以仿生設計為契機的機械CAD教學改革

李靜 袁寶民 牛文杰

摘? 要：面向新工科對創(chuàng)新人才的要求，該文結合中國石油大學（華東）機械CAD課程，以培養(yǎng)學生“學”和“造”的興趣為目標，融合現有的“線上+線下”混合教學實踐，從教學內容和評價體系兩個層面探索開放性設計在機械CAD課程教學實踐和考核中的運用。通過建立開放性設計案例庫，進行系列的開放式和研究性實踐，引導學生進行科研創(chuàng)新；增加線下開放式考試題型，完善線上和過程性考核，逐步建立開放性考核體系。實踐證明，該教學改革不僅提高了學生的創(chuàng)造性和設計實踐能力，落實了新工科背景下工程技術人才培養(yǎng)的理念；而且為學生提供了一個連續(xù)、深入學習的過程，取得了良好的學習成效，為創(chuàng)新實踐人才培養(yǎng)提供了一個新思路和新方法。

關鍵詞：開放性設計；機械CAD；仿生設計；教學改革；評價體系

Abstract： In order to meet the requirements of innovative talents for the new engineering， and cultivate the interests of studying and creating， it takes the course of "Mechanical CAD" in China University of Petroleum （East China） as an example in this work. We study the application of open design in the teaching practice and examination of mechanical CAD course based on the teaching mode of "online and offline" mixed. By establishing the case base of open design， a series of open and research design practices are carried out to guide students for scientific research and innovation. Besides， an open examination system is gradually established by increasing offline open questions and improving online and process assessment. The results indicate that the reform improves students' creativity and method for the cultivation of innovative practical talents.

Keywords： open design; mechanical CAD; bionic design; teaching reform; evaluation system

2017年教育部啟動了新工科的發(fā)展研究工作，提出我國工程教育改革旨在培養(yǎng)未來多元化、創(chuàng)新型的卓越工程人才[1]。在新工科背景下，最有價值的現代工程技術人才必須是以實踐能力為核心，兼具核心技術研發(fā)、全球化思維、現代管理組織等素養(yǎng)的綜合性創(chuàng)新人才[2-3]。因此，為實現新工科的思想落地，著力解決當前高等工程教育中工程性、實踐性與創(chuàng)新性的缺位，工程教育既要培養(yǎng)學生“學”的興趣，也要注重學生“造”的興趣，基于開放性設計理念將創(chuàng)新思維、發(fā)展眼光、實踐能力貫穿到工程教育的全過程。

基于CAD的計算機實踐課程是機械類或近機類專業(yè)設計與制造系列課程的重要實踐組成部分，主要是以AutoCAD和SolidWorks等軟件為載體的實踐教學，旨在培養(yǎng)學生利用軟件進行繪圖、建模及工程設計的能力，使學生理解計算機輔助設計制造系統(tǒng)理念，建立解決問題的能力。對于新形勢下實踐性和創(chuàng)造性要求極強的工科人才的培養(yǎng)，目前該課程滿足于軟件的使用學習已遠遠不夠，更重要的是一種基于軟件設計能力的學習和培養(yǎng)。近年來，在“互聯網＋”環(huán)境下，翻轉課堂[4]、慕課（MOOC）[5]、微課[6]、線上線下混合教學[7]、云課堂[8]和微信公眾平臺[9]等新的教學模式不斷涌現。雖然現有的多元化教學模式有助于提高課堂教學的有效性，激發(fā)學生的學習興趣，啟發(fā)學生進行主動探索式的研究性學習，但是培養(yǎng)學生的設計能力和創(chuàng)造性，僅僅通過靈活、多元化的教學方法和模式是無法完全實現的。換湯必須換藥，改善現有CAD課堂教學以熟悉軟件操作為目標的教學現狀，不僅需要結合現有的教學模式，更需要融合相應的教學內容設計。作為一門軟件學習和實踐課程，開放性設計內容可以為學生提供充分的發(fā)展空間，在提高學生的參與度和創(chuàng)造性方面起著重要作用。此外，嚴格而有效的考核體系對檢驗和實現預期的學習成果具有重要作用[10]。新工科建設行動路線中強調要以學生為中心改革教學方法和考核方式，形成以學習者為中心的工科教育模式[11]。因此，課程的考核內容需要從強調學生對知識的主動探索、主動發(fā)現和對所學知識意義的主動建構[12-13]，重視實踐能力、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。面向新工科對卓越工程人才的要求，如何將開放性設計融入到CAD課程的教學和考核體系中值得研究。

一? 基于開放性設計的教學實踐

（一）? 融合“線上+線下”的教學模式，建立開放性設計案例庫

為適應學科快速發(fā)展和變化，在保證基礎教學內容系統(tǒng)完整實施的前提下，如何選定合適的教學內容切合多學科融合研究和創(chuàng)新實踐人才培養(yǎng)是教學中一大挑戰(zhàn)[14]。CAD實踐課程需要學生進行大量的上機實踐，但是實踐題目、答案大多固定，通過練習可以鍛煉學生熟練軟件的操作使用，這樣的練習在軟件使用學習過程中必不可少，卻無法體現學生的創(chuàng)造性和設計能力。實踐選題逐步從單一、固定題目走向半開放、全開放題目，對于學生而言這具有一定挑戰(zhàn)性，卻會大大激發(fā)學生的學習熱情和創(chuàng)造性。以多段線、陣列和復制命令的學習為例，通過為學生布置一道繪制自行車的固定題目練習（如圖1所示），在熟悉軟件操作的基礎上進一步鍛煉學生的實踐能力。由于幾乎每個學生都擁有自行車，若能對于自行車的尺寸、顏色和局部結構，學生可以根據自己的興趣愛好進行半開放自由設計，將大大激發(fā)學生的熱情和興趣，同時培養(yǎng)學生的設計能力；而對于能力較強的學生，則可以選擇開放性設計題目：設計一款全新的休閑健身自行車，培養(yǎng)學生的創(chuàng)造性和設計能力。因此，建設與課堂內容配套的難度分層次的開放性設計案例庫，將有效提升學生的學習效率和興趣。

課堂教學的學時有限，僅僅依靠課堂教學，無法充分鍛煉學生的設計能力和創(chuàng)造性。如圖2所示，融合“線上+線下”的教學模式，基于“石大云課堂”“智慧樹”平臺，充分利用線上的優(yōu)秀資源，將課堂教學和課外學習互為補充，為學生提供自主學習的平臺和空間。在線上平臺提供豐富的自主學習資源，如：優(yōu)秀作品，比賽信息和往屆賽題、操作技巧等，使學生通過線上自學，對軟件的強大功能有一個直觀的認識，增加學生努力學習的熱情和信心，激發(fā)學生利用工具軟件進行自主創(chuàng)新的工程意識。比如山東省大學生機電產品創(chuàng)新大賽、全國3D動力大賽，全國大學生先進成圖技術與產品信息建模創(chuàng)新大賽的介紹；直升機、海洋平臺、發(fā)動機、機器人和太空勘探車等往屆學生的優(yōu)秀作品展示，不僅開闊學生眼界，幫助學生了解CAD等數字化技術與相關領域（CAM/CAE/PDM/ERP）的滲透和發(fā)展，而且激發(fā)了學生利用工具軟件進行自主創(chuàng)新的工程意識。

基于線上自主學習成功激發(fā)學生的求知欲和表達欲望，進而設計難度適宜的線下開放性和創(chuàng)造性實踐，通過實踐課程、畢業(yè)設計、大學生競賽、創(chuàng)新項目等引導學生深入學習。線下開放性設計實踐在選題上注重與學生興趣相結合，鼓勵學生從專業(yè)、生活中自主選擇對象進行原型設計或創(chuàng)新性改進設計。圖3為部分學生的課下設計實踐作業(yè)和畢業(yè)設計作品：從實際生活出發(fā)，設計的書桌配套健身椅（圖3（a）），可清掃角落的掃地機器人（圖3（b））；從實際生產出發(fā)，某學生對拋丸機的拋丸器進行重新設計和三維建模（圖3（c））；創(chuàng)新設計的太陽能小車模型（圖3（d））。這些設計實踐促使學生由被動表達向主動設計轉變，提高了學生的創(chuàng)新思維與設計能力。

（二）? 引入仿生設計實踐項目，引導學生深入學習

仿生設計以生物體為研究對象，通過對生物功能、結構或運動機理的研究建立其生物原理模型；在此基礎上，進行相應的工程理論研究和技術創(chuàng)造，并以特定的機械結構來模擬其運動[15]。仿生設計作為本校工業(yè)設計系一個重要研究方向，在造型設計、結構設計和界面仿生設計制備方面進行了大量的研究。以仿生設計為契機，將學科前沿引入到教學實踐過程中，以拉近學生與現代科學發(fā)展的距離，并能學以致用[16]。由于本課程開設面對從大一至大三學生，所以設計題目多以造型和功能設計為主。例如，山羊腳蹄是一種天然登山靴，其特殊的蹄掌部結構及羊蹄內部的肉墊部分的表面微型納米結構，和有力的腿部肌肉為攀巖爬壁過程提供了強大的摩擦力。在本課程學習過程中，某組學生結合了伸縮結構，仿生羊腿結構、羊蹄減震裝置完成了仿生機器人雛形的三維建模。課程結束后，在此基礎上，又申報了本科生創(chuàng)新訓練項目“基于羊蹄結構的仿生機械爪設計”，進一步進行深入研究。這種開放性的實踐內容可以為學生提供充分的發(fā)展空間，在提高學生的參與度和創(chuàng)造性方面起著重要作用。

以仿生設計為契機，在開放性實踐內容的基礎上，進一步引導學生通過大學生創(chuàng)新項目、學科比賽和畢業(yè)設計進行科研創(chuàng)新、深度學習。圖4、圖5為部分同學的仿生設計作品：基于水蛭褶皺結構優(yōu)異的抗壓和抗沖擊性能，創(chuàng)新項目組學生設計了仿生水蛭多維緩沖減震機構（圖4）；圍繞海洋生物仿生主題，基于現有的剛性機械手在濕環(huán)境中抓取脆性、柔軟、易碎及摩擦力較小的物體時容易對物體表面造成破壞的問題，高年級學生設計了仿生花朵深海生物捕獲機械手（圖5（a）），通過多桿機構實現機械爪的開合運動，閉合狀態(tài)下形成封閉空間，以避免對深海軟體生物的破壞；另一學生設計了一款仿生章魚軟體機械爪，如圖5（b）所示，利用液壓傳動和機械連桿的結構實現手指的抓取運動，爪部界面采用帶微結構的柔性材料，爪部以外結構采用剛性材料。這些設計實踐促使學生由被動表達向主動設計轉變，提高了學生的創(chuàng)新思維與設計能力。

二? 構建開放性的考核體系，增加線下開放式考試題型，加強線上和過程性考核

面向新工科對卓越工程人才的要求，在學習過程中，對該課程實行“全過程、全方位”的多元化考核體系，在“線上”和“線下”兩個維度上設置若干考核指標，同時關注學生的知識與技能、創(chuàng)新意識、工程實踐能力、分析與解決問題的能力等方面。其中，過程性考核通過線下點評、線上問題自測等開放式、互動式的考核評價形式引導激勵學生主動學習。例如：對于開放性設計的作業(yè)，給學生足夠的空間反復修改，多次點評，直到解決問題，進而激發(fā)學生的學習動機和需求，提高教學質量和教學效果。對于期末學習結果的考核，改變原來固定題目，增加線下開放式考試題型。如圖6所示，給出零件的部分結構和要求，要求學生設計出該零件缺少的結構，并完成相應的三維模型圖和工程圖。對于同一個題目，不同學生會有不同的設計方法，沒有固定答案，既考察了學生對圖學理論和軟件的使用情況，又考察了學生的設計能力；同時，沒有唯一答案，只有若干設計里面哪個比較好，這也對教師提出了更高的要求。

三? 教學實踐效果

改革后的教學過程強化了學生的實踐性和創(chuàng)造性，把開放性設計和考核與課程體系的知識點有機整合，構建了基于開放性設計的教學模式。該教學模式包含了課內、課外和考核三條主線（如圖7所示）：一是教學內容和方法的開放性設計，二是課外開放性學習和實踐；三是考核內容和方式的開放性設計。通過以提高學生“造”的興趣為契機，建立開放性設計案例庫（如圖2所示），將“開放性設計”融入CAD“線上+線下”的混合教學過程中；以工程實踐和設計能力為導向，把創(chuàng)造性實踐和工程案例教學貫穿到課堂教學；并從“開放性設計”的角度進行配套的考核方式和題型改革。

基于仿生設計的開放式教學實踐，極大地改變了傳統(tǒng)的基于軟件使用的實踐教學模式。通過教師關鍵指導，引導學生主動查閱資料，擴展相關理論知識，學生自我思考、設計、訓練。這個過程潛移默化地強化了學生的自主意識，提高了學生的創(chuàng)新思維能力和專業(yè)實踐能力，鍛煉了學生的綜合素質。不同知識和能力基礎的學生能夠充分發(fā)揮自己的個人特長，滿足了人才培養(yǎng)的個性化需求。同時教師的業(yè)務水平也在教學活動中得到了提升，經過三年的教學實踐，逐步形成以教促學，以學促研，教研相長的良好循環(huán)教學氛圍。實踐表明，這種開放式教學模式已在低年級和高年級學生中收到了良好效果。對于低年級學生來說，通過仿生設計實踐，極大地鍛煉了軟件使用能力，連續(xù)在“高教杯”全國大學生先進成圖技術與產品信息建模創(chuàng)新大賽中斬獲佳績；對于高年級同學，通過該課程的學習，為學生進行科技活動的第二課堂奠定了基礎，可以以此為基礎進一步申報大學生創(chuàng)新項目，甚至進行畢業(yè)設計。其中，以仿生水蛭多維緩沖減震機構為例，已授權國家發(fā)明專利。

四? 結束語

面向新工科對卓越工程人才的要求，本文以仿生設計為契機，探索了將開放性設計和考核方式融入到CAD課程教學實踐中。首先，基于開放性設計案例庫，形成面向開放性設計的實踐教學；其次，依托“線上”資源，探索課外“線下”研究性實踐，引導學生進行科研創(chuàng)新；最后，增加線下開放式考試題型，加強線上和過程性考核，構建開放性的考核體系。基于仿生設計的開放式教學開展三年以來，不僅鍛煉了學生動手操作技能，更加關注工程實踐、強調學生綜合創(chuàng)新能力，培養(yǎng)了學生自主學習、分析問題和解決問題等綜合能力。通過從教學內容和評價體系兩個層面的研究，優(yōu)化了設計實踐的教學體系，從低年級到高年級，為學生提供了一個連續(xù)、深入學習的過程，取得了良好的學習成效，為工業(yè)設計的人才培養(yǎng)提供了一個新思路和新方法。

參考文獻：

[1] 鐘登華.新工科建設的內涵與行動[J].高等工程教育研究，2017（3）：1-6.

[2] 徐雷，胡波，馮輝，等.關于綜合性高校開展新型工程教育的思考[J].高等工程教育研究，2017（2）：6-12.

[3] 周開發(fā)，曾玉珍.新工科的核心能力與教學模式探索[J].重慶高教研究，2017，5（3）：22-35.

[4] 韓靜，趙啦啦.“智能制造”背景下CAD課程翻轉課堂教學探討[J].教育現代化，2018，5（41）：316-318.

[5] 沈嶸楓，林曙，張小珍，等.計算機輔助設計的慕課教學改革研究[J].安徽農業(yè)科學，2016，44（4）：335-338.

[6] 張麗慧，文東輝，王輝，等.基于微課的機械CAD/CAM翻轉課程教學改革[J].教育教學論壇，2020（16）：186-187.

[7] 孫肖霞.基于SPOC平臺的混合教學模式研究與實踐——以“模具CAD/CAE/CAM”課程為例[J].科技視界，2017（3）：49-50.

[8] 李建豐.基于“互聯網+”模式下《機械制圖與CAD》課程教學模式創(chuàng)新研究[J].裝備制造技術，2020（1）：206-209.

[9] 石彩華.微信公眾平臺在高職機械CAD課程教學中的應用研究[J].課程教育研究，2015（36）：176-177.

[10] 李靜，牛文杰.OBE視閾下高校CAD課程多元考核體系的探究[J].圖學學報，2016，37（4）：561-566.

[11] 曹洪龍，胡劍凌，邵雷，等.“新工科”背景下“DSP技術”課程教學改革與實踐[J].實驗技術與管理，2020，37（7）：173-175，216.

[12] 喬淑霞.淺談發(fā)展性學生評價[J].教育探索，2010（12）：33-34.

[13] 王曉茜.建構主義教學論探析[J].教育探索，2006（11）：30-31.

[14] 楊蒙召，袁紅春，周應祺，等.以人工智能魚為抓手探索海洋信息類創(chuàng)新實踐人才的培養(yǎng)[J].實驗室研究與探索，2020，39（1）：221-224.

[15] 解明利，黃世軍，汪飛雪，等.基于仿生項目的機械設計學實驗教學改革的探索與實踐[J].實驗室研究與探索，2015，34（9）：219-223，280.

[16] 肖琳，蔣麗娟，王曉琳，等.引入前沿與應用培養(yǎng)創(chuàng)新能力[J].實驗室研究與探索，2020，39（3）：138-141，172.

[17] SHANPENG L， YUN Z， XIAOXIAO D， et al. Hard to be killed： Load-bearing capacity of the leech Hirudo nipponia[J]. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials， 2018（86）：345-351.