基于国际工程教育模式的CAD教学系统构建

胡珺，万宇杰，蔡敢民

（江汉大学机电与建筑工程学院，湖北武汉430056）

基于国际工程教育模式的CAD教学系统构建

胡珺，万宇杰，蔡敢民

（江汉大学机电与建筑工程学院，湖北武汉430056）

借鉴发达国家CDIO工程教育模式，构建以提高综合素质、创新能力为目标的CAD教学系统。基于CDIO体系结构进行了借鉴性分析；以CAD课程体系结构调整、教学信息逻辑结构图处理、基础课程辅助教学系统开发、信息反馈评估、综合实践项目设计为主要模块，构建基于CDIO的CAD教学体系。提出构建设计思路，并给出具体结构图和设计方案。对提升整体CAD教学和应用具有参考价值。

CDIO；教学系统；CAD；创新能力

1 背景

进入二十一世纪以来，国家对人才培养提出了“提高自主创新能力，建设创新型国家”、“优先发展教育，建设人力资源强国”的战略目标，并在“办好人民满意的教育”、“提高高等教育质量”的战略思想指导下，实施了一系列的高等学校教学质量与教学改革工程，包括已经实施的本科院校评估工程、质量和品质提升工程。为进一步深化本科教育教学改革，提高本科教育教学质量，国家、教育部先后发文，比如，“国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020年）”、“关于‘十二五’期间实施高等学校本科教学质量与教学改革工程的意见（教高［2011］6号）”、“教育部关于国家精品开放课程建设的实施意见（教高［2011］8号）”。“十二五”期间，教育部、财政部决定继续实施提高质量的本科教学工程。同时，为推动协同创新，促进高等教育与科技、经济、文化的有机结合，教育部提出“高等学校创新能力提升计划”，并对计划实施提出面向4个方面的意见，即包括面向科学前沿的协同创新中心、面向文化传承创新的协同创新中心、面向行业产业的协同创新中心、面向区域发展的协同创新中心。

教学质量和改革不仅要对接国家政策，契合国家总的战略目标、战略思想、指导意见，同时还要对接好区域市场，需要学校根据区域发展定位、生源质量、师资状况、实验设备情况来具体实施完成。江汉大学是地方院校，机电与建筑工程学院专业培养目标定位“培养宽基础、高素质、具有创新精神和实践能力的高水平工程类人才”。主要培养应用性、实用型人才，着力培养学生实践能力、创新能力，尽力帮助毕业生缩短承担实际工作任务的过渡时间。教学质量与品质提升遇到的困难主要还是国家对教育的投入不足，所以在实施模式选择上需要考虑。产学研培养模式的问题不在于学校能否培养出所需的人才，主要在于国内多数企业动力不足，很难主动与学校对接并将利润流入学校进行人才培养。所以学校教学质量与改革对教学目标定位所选取服务的产业很重要。同时教改需要依据规律性东西，形成可以持续且循环复制操作的体系，并具有一定的国际视野以适应整个大环境对人才的培养需求。借鉴发达国家的工程教育模式，在原有教学体系基础上加以调整和改进，具有一定的优越性和可行性。本文主要探讨以CDIO（Conceive构思，Design设计，Implement实现，Operate运作）思想为导向，构建CAD教学系统的模式、提出优化方法和实例［1-2］。

2 CDIO教学模式

2.1 理念分析

根据当前对工程人才培养的社会需求，当前国际主流为全面工程教育理念。因为现代科学技术和工程问题不再是局限于单一学科的问题，这里面有现代科技、生物技术、信息技术迅猛发展带来的深层次原因，所以，对现实中问题的解决也不再是传统方法，需要多学科、多层面和跨时空交流与合作，对人才素质能力培养提出新的要求。CDIO是基于全面工程教育理念的具体实现手段，2004年由4所国际大学组成的跨国研究组合Knut and Alice Wallenberg基金会研究探索形成。它是以工程项目为载体对目标群体实施主动性、实践性、综合性课程教学方式，主要以“基于项目的教育和学习”为重点，以能力培养为目标［3］。

2.2 体系结构

CDIO体系严密，并具备全面实施过程和结果检验的12条标准。12条标准可以概括为3个方面。

2.2.1 课程体系与培养方案涵盖标准2、标准3、标准4，主要是课程体系和教学培养方案上要体现和满足CDIO工程教育模式、思想和方法，体现“宽基础、高素质”培养要求。

2.2.2 项目设计与评估涵盖标准5、标准6、标准7、标准8、标准11和标准12，工程项目设计是CDIO实施的主要部分；标准7和标准8主要体现综合性学习和主动学习；标准11和标准12构成评估体系，包括学习评估和专业项目评估两个方面。

2.2.3 教学理念涵盖标准1、标准9、标准10，标准l主要是CDIO教育理念，要求专业目标反映CDIO理念；标准9和标准10主要包括教师基本能力、产品、过程和系统构建能力的提高。

2.3 借鉴性分析

2.3.1 成熟度分析CDIO具有完备的能力体系结构和实施检验标准，中国教育部2008年前后引进试点，具备一定成熟度。

2.3.2 课程体系分析CDIO对学生跨学科知识和文理并重提出要求，比如创新精神、实践能力、团队组织协调与交流能力等。课程体系需针对教学培养方案对学习目标、综合课程设置、工程类课程设置等做出相应调整，大类培养和专业教育相结合。以项目设计为导线从而有机划分课程群进而系统地整合课程体系，并以此为核心组织需要学习和掌握的教学内容。可根据CAD教学课程体系调整改进实验教学体系，增强实验体系模块化、层次化和系统化，形成由基础到高级、由简单到复杂的项目进阶模式，从而使学生在项目完成过程中提高自主学习能力和工程实践能力，激发学习兴趣、求知欲、自信心、探索精神、开创精神和锻炼团队精神。

2.3.3 教学理念方法与评估分析主要是在教学方法上体现现代工程教育，由以教师为中心教学转向“以学生为中心”，可以对过去多媒体开发思路和传统教案组织方式加以改进。评估体系主要改变原有评估结构适应项目体系结构，可以增加CDIO能力因素评估环节，比如学习经历、人际关系技巧、系统构建技能、团队合作知识等，可以利用先进通信技术采用非传统评价手段。

2.3.4 项目设计分析项目设计是重点部分。项目要求具备综合性,体现学科知识与工程训练的融合，同时契合实际，从而实现综合学习与自主学习过程。可以增加综合性设计性实验项目，引入相关企业、研究所实际范例［4］。

3 基于CDIO的CAD教学系统构建

3.1 课程体系结构调整

基于CDIO的学科课程体系的研究主要体现在围绕“构思-设计-实现-运作”思路要求，以项目为导引构建课程群。根据项目规模划分项目层级、明确层级顺序和课程时间顺序，构建项目鱼骨架图。比如专业课程由单门课程支撑一个三级项目，一组核心课程群支撑一个二级项目，一组二级项目支撑一个一级项目。图1所示主干显示包含CDIO全过程的一级项目，由主要核心课程构成。工程制图及CAD属于二级项目下的核心课程，CAD系统、CAD∕CAM分属于后续二级项目下课程。

图1 机械专业课程体系鱼骨架图Fig.1 Fish bone diagram of mechanics courses system

3.2 教学理念方法与模式

为了由过去以教师为中心的教学方式转向“以学生为中心”，同时激发学生学习兴趣和自主学习能力，需要对信息的传达方式和手段优化，这里主要提出3个方面的措施。

3.2.1 教学信息逻辑结构图处理传统图学教学教案设计一般采用办公处理软件Word或者PPT对文字信息进行顺序加工处理并展示。版式中大量文字以适合传统阅读模式的线性形式表述。结合CDIO对培养学习目标群体综合能力素质方面的要求，探索采取更加符合形象思维训练和加深知识记忆的方法和手段，并将该方式方法融入教学教案设计表达以及素材开发元件制作的脚本设计中。主要思路为遵循形象创建规律和知识逻辑结构传递为主线，对图学的内容进行并行化处理，并加入思维形式注记，见图2。首先，将教学内容中适合做并行转化处理部分筛选出来，选用适当辅助软件工具对教学内容进行处理，添加思维注记形式如概念型、符号型、类化型、证明型、森林型、赋权树型等，改变现有教学教案的线性文本结构和属性，增强重点、关联、图像、色彩、视觉节奏、维度等信息，达到强化学习活跃度、增强思维训练的目的。

实现方法是首先针对某一知识点找出主题作为根结点；其次对文本信息内容进行分层，将各层内容关键词作为根结点的主要分支，各层内容依次按先后和重要程度划分作为分支的子项；再次标识出整体内容中的关键要素，标识出各分支内容之间的关联与区别；最后插入相关图示作为注释说明，并调整各元素颜色、粗细、结构等以增强视觉效果表达。在转化处理过程中应注意首先主题需明确，各层级关键词需经过提炼保持简明扼要，便于理解和掌握；其次尽量将某一主题内容放置在同一幅面中，而且尽量保证每组的分支数在合理的范围内，并控制分支之间的密集度，如果内容超出单幅面容纳范围，则可以采取子图分解的方法加以解决。教学内容中一些具有相似性属性的图形信息可以集中分析展示。这里的相似性属性不仅仅是从逻辑概念或工程图的内容进行划分，而且可就工程图学本身的图形所具有的审美性加以汇总，这对于提高学习目标群体综合能力的培养有所裨益。

图2 教学信息逻辑结构图Fig.2 Logic structure diagram of teaching information

3.2.2 基础课程辅助教学系统开发传统辅助教学系统主要基于Authware、Director等MCAI软件开发，这类系统根据程序开发者初期拟订教学思路和教学实施过程编制固定脚本，因此封装打包后无法修改，存在教学实施中开放性、通用性不强的问题。一方面教学实施者在教学中无法根据实际情况形成个人的单堂课程教案进行个性化施教；另一方面教学实施对象实验中无法根据自身情况形成个性化学习，比如无法根据自己对计算机操作熟练程度、空间想象能力程度来适时调看相关命令、参照三维实物模型和相关理论知识点［5］。

针对上述需求，笔者研究了CAD基础课程工程制图数字化立体教学系统［6］。该套系统由专业数字化教学素材库、多媒体展示系统、网络展示系统3部分组成。增强个性化修改定制功能，整个平台系统呈现一种开放式结构。辅助教学多媒体展示系统主要辅助教师课堂教学，利用教学系统开发平台进行开发并按照一定的框架结构集成所有制作元素［7］。教师可根据实际情况引用素材库内资源比如数字教案、数字化挂图、平面工程图、数字三维模型、动画等形成个性化教案进行教学讲解，可以根据前述CDIO理念以及便于项目化教学需要来组织教学内容，把抽象的教学内容转化为易于接受、形象直观的图像、动画、虚拟模型，解决传统教学对于教学重难点突出不够、表达效果差等问题。网络展示系统主要用于辅助学生自主学习与测试，学生通过网络随时调用库内矢量模型实时拖曳、动态观察、动画放缩不失真、易于控制播放，调用自动绘图命令讲解动画学习计算机绘图方法；网络习题集涵盖理论重难点、提供实时自测和正误判断，便于学生自由学习、深化巩固知识。整个系统设计过程可以划分为以下几个阶段，首先针对工程制图具体内容综合利用多媒体技术构建资源库内各分类单元的元素素材收集、设计与初步制作；其次根据使用目的和场合要求搭建展示平台框架；然后将各分类单元元素分别集成于开放平台下，形成满足本地和网络化展示应用；再次根据CAD具体内容完成基础部分内容设计，可以与工程制图结合，融入前述系统中。整个系统进行测试并投入运行，使用情况好，其方法和系统平台也适用于其他课程移植，便于实施开展开放式、自主性、个性化的教学。

3.2.3 信息反馈和评估建立非传统评价体系，激励学生将被动学习转化为主动学习。教学信息反馈和评估采取动态方式，包括实验教学部分以及后续综合项目部分，可以充分利用网络和现代交流工具如QQ、微信等动态收集信息；所有项目实施采用开放性实践方式面向高年级学生开展，分小组按批次对学生实施。同时增加非传统评价环节，比如综合项目中对整个过程中的图书馆资料查阅、方案设计和选择、具体实施和运行、总结和归纳的各环节进行评价，成绩构成由各环节成绩按百分比组成。实施过程中以学生为主、教师为辅，教师就学生设计实施中提出的问题开展分析讨论，引导学生独立思考、提出解决方案，以达到锻炼提高学生解决问题能力的目的。最后以书面总结的方式按小组形成报告，通过小组答辩形式综合确定成绩。

3.3 综合项目设计

3.3.1 设计目标意义学生在掌握CAD基本知识和理论后，可以通过CAD综合性实践项目获得综合素质提高，达到深化知识、了解科研程序的目的，从而调动学生主动学习、钻研科学的兴趣，培养独立思考、善于创造、综合运用知识的能力［8］。笔者曾就利用在研究课题结合实际工程问题项目方案做过相关讨论，本文就CDIO中增强人文素质培养和综合素质培养方面对综合项目设计做进一步改进，以期增强综合项目的多元性和复合性，培养学生开阔视野、创新探索、多角度分析解决问题的能力。

3.3.2 项目设计内容方案主要内容为创意平面图形设计。利用已有的平面图形绘制基本软件完成创意图形。平面设计软件选用矢量图形软件，如AutoCAD、Coreldraw、Fireworks等。要求设计图形具有一定品味、色彩配比合理、反映创意人独有特征，具备材料运用对象并可以加工为相应的艺术品，有一定珍藏价值。图3为以民俗图案年年有余等为基础设计的钱包图案，运用AutoCAD、Flash完成，适于纺织品材料，可作为年节礼品。图4为运用AutoCAD、Firework完成契合平面图形设计，将民间有关福禄寿的相关纹样用于基本形构造，整体图案可以应用于木板雕刻、建筑装饰镶嵌或其他诸如艺术玻璃镶嵌工艺。图5为运用AutoCAD完成秦骑马佣平面图形设计，该图案可以应用于木板雕刻，作为旅游纪念品具有收藏价值。

图3 “年年有余”手包图案设计Fig.3 "Surplus year after year"handbag pattern design

图4 “福禄寿”契合图案设计Fig.4 "Gods jubilee"fit pattern design

图5 秦骑马佣木刻图案设计Fig.5 The Qin dynasty terracotta warriors and horses woodcut pattern design

4 结语

教与学是教师与学生之间知识传达的互动过程，传达的内容不仅仅局限于科技内容、综合素质或创新能力等的培养，还涉及思维和心理方面的训练。借鉴发达国家已有并较成熟系统培养模式具有一定的可行性，通过对已有体系加以改进、同时增加综合素质和创意元素培养，不仅达到深化CAD课程内容的目的，还使学生获得其他能力锻炼，对适应当前或未来复杂多变的竞争环境、提升学生个体学习满意度和价值认可具有现实意义。整个系统对提高CAD教学质量具有参考价值。

（References）

［1］杨叔子.谈谈我对“CDIO——工程文化教育”的认识［J］.中国大学教学，2008（9）：6-7.

［2］国家中长期人才发展规划纲要（2010-2020年）发布［EB∕OL］［.2010-06-06］.http：//www.gov.cn∕jrzg∕2010-06∕06∕con⁃tent_1621777.htm.

［3］CRAWLEY F，MALMQVIST J，OSTLUND S，et al．Rethinking Engineering Education：The CDIO Approach［M］.Berlin：Springer，2010.

［4］查建中.工程教育改革整体战略及“做中学”的CDIO模式［J］.教育部高等学校教学指导委员会通讯，2010（5）：13-23.

［5］同济大学、上海交通大学等院校《机械制图》编写组.机械制图［M］.6版.北京：高等教育出版社，2010.

［6］童幸生.实用电子工程制图［M］.2版.北京：高等教育出版社，2008.

［7］胡珺.工程制图课程数字化网络教学系统开发［J］.江汉大学学报：自然科学版，2008，36（3）：51-54.

［8］胡珺，万宇杰.浅谈CAD综合实验的设计［J］.职业教育研究，2007（12）：128.

（责任编辑：曾婷）

Construction of CAD Education System Based on International Engineering Education Mode

HU Jun，WAN Yujie，CAI Ganmin
（School of Electromechanical and Architectural Engineering，Jianghan University，Wuhan 430056，Hubei,China）

Utilizing CDIO engineering education system of developed country，to construct CAD ed⁃ucation system with the purpose of improving comprehensive quality and innovation ability.Based on CDIO structure，carries out analysis；constructs CAD education system with the main modules as be⁃low:adjustment of CAD course structure,processing of teaching information logic drawing,develop⁃ment of basic course assistant teaching system,evaluation of information feedback，design of compre⁃hensive practical project.Proposes the train of thought of the design,gives out the specific construc⁃tion drawing and design scheme,and provides reference to CAD teaching and application.

CDIO；education system；CAD；innovation ability

TP391.72

A

1673-0143（2014）04-0057-06

2014-05-22

江汉大学机电与建筑工程学院科研专项资助项目（SY003［2013］）

胡珺（1973—），女，高级实验师，硕士，研究方向：CAD及图形学。