面向應用型人才培養(yǎng)的三維CAD課程教學改革

單瑞霞

摘? 要：為順應社會高素質(zhì)應用型人才的需求，針對三維CAD課程教學過程中教學內(nèi)容脫離工程實踐、教學方法脫離學生情況、考核方式脫離培養(yǎng)目標等問題，從基本學情出發(fā)，結合機械專業(yè)特點和三維CAD課程特色進行教學改革。在教學過程中采用任務驅(qū)動教學法并結合翻轉(zhuǎn)課堂，以蝸輪蝸桿減速器的零部件繪制作為任務對象，設置不同任務難度，設置學生助教，提高學生的參與度和能力培養(yǎng);采用過程考核、項目考核和上機考核相結合的考核體系，提高了學生的綜合素質(zhì)和職業(yè)素養(yǎng)。

關鍵詞：三維CAD? 教學改革? 應用型人才? 任務驅(qū)動? 過程考核

中圖分類號：G642? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）12（b）-0212-06

Abstract： In order to meet the needs of high-quality application-oriented talents in society， in view of the problems in the teaching process of 3D CAD course， such as the separation of teaching contents from engineering practice， teaching methods from students' situation， and assessment mode from training objectives， teaching reform was carried out based on the basic learning situation and combined with the characteristics of mechanical specialty and 3D CAD course. In the teaching process， the task driven teaching method combined with flipped classroom is adopted， and the parts drawing of worm gear reducer is taken as the task object， different task difficulty is set， and student teaching assistants are set to improve students' participation and ability training; the assessment system combining process assessment， project examination and computer examination is adopted to improve students' comprehensive quality and professional quality.

Key Words： 3D CAD; Teaching reform; Applied talents; Task driven; Process assessment

隨著我國經(jīng)濟轉(zhuǎn)型，科技的快速發(fā)展促進社會對高素質(zhì)應用型人才的需求不斷提高，應用型本科人才是應用型人才的重要組成部分，應用型本科人才的培養(yǎng)應當以能力培養(yǎng)為導向[1]?！度SCAD》是本科機械類專業(yè)一門專業(yè)基礎課，主要學習計算機輔助設計的概念、計算機輔助設計的技術和方法、工程圖樣的表達理論及方法[2]，促進機械類專業(yè)應用型人才的培養(yǎng)。在工程實踐中，采用三維CAD軟件能夠快速地進行設計和創(chuàng)新、優(yōu)化設計、設計協(xié)同、展示交流、3D打印等，促進了機械類專業(yè)應用型人才的發(fā)展[3]。因此，本課程的學習對于完成后續(xù)課程的課程設計、參加機械類競賽、完成畢業(yè)設計等具有輔助作用;對學生畢業(yè)后能否快速適應工作崗位，在工作崗位上是否具有職業(yè)發(fā)展空間也具有重要作用。

1? 課程教學現(xiàn)狀

三維CAD課程的教學不僅僅是三維CAD軟件的教學，還強調(diào)與機械設計制造理論知識相結合來輔助設計。通過“問卷星”對煙臺大學文經(jīng)學院機電工程系2017、2018級在校生和2020屆畢業(yè)生發(fā)出調(diào)查問卷“通過《三維CAD》課程的學習，您是否能夠熟練使用三維CAD設計工具完成課程設計、畢業(yè)設計”，圖1是調(diào)查問卷結果環(huán)狀圖，僅45.24%能夠熟練使用，大部分學生還不能使用三維CAD軟件來表達自己的設計方案和意圖，說明三維CAD課程的教學還不能達到培養(yǎng)應用型人才、培養(yǎng)面向機械行業(yè)的具有可持續(xù)發(fā)展的工程師的培養(yǎng)目標。

三維CAD是操作性、技巧性、應用性很強的課程，近年來很多院校的學者對CAD課程的教學進行了一系列的改革，取得了很好的成果。賁宗友等對SolidWorks課程使用信息化、項目化教學和多元化考核，培養(yǎng)學生工程實踐能力和創(chuàng)新能力[4];楊萬理等針對土木工程計算機繪圖（CAD）采用任務驅(qū)動+翻轉(zhuǎn)課堂方式開展教學，提高了教學質(zhì)量并縮短了課時[5];劉敬等構建了計算機輔助工業(yè)設計（CAID）課程多元化考核體系，培養(yǎng)了學生綜合素質(zhì)[6];等。但針對機械類專業(yè)三維CAD課程的教學仍存在一些普遍的問題，主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

1.1 教學內(nèi)容脫離工程實踐

三維CAD課程的教學內(nèi)容與先修課程《機械制圖》、《機械原理與設計》等課程的教學內(nèi)容缺少關聯(lián)，注重對繪圖命令的講解和練習，選擇的練習模型主要用于輔助繪圖命令的演示和訓練，與工程實例關聯(lián)不夠。在三維模型繪制的過程中缺乏對模型的形體分析，忽略了模型結構設計是否合理性、是否方便加工、是否符合裝配要求，導致繪制的草圖設計不合理、建模思路混亂、模型修改和裝配不方便。例如，一個比較典型的問題是學生在繪圖時不注意坐標原點的位置，圖2是箱蓋的兩種建模方法，圖2（a）坐標原點處于箱蓋底面的中間，圖2（b）坐標原點處于箱蓋底面的一個頂點上，顯然，圖2（a）關于基準面對稱，建模更方便，更符合零件的結構特征和裝配要求。

1.2 教學方法脫離學生情況

目前，三維CAD課程的教學方法主要有兩種：一種是“PPT講解+上機演示”，以教師為主體，教師詳細講解三維CAD軟件命令的操作方法、繪圖思路、注意事項，也可以結合實例講解設計思路、簡易便捷畫法，學生通過練習來鞏固知識點，但這種方法占用課時長，學生被動學習，知識點容易遺忘;另一種是“翻轉(zhuǎn)課堂”，以學生為主體，課下學生根據(jù)自己學習情況，通過觀看老師發(fā)布的視頻、資料或自行查閱資料隨時隨地自主學習，課上與老師、同學進行交流討論遇到的疑點、問題，但這種方法學生不容易確定自身學習目標，課下學習時觀看的微視頻一般短小精簡，學生對繪圖命令的學習較容易，但繪圖思路、與機械設計制造理論知識結合來輔助設計的方法不宜學習。

此外，選修這門課程的學生有些參與過機械類的競賽，對三維繪圖軟件有一定的基礎，有些學生機械制圖、機械原理與設計等基礎知識較薄弱，針對不同學情采用相同的教學方法，會造成本課程對有基礎的同學缺乏挑戰(zhàn)性，失去吸引力，對基礎薄弱的同學挑戰(zhàn)太大，失去學習興趣。

1.3 考核方式脫離培養(yǎng)目標

三維CAD現(xiàn)有的考核方式主要是以平時成績和上機考試形結合的方式，平時成績主要包含考勤情況、學習情況、作業(yè)情況、課堂表現(xiàn)等，上機考試是在規(guī)定的考試時間內(nèi)完成指定的零件圖的繪制、組裝裝配體、制作工程圖，由教師根據(jù)完成情況和質(zhì)量打分。這種上機考核方式以軟件操作作為主要考核內(nèi)容，缺乏對知識的理解與應用，容易讓學生產(chǎn)生三維CAD課程就是學習三維軟件操作的誤區(qū)，在繪圖時不與機械設計制造理論知識相結合、不考慮零部件的結構特點及功能要求，造成只會使用三維軟件抄畫圖，不會有效地表達自己的設計意圖，難以實現(xiàn)培養(yǎng)應用型人才的目標。

2? 基于任務驅(qū)動的教學改革

根據(jù)目前三維CAD課程的教學存在的問題并結合學生情況，為提高教學水平和課程質(zhì)量，提升學生的工程實踐能力和職業(yè)勝任力，將“任務驅(qū)動教學法”應用到三維CAD課程教學中并進行了教學設計。

2.1 任務驅(qū)動教學法

任務驅(qū)動教學法，是以任務驅(qū)動學生主動學習新知識新技能的一種教學方法。整個教學的環(huán)節(jié)中，教師根據(jù)教學目標分解成若干個具體、實用的任務，引導學生提高學習新知識新技能來完成任務，通過理論知識與工程實踐相結合完成任務，提高學生分析問題、解決問題的能力，培養(yǎng)學生溝通能力和團隊協(xié)作能力[7-8]。

任務驅(qū)動教學法任務的分解由教師完成，任務要具體、可操作、可考核并具有不同的難易程度以滿足不同學情的需求，任務由學生獨立完成或團隊合作完成，任務完成后學生互相交流經(jīng)驗、教師解答疑難問題、師生共同評價。整個教學環(huán)節(jié)流程圖如圖3。

2.2 基于任務驅(qū)動的教學環(huán)節(jié)設計

三維CAD課程是通過三維CAD軟件的操作與《機械制圖》、《機械原理與設計》等課程的知識綜合運用來完成設計，以保證學生能繪制出結構合理、可加工、可裝配的零部件。針對不同的學情本課程的培養(yǎng)目標等級也有一定差異，培養(yǎng)目標等級如表1所示，基礎薄弱的同學完成初級目標即可，即掌握三維CAD軟件繪圖方法;普通同學需要達到中級目標，即在使用在三維CAD軟件繪圖的同時要綜合其他理論知識以保證零部件圖符合結構特征、設計加工裝配要求，并便于后續(xù)修改和優(yōu)化設計;有基礎的同學可以達到高級目標，即能夠使用三維CAD軟件輔助設計，表達自己的設計思路和意圖。采用“任務驅(qū)動教學法”教學的過程中要根據(jù)不同的學情設置不同難度的任務以滿足不同的學生需求，達到培養(yǎng)目標。

蝸輪蝸桿減速器是機械專業(yè)學生常見的機械產(chǎn)品之一，其結構如圖4所示，主要包含箱體、箱蓋、傳動軸、錐齒輪、軸承、端蓋、蝸輪、蝸桿、螺栓等零件，既有一般零件也有標準零件，既有結構簡單零件也有結構復雜零件，在使用三維CAD軟件繪制蝸輪蝸桿減速器零部件圖時涵蓋了草圖設計、特征建模、制作工程圖、組裝裝配體、生成爆炸圖、運動仿真、模型渲染等知識點，也是機械制圖、機械原理與設計、機械精度設計、機械制造工藝等知識的綜合運用。因此，在三維CAD課程教學過程中設置的任務可以以蝸輪蝸桿減速器作為主要對象。

教師根據(jù)培養(yǎng)目標把任務進行細化，保證每個任務包含所要學習掌握的知識點，且每節(jié)課所要完成任務能把知識點串聯(lián)起來，為提高學生參與度，可把學生設為助教，輔助教師完成一些教學環(huán)節(jié)，圖5為學生助教輔助教師發(fā)布作業(yè)要求。在教學過程中教師提前一節(jié)課發(fā)布任務，如發(fā)布繪制蝸輪蝸桿減速器傳動軸（如圖6b所示）的任務，并設置不同的難度的任務目標：初級目標是根據(jù)給定的零件圖能夠繪制出傳動軸，中級目標是繪制的傳動軸準確并符合結構特征和使用要求，高級目標是根據(jù)使用要求能完成傳動軸的設計并繪制出來;然后引導學生分析傳動軸的作用和使用要求，考慮傳動軸的制作和裝配過程，并進行形體分析，確定建模思路，建模過程用到三維CAD命令操作是本節(jié)要教學的知識點;教師把為完成本任務需要學習的新知識點的教學視頻和結合實例講解視頻上傳至“云班課”，如圖7所示，課下學生根據(jù)個人學習情況觀看教師提供的資料或自行查找資料進行學習，完成新知識點的學習后制定最優(yōu)建模思路;課上學生根據(jù)學習的內(nèi)容并結合理論知識進行小組討論，教師針對疑難問題進行解答，小組討論出建模效率更高、更符合結構特征的建模方案并完成傳動軸的繪制，可以根據(jù)教師提供的圖紙或模型數(shù)據(jù)進行繪制，也可以根據(jù)使用或功能要求完成傳動軸的設計和繪制;在任務完成后，小組各自匯報本組最佳方案，由教師和其他組對其進行評價（如圖8所示），組員間根據(jù)完成任務過程中的表現(xiàn)進行自評和互評;最后，學生通過練習進一步理解和鞏固所學知識點。為與工程實踐相結合，教師提供的練習也是齒輪泵、球閥、虎鉗、千斤頂、圓柱齒輪減速器等學生常見的機械產(chǎn)品上的零部件;為提高學生的興趣，也可提供一些趣味性的練習。部分任務需完成的零件圖如圖6所示，任務的內(nèi)容及所包含的知識點、關聯(lián)知識點、翻轉(zhuǎn)課堂主要內(nèi)容如表2所示，每完成一個任務學習2～3個新的知識點，貴精不貴多，所有任務完成后能掌握常用的知識點和計算機輔助設計方法。

在完成任務的過程中需要學生協(xié)作完成任務，培養(yǎng)學生的團隊精神和溝通能力;在完成任務的過程中需要把理論知識與工程實踐相結合，培養(yǎng)學生分析問題、解決問題的能力，并理解理論與實踐的辯證關系;在完成任務的過程中要保證產(chǎn)品結構尺寸規(guī)范、可加工、可裝配，培養(yǎng)學生在表達設計理念時嚴謹規(guī)范、追求卓越的工匠精神;在完成任務后的交流點評，培養(yǎng)學生勇于表達自己的觀點、虛心接受別人的評價和認真負責的工作態(tài)度。

3? 課程考核體系

為達到應用型人才培養(yǎng)的目標，對三維CAD課程考核體系進行改革，加強學習過程考核和綜合能力考核，整個教學環(huán)節(jié)也是考核環(huán)節(jié)，考核包括過程考核和綜合考核，考核方法如表3所示，具體如下：

（1）過程考核中，課堂表現(xiàn)主要考核學生出勤情況、學習態(tài)度等，由教師進行評價;任務完成度主要考核學生表達能力和團隊協(xié)作能力，由組間學生互評;任務參與度主要考核學生專業(yè)素養(yǎng)和自我認識，由學生自評;作業(yè)主要是課堂練習和階段測試，作業(yè)完成情況主要考核學生軟件操作技能和理論知識運用能力，由教師評價和組內(nèi)學生互評共同評價。

（2）綜合考核中，項目考核是每小組從已修完的《機械制圖》的測繪、《機械設計》的課程設計或《機械原理》的課程設計中任選一個項目，使用三維CAD軟件完成項目的繪制，由小組成員共同完成，主要考核學生的綜合素質(zhì)，由教師根據(jù)項目完成質(zhì)量進行評價、組內(nèi)學生根據(jù)參與度和貢獻進行互評;為防止個別學生在小組活動中偷懶不學習，繼續(xù)保留上機考試，上機考試主要考核軟件操作水平，由教師根據(jù)繪圖效率和質(zhì)量進行評價。

4? 結語

為培養(yǎng)應用型人才，針對三維CAD課程目前存在的問題，從基本學情出發(fā)，結合機械專業(yè)特點和三維CAD課程特色進行教學改革，采用“任務驅(qū)動+翻轉(zhuǎn)課堂”的教學模式和“過程考核+項目考核+上機考核”的考核體系，培養(yǎng)學生工程設計能力和職業(yè)素養(yǎng)。在整個教學的過程中培養(yǎng)社會需要的有較強社會責任感和職業(yè)勝任力的高素質(zhì)應用型人才。

參考文獻

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