基于CDIO理念的研究性教学在机械CAD课程中的创新性运用

李静+牛文杰

摘 要 为解决“机械CAD”课程教学过程中理论与实践难以平衡的矛盾，将基于CDIO理念的研究性教学运用于CAD教学中，引导学生在理论学习的基础上进行工程实践和创新实践。通过基于CDIO理念的研究性教学在课前作品观摩、课堂教学方法、上机实践、课后研究性实践的实施与运行，证明基于CDIO理念的研究性教学在CAD课程中的运用可取得良好的教学效果，有效地提高了学生自主运用课程知识来解决专业问题的能力。

关键词 CDIO 研究性教学 主动学习 创新意识

中图分类号：G424 文献标识码：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2015.08.050

Innovative Application of Inquiry Teaching with CDIO

Concept in Mechanical CAD Course

LI Jing， NIU Wenjie

（College of Mechanical and Electrical Engineering， China University of Petroleum， Qingdao， Shandong 266580）

Abstract In order to solve the imbalance of theory and practice in mechanical CAD teaching， the inquiry teaching with CDIO concept was introduced， leading to students focusing on engineering and innovation practice on the basis of theoretical study. This work studied the application of inquiry teaching with CDIO concept during pre-class works appreciation， in-class teaching method， practice on computer and after-class inquiry practice. It was proved that the application of inquiry teaching with CDIO concept in CAD course could achieve good effect， and enhanced students' ability of solving the professional problem by using the course knowledge.

Key words CDIO; inquiry teaching; initiative study; innovative consciousness

0 引言

在当今科学、技术、经济、社会正在发生急剧深刻变化的新形势下，高等教育面临巨大的挑战。比如，如何开启学生主动学习模式，提高学生的创新创业能力。面临转型社会的新挑战，各高校着重通过改革课程体系和改善教学方法，借鉴国际先进理念和经验，增强学生探究与理解、分析与推理、创造与表达等方面的能力，全面提高高等教育质量。CAD（Computer Aided Design，计算机辅助设计）理论和技术对工科类大学生的工程实践能力、创新意识培养方面具有非常重要的作用。随着CAD 技术的迅速发展，二维、三维CAD技术在众多行业应用的广泛普及，国内各高校CAD 类课程的地位和教学内容已发生了很大变化，但是依然存在深度、广度分布不均衡，课程设置混乱的现象。比如，有些院校只限于讲授工程图样的计算机辅助绘制，缺少CAD 基础知识，适用层次偏低;而有些院校则过分强调CAD 理论，不注重CAD 系统的应用，使得课程的实践性不强，不适合工科学生的发展。理论与实践的冲突在CAD课程中很难平衡，如何在有限的课时内提高学生学习CAD绘图软件的效果，并使学生“知其然，知其所以然”，提高学生解决工程实际问题的实践和创新能力，为今后专业课学习做好必要的铺垫，是值得深思和研究的一个问题。

1 基于CDIO理念的研究性教学

研究性教学不同于传统的灌输式教学，是以探究为基础，教学与研究相结合，在教师的组织指导下引导学生自主学习、自主实践的教学。它以学生的发展为本，强调师生互动，将学生学习与研究相统一，可以有效地提高学生学习的积极性、主动性，引导学生逐步形成观察问题、分析问题、寻求解决问题方法的能力。①研究性教学要将“研究”贯穿整个教学课程，重点在于转变学生的思维模式，因此这种教学方式符合工程能力培养的规律和综合素质形成的逻辑，得到了“卓越工程师教育培养计划”的大力提倡和着力推广。②对于工程类课程的研究性教学，CDIO理念给出了更具体的解释。CDIO理念是美国麻省理工学院、瑞典皇家工学院、瑞典查尔莫斯工业大学和瑞典林雪平大学四所大学于2004年创立的一个新的工程教育模式。其核心理念是构思（Conceive）、设计（Design）、实施（Implement）、运行（Operate），以项目从研发到运行的生命周期为载体，让学生以主动的、实践的、课程之间具有有机联系的方式学习和获取工程能力，强调知识与能力之间的关联，并较好的解决了工程教育中理论知识与实践能力的平衡。③为适应新形势下高校提高人才培养质量的要求，解决“机械CAD”课程教学过程中理论与实践难以平衡的矛盾，将基于CDIO理念的研究性教学运用于CAD教学中，引导大学生在理论学习的基础上进行工程实践、创新实践，这对工程创新人才的培养有重要意义。

2 教学方案的设计和实施

机械CAD是一门理论性和实践性较强的专业基础课，涉及到工程制图、机械设计、计算机图形学等多方面知识。该课程主要是培养学生的空间想象能力，利用CAD工具软件进行绘图、建模及工程设计的能力。在本课程教学中，通过构建以二维能力培养为基础，三维设计为主流的教学内容体系，使理论和实际应用密切结合，同时保证了理论上的系统性、完整性。课堂教学包含了CAD基本图形学原理、CAD软件绘图操作和命令、软件二次开发等方面的基础知识;工程实践性教学则主要注重知识的交叉、渗透，涉及到产品的设计、三维建模、虚拟仿真优化等一系列内容;课程以传统工程图学的手工绘图为基础，从二维CAD软件绘图，到三维CAD建模，再通过计算机虚拟环境，由三维实体模型设计回到二维工程图的设计，进一步优化后进行再设计的循环过程学习。该教学模式有助于启发学生的设计意识，变目前的被动接受式的传统教学模式为主动探索式的研究性教学。根据CDIO研究性教学的理念，本文的教学方案设计如图1所示。

2.1 课前作品观摩

为了激发学生的学习兴趣，在课程的前半阶段，经常给学生演示往届学生的优秀作品，特别是一些大赛获奖作品，例如直升机、海洋平台、发动机、教学楼、变形玩具、蜗牛等。通过展示这些作品，使学生对Solidworks软件的强大功能有一个直观的认识，增加学生努力学习的热情和信心;同时，激发学生的创新灵感，启发学生们从专业、生活中找idea。此外，给学生们介绍CAD的相关比赛情况，比如学校的科技节、山东省大学生机电产品创新大赛、全国3D动力大赛，以及CAD的相关网站和论坛，开阔学生眼界，帮助学生了解CAD等数字化技术与相关领域（CAM/CAE/PDM/ERP）的渗透和发展，激发学生利用工具软件进行自主创新的工程意识。

2.2 课堂教学

CAD课堂教学在电脑机房中进行，学生人手一台电脑，方便学生随即进行针对性的随堂练习。课堂教学方案的设计遵循以学生为主体，教师为引导的思路，充分调动学生的主动性。教学多采用专题启发式和案例式教学模式。比如，在讲解AutoCAD构造选择集专题时，通过对比window、crossing和box命令操作时图元选择结果的差异，启发学生思考三者之间的区别和联系，激励学生自主总结规律，加深了学生的理解。在讲解Solidworks放样与扫描命令时，举例茶壶建模。通过壶嘴建模过程，学习基准面建立方法和放样特征的步骤;通过壶把建模过程，提取扫描特征步骤;并由茶壶建模推广到水龙头结构零件的建模方法和技巧。通过兼具艺术美、生活美的茶壶建模，激发了学生的兴趣，激励学生去主动地、更深入地学习教材上有关放样和扫描命令的技巧。相比枯燥地讲解操作方法，案例教学更能激发学生的创新思维与设计意识。

2.3 课内上机实践

CDIO理念强调学生在工程环境中进行学习，从对实际产品的认识、分析出发，提取产品特征，发现问题，并进一步尝试解决问题。④CAD是一门实践性很强的课程，需要学生进行大量的上机实践，仅仅课堂上的随堂练习是远远不够的。本校针对机械CAD技术这门课程，总共安排了32学时的理论课，和相应的32个学时上机练习。即教师每授课一次，上机练习一次，同时有助教随堂辅导。助教在辅导课上，引导学生在上机实践中自己发现问题，和学生共同学习、共同探讨，并引导学生主动探究，分析解决问题。

习题与练习的选择尽量兼顾趣味性与专业性、难度适中，而且具有一定挑战性。比如，在学完AutoCAD的图形基本变换及编辑命令后，为学生布置一道绘制自行车的上机练习，旨在练习多段线、阵列和复制命令。对于自行车的尺寸和形式，学生可以自由设计。由于几乎每个学生在校园里都拥有一辆自行车，现在要用新学习的软件绘制自己熟悉和喜爱的东西，大大激发了学生的热情和兴趣。学习完AutoCAD尺寸标注后，布置齿轮绘制和尺寸标注的作业。在绘制过程中，学生需要根据齿轮模数和齿数，计算齿根圆和齿顶圆尺寸。这就激励学生自主学习、查阅资料，寻找齿轮计算公式，初步锻炼了学生机械设计的能力。

2.4 研究性课外实践

CAD课程不仅仅是一种软件使用学习，更是一种基于软件设计能力的学习和培养。根据CDIO教学模式，给学生布置在本学期内完成一项CAD专业设计的大作业，激励学生在掌握了基本操作的基础上进行研究性的自主学习，并应用于课外大作业的作品上。大作业在选题上注重与学生兴趣相结合，鼓励学生从专业、生活中自主选择对象进行原型设计或创新性改进设计，培养学生的观察能力和创新意识。在组织形式上采用个人与小组工作相结合的模式，有利于充分调动学生学习的积极性。大作业促使学生由被动表达向主动设计转变，提高了学生的创新思维与设计意识，最大限度激发了学生潜能。

学期结束之前，组织一次大作业讨论课，在讨论-实践-思考的过程中，增强学生参与思考、自主创新的热情，锻炼了个人的组织能力、表达能力。对于优秀的大作业作品，组织学生在第二课堂中继续展开研究和开发，并进一步组织学生积极参加相关比赛、申报专利和成果转化，让大学生在学生时代就体验科学研究工作及设计工作的成果申请与保护流程;对于有商业前景的设计，利用快速成型机制作模型，并与相关企业洽谈商业开发。让学生真正体验从产品研发到实施运行的整个流程，提高学生的创新设计和工程实践能力，使他们能够更快地与工程实际接轨。此外，课程组专门成立了研究工作室，邀请学有余力和有兴趣的同学参加。研究工作室的成立大大拓展了CAD教学的第二课堂空间，有助于开发学生研究与创新的潜力，做到在研究中教学，在教学中研究。

图2 Solidworks战斗机设计

图3 水面漂浮物收集的双船与分输装置

3 成效

本课程旨在培养学生利用CAD系统进行工程图样绘制、产品数字化建模等工程应用技能;培养学生在后续课程学习乃至毕业设计中，运用CAD基础理论、CAD系统结合专业知识，解决工程实际问题的实践和创新能力。学生知识技能的掌握量和熟练程度是CAD技术实践教学效果的显性衡量指标。⑤通过2013年秋季学期对试点班级课外大作业的考核，证明基于CDIO理念的研究性教学有效地提高了学生学习的积极性、主动性，教学效果明显。如图2所示，为大作业中某学生利用所学的SolidWorks 软件设计的战斗机模型，对战斗机的机身结构和外观进行了创新性设计。图3是班里学生设计的用于水面漂浮物收集的双船与分输装置，拟解决目前国内淡水污染情况严重，清除水面漂浮物机械效率低、能耗高，使用不便等方面的问题。该装置采用机械手在内的多重收集装置，通过新式传送带和双船装置，将垃圾运送回岸;并且要通过传送带来完成对于漂浮物的机械化分输，提高对水面漂浮物清理的效率。由于CAD课在本校主要面向大二的学生，专业设计课还没有学习，因此这些作品在结构上和功能实现上还存在一定缺陷，初步设计方案也显得幼稚，离实用化还有一定距离，但创新意识和工程意识体现得活灵活现。

4 结语

实践证明，基于CDIO理念的研究性教学在“机械CAD”课程中的运用具有一定的科学性、合理性，并取得了一定的成效。在教学过程中，学生由开始的被动练习逐步尝试专业化对象设计，并在大作业过程中完成自主选题设计-绘制-修改-汇报的全过程。该教学方法有效地提高了学生学习的积极性、主动性，培养了学生自主运用课程知识来解决专业问题的能力，增强了学生的工程意识与创新素质培养。

注释

① 刘子建，赵翠，伍素珍.“机械CAD技术”课程研究性教学探讨[J].中国大学教学，2010.1：46-48.

② 鞠晨鸣，徐建成.以“实践”为导向的研究性教学[J].中国大学教学，2012.9：69-71.

③ 厉威成.CDIO模式的教育理念及其实践研究[D].成都：四川师范大学，2012.

④ 郝智秀，季林红，冯涓.基于CDIO的低年级学生工程能力培养探索[J].高等工程教育研究，2009.5：36-40.

⑤ 杨青，邱欣.CDIO模式交通运输专业CAD技术的实践教学研究[J].中国电力教育，2013.14：143-144.