業(yè)，只有從動(dòng)手的那一刻起，才真正開始學(xué)習(xí)”。[5]而讓學(xué)生進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)踐的最佳方式是參加設(shè)計(jì)比賽，縱觀國(guó)內(nèi)外的設(shè)計(jì)比賽，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)創(chuàng)意是評(píng)委進(jìn)行設(shè)計(jì)評(píng)判的首要因素[6]，大多獲獎(jiǎng)的作品都具有比較新穎的想法和創(chuàng)意思想，這是激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新能力的最有效手段。因此，在教學(xué)中引入設(shè)計(jì)比賽，比如像東莞杯國(guó)際工業(yè)設(shè)計(jì)大賽、海峽工業(yè)設(shè)計(jì)大獎(jiǎng)賽、太湖杯工業(yè)設(shè)計(jì)大賽等等，在課堂上通過對(duì)設(shè)計(jì)比賽章程的解讀，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)比賽要求進(jìn)行方案創(chuàng)新設(shè)計(jì)，并進(jìn)行三維建模訓(xùn)練，激勵(lì)學(xué)生用作品表現(xiàn)最佳創(chuàng)意和設(shè)計(jì)方案，將最終的完善的設(shè)計(jì)方案參加到比賽環(huán)節(jié)，不僅能推動(dòng)學(xué)生對(duì)軟件的學(xué)習(xí)和探索，同時(shí)，對(duì)于學(xué)生的創(chuàng)新能力也起到較大的促進(jìn)作用。

3 教學(xué)實(shí)踐

基于CDIO的實(shí)踐教學(xué)改革模式，在三維基礎(chǔ)設(shè)計(jì)2（Pro/E軟件）課程中對(duì)2012級(jí)、2013級(jí)共8個(gè)班的學(xué)生進(jìn)行教學(xué)實(shí)踐。在基礎(chǔ)能力培養(yǎng)階段，通過對(duì)能力目標(biāo)考核發(fā)現(xiàn)學(xué)生在讀圖能力、草繪能力、特征建模能力以及三視圖生成能力等方面的差距不大，因?yàn)檫@些能力是Pro/E軟件課程教學(xué)學(xué)生應(yīng)該具備的基本能力。在綜合能力指標(biāo)考核中， CDIO模式打破傳統(tǒng)的學(xué)生跟著老師一步步建模的套路，將教學(xué)重點(diǎn)放在學(xué)生對(duì)建模方法、建模思路、建模命令優(yōu)化以及基于工作效率的建模順序等方面的強(qiáng)化與培養(yǎng)，讓學(xué)生從基于案例被動(dòng)建模變?yōu)橹鲃?dòng)思考、基于個(gè)人對(duì)軟件的掌握、產(chǎn)品特征的理解融入靈活的建模方法，增加學(xué)生在三維建模過程中的駕馭能力和成就感。這種“授之以漁”的教學(xué)模式得到學(xué)生的極力推崇，教學(xué)效果有了質(zhì)的飛躍。在應(yīng)用能力指標(biāo)考核中，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的教學(xué)模式在實(shí)際應(yīng)用方面較弱，課程僅僅局限于軟件的掌握，對(duì)于三維模型后期如何加工、采用何種材料、結(jié)構(gòu)是否合理、最終實(shí)際產(chǎn)品效果等方面鮮少涉及，致使學(xué)生僅僅處于理論階段的學(xué)習(xí)，而且因?yàn)槿鄙賹?duì)具體制造等環(huán)節(jié)的思考，在整個(gè)建模中缺乏全局觀念，可能致使最終的三維模型無(wú)法轉(zhuǎn)化為實(shí)際產(chǎn)品。而課程在引入CDIO模式后，有意識(shí)的培養(yǎng)學(xué)生在后期制造、具體應(yīng)用方面的思考，提高學(xué)生解決實(shí)際問題的能力。在創(chuàng)新能力指標(biāo)考核中，引入CDIO模式后將課程和設(shè)計(jì)比賽結(jié)合起來(lái)，以比賽促教學(xué)，提高學(xué)生的實(shí)戰(zhàn)能力，因?yàn)闀r(shí)間節(jié)點(diǎn)關(guān)系，2012級(jí)學(xué)生在本課程中選擇參加第四屆國(guó)際“永安”竹具設(shè)計(jì)大賽，在課堂上通過對(duì)參賽作品要求、評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)等內(nèi)容的詳細(xì)解讀，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行方案的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，并將設(shè)計(jì)方案用Pro/E軟件進(jìn)行三維建模以及材質(zhì)效果的渲染。學(xué)生積極性較高，4個(gè)班級(jí)132名學(xué)生參與了最終的設(shè)計(jì)比賽，并取得了良好的成績(jī)，學(xué)生的創(chuàng)新能力、對(duì)軟件的綜合應(yīng)用能力得到了極大的提升。對(duì)于課程期間沒有合適設(shè)計(jì)比賽的2013級(jí)工設(shè)專業(yè)學(xué)生，通過引導(dǎo)學(xué)生將優(yōu)秀的設(shè)計(jì)建模方案申報(bào)專利，激發(fā)學(xué)生不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，確保造型的新穎、美觀。

4 結(jié)語(yǔ)

三維建模作為實(shí)體建模的有效工具，在工業(yè)設(shè)計(jì)專業(yè)教學(xué)中越來(lái)越得到重視。筆者運(yùn)用多年的教學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，將CDIO模式引入三維軟件課堂，不僅有效克服了傳統(tǒng)教學(xué)中存在的不足，而且結(jié)合CDIO和工作過程等理念，針對(duì)學(xué)生應(yīng)該具備的基礎(chǔ)能力、綜合能力、應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力四個(gè)方面入手，將理論、實(shí)踐、應(yīng)用等幾個(gè)方面有效的結(jié)合起來(lái)，以實(shí)踐來(lái)促教學(xué)，實(shí)施四個(gè)階段的模式，讓學(xué)生在夯實(shí)建模命令的同時(shí)，能夠真正將三維軟件作為一個(gè)有效的技能和工具應(yīng)用設(shè)計(jì)創(chuàng)新實(shí)踐，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和成就，變被動(dòng)學(xué)習(xí)為主動(dòng)學(xué)習(xí)，真正實(shí)現(xiàn)CDIO（即構(gòu)思—設(shè)計(jì)—實(shí)現(xiàn)—運(yùn)行）這一模式對(duì)課堂教學(xué)的有效指導(dǎo)。

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The Implementation of “Four Section” Teaching Mode based on CDIO

——Take the 3-D Software Course of ID as an Example

SHEN Ming-qian1 ， WANG Jiang-tao2

（1.School of Art and Design， Jiangsu University of Technology， Changzhou 213001， China；

2. School of Materials and Engineering， Jiangsu University of Technology， Changzhou 213001， China）

Abstract： CDIO based on the "project teaching" mode， decomposes students modeling ability and sets up teaching content， teaching objectives and teaching methods from four aspects of “basic ability， comprehensive ability， application ability and innovation ability”. The systematicness and independence of ability level is focused. The traditional teaching mode is broken. The "four stage" integrated teaching method including “task-driven， project-oriented， work process as carrier” was implemented， so as to make the students feel the effective combination of modeling theory and design practice in concrete project teaching.

Key words： task-driven； working process； teaching mode； Pro/E Software；CDIO

責(zé)任編輯 祁秀春