CDIO理念下的机械制图测绘课教学模式探索与实践

韩正功+王建平+邵芳

【摘 要】本文分析了传统教学模式的弊端，重新从测绘课本身的培养目标出发，结合CDIO工程教育理念，引入虚拟仿真技术，提出基于项目的“虚—实”结合实践教学模式，并以本校机械专业试点，对教学手段、教学模式和考评体系三方面进行探索与实践。实践证明，CDIO理念下基于项目的“虚—实”结合实践教学模式更有利于培养学生的综合素质和工程能力，有利于提高教学质量。

【关键词】CDIO    机械制图测绘    虚拟仿真     考评体系    “虚—实”结合实践教学模式

机械制图测绘课是机械类专业必修的基础性实践教学环节，它是本科生在学习完《机械制图》理论课程后首次进行的设计训练。为了进一步巩固学生制图基础知识，提高学生识读、绘制机械图纸能力，这一环节必不可少。近几年来，受到CDIO（Conceive-Design-Implement-Operate，构思—设计—实施—运作）工程教育思想及理念的影响，如何更好地培养学生综合运用所学的理论知识来解决实际问题的能力、培养高素质应用型工程技术人才，已成为高校教育教学改革的重要内容。

1 机械制图测绘课程教学现状及存在问题

1.1教学手段有机整合度不够

传统的机械制图测绘的教学手段是“黑板加粉笔”，它的最大缺点是课堂信息量少，不直观，让学生在短时间内对测绘对象的工作原理及内部结构难以充分理解及构想，导致学生积极性降低。随着计算机及多媒体技术的普及，情况虽然有所改善，但部分教师一味依赖多媒体课件教学，导致学生注意力都集中在动画效果上，对本身就略显枯燥的教学内容失去耐心，影响教学效果。

1.2教学模式柔性及灵活性不够

传统的机械制图测绘教学模式是以教师为中心，采用“填鸭式”、满堂灌的教学方法，根据教师要求，学生按部就班地进行手工绘图，若绘图时出错，可能会需要不断返工，工作量大;在本来测绘时间就紧张的情况下，会导致学生为了追求绘图速度，只是机械地模仿画图，忽视了对零件设计、工艺结构、尺寸标注合理性等方面知识的理解和综合运用。

1.3考评体系多样性及科学性不够

传统的机械制图测绘的考评体系是以学生最终上交图纸的准确性及规范性定量给分评价。这种评价形式单一，缺少多样化，忽略了学生在教学过程中的主体作用。“一纸定成绩”的评价形式，会导致评价的片面性和偶然性，这在相当程度上扼杀了对学生创新意识的培养以及忽视了学生的个性发展。

如何有效整合教学手段，设计创新教学模式，改革完善考评体系，都是摆在教学一线的高等教育者面前亟待解决的问题。

2 CDIO理念下“虚—实”结合的实践教学模式

2.1CDIO工程教育理念

CDIO工程教育理念是近年来国际工程教育改革的最新成果，它是以产品研发到产品运行的生命周期为载体，按照构思、设计、实施、运作的过程，让学生以主动的、实践的、课程之间有机联系的方式学习工程。CDIO的核心是一体化教育，把学生要培养的能力和需提升的素质贯穿于大学学习的各方面，突破了传统的教育理念和模式。CDIO模式比较符合现代应用型工程技术人才培养的一般规律，为我国工科教育的改革提供了一个很好的理论依据。如何将CDIO理论更好地渗透进某一具体课程是任课教师长期探索的方向。

2.2基于项目的“虚—实”结合实践教学模式

“虚—实”结合实践教学模式是利用虚拟仿真技术来辅助实际模型的测绘过程。笔者在实际实施过程中考虑学生能力及软件易学好用的特点，所采用的虚拟仿真技术是利用SolidWorks三维仿真系统来辅助对实际机件模型的测绘，实现测绘结果由二维工程图向三维几何实体模型的转变，注重培养学生的实践能力以及对新技术的了解与应用。

基于项目的“虚—实”结合实践教学模式是以学生为主体，以教师为主导，以实践为依托，以虚拟为手段。学生在项目实践过程中，利用虚拟仿真技术来辅助理解和把握测绘要求的知识和技能，体验创新的艰辛与乐趣，培养分析问题和解决问题的思想和方法，教师注重的不是最终的结果，而是学生完成项目的整个过程，如图1所示。

图1 CDIO理念下基于项目的“虚—实”结合实践教学模式

2.3CDIO理念下的项目设计

借鉴CDIO理念中三级项目教学的思想，构建出课内实践与课外实践相结合的项目教学体系，旨在以系列化的项目教学为载体，培养出高素质应用型工程技术人才。

CDIO理念下，教师对项目的设计需要遵循以下几个原则：①科学性，项目须有利于开发学生的学习潜能，注意控制师生所花费的时间、精力在适度范围内，以防负担过重;②系统性，项目要整合课程内容，覆盖相对广泛的知识面，同时关联教师培养与设施设备条件等，培养学生创新意识和创新精神;③可实践性，依据学生的实际知识水平设计难易程度适当的项目，调动其积极性;④层次性，项目既涉及学生当前掌握的内容，同时又包含部分可自主学习探索的内容，有一定的挑战性;⑤自主性，项目要以学生的直接经验或体验为基础来开发和实施，鼓励学生的自主选择和主动探究。

2.4CDIO理念下基于项目的“虚—实”结合实践教学模式实施

根据本校实际，机械制图测绘课是紧随《机械制图》及《计算机绘图基础》课程教学之后的实践性教学环节，时间为一周，笔者把机械设计制造及其自动化专业的一个班级（50人）作为试点实施。

教师事先筛选出简单易懂的装配体，比如设计、测绘、组装和表达轴系传动，设计和表达齿轮油泵（各组参数不同），设计和表达一级减速器（圆柱齿轮减速器、锥齿轮减速器、蜗轮蜗杆减速器等），并编写好《机械制图测绘CDIO项目指导书》。教师在第一次测绘课将学生集中起来，提出该课程的要求，下发《项目指导书》，其内容包括以下几方面：①项目任务：自愿结组，分组拆卸、测绘、分析和研究已有装配体模型，进行各零部件及装配体的三维CAD模型创作，总结成果并创新设计;②项目目标：能够正确使用常用测绘工具;掌握零部件的测绘方法与步骤;会简单利用三维仿真软件SolidWorks参数化建模并生成工程图;③被测对象的说明：用途、性能、工作原理、结构、装配示意图与零件明细表等。endprint

本文以一级圆柱齿轮减速器为例说明CDIO理念下基于项目的“虚—实”结合实践教学模式实施过程。

2.4.1构思阶段

教师首先为每组同学下发圆柱齿轮减速器模型，在讲解该工程实例的同时，引导学生回忆前面所学习的制图理论知识，特别是机件表达和零件图、装配图部分的内容。在课内，利用多媒体课件与视频结合，展示减速器的工作原理、零件结构等;在课外，组织同学们实地参观减速器制造企业，由企业指导教师为学生介绍减速器的相关知识。通过理论与实际、抽象与具体、学校教师与企业教师多方位结合，让学生建立感性认识的同时上升为理性认识，最后变成学生所获得的经验知识。

2.4.2设计阶段

为了给学生创造良好的测绘环境，转变传统测绘模式，充分利用学校的CAD/CAM实验室，学生在前期已具备二维CAD（如AutoCAD）与三维CAD（如SolidWorks，只会部分基本操作）绘图能力的基础上，通过教师的引导和答疑，自主讨论学习SolidWorks复杂零件的建模、零件库与特征库、装配体和工程图等部分内容。教师尝试让学生用计算机绘图代替传统的手工绘图，目的在于锻炼学生的自主学习、自我约束能力，注重培养学生的个人职业技能和职业道德。在三维仿真工具的选择上，使用Solidworks作为绘图工具，主要考虑到以下几方面：①易学好懂，操作简便。学生通过鼠标点击、拖曳等简单操作便可完成机械零件绘制，还支持右键菜单功能和复制、粘贴功能;②绘制规范，检测全面。可根据设计者的需求绘制出严格、规范的零件，并在绘图的各个阶段进行检测，减低设计的失误率;③装配设计，生成图纸。它们为软件的特色功能，能在软件环境下装配出新的机械元件，还能由三维模型直接生成工程图。

2.4.3实施阶段

学生借助SolidWorks工具，对减速器进行零部件的三维建模实体造型。除了减速器的部分零件（如箱盖、箱体及透盖等）需要学生自己建模之外，机械的常用标准件和常用件（如螺栓、垫圈、滚动轴承、键及齿轮等）可利用软件自带的零件库与特征库，直接拖拽使用或进行零件参数化设计，实现一次建模、多次使用，通过给定新参数，不断得到新的零件模型。在整个实施过程中，零部件及装配体的造型及设计都是基于SolidWorks平台，这样减少了传统手画图纸的枯燥味，帮助学生建立对机械系统的学习兴趣，还将学习的理论知识与机械行业的生产设计制造实际联系在一起，在提高该课程教学质量的同时，培养了学生的创新能力与工程应用能力，全面、系统地提高了学生的数字化设计能力。

2.4.4运作阶段

此阶段，教师结合课程合理安排时间给学生进行减速器零部件的测绘、减速器的装配、计算机仿真模拟并生成工程图纸。首先，按5人一组的原则自由分组，各组学生在拆卸零件后，利用游标卡尺、千分尺、钢尺、外卡、内卡等工具对减速器进行零部件的测绘，考验学生对常用测绘工具的使用及动手能力、融会贯通所学知识的本领。其次，利用计算机进行减速箱零件的实体造型与装配体实体造型。学生在组装装配体的过程中，可对装配体各零件间进行干涉检测与间隙检测，以“测绘—建模—检测—修改”模式提高其测绘速度与质量。最后，学生将符合要求的减速器的零部件与装配体模型利用SolidWorks工程图纸功能直接生成二维图纸，与教师讨论零件图及装配图的表达方案，并标注尺寸、序号，填写明细栏与标题栏等，进一步完善图纸其他内容，或者先将SolidWorks工程图转换成AutoCAD的DWG格式图，再进行装配图相关内容的完善和填补。“条条大路通罗马”，通过这样，既培养了学生的动手能力、团队协作精神、交流沟通能力，又培了养学生的创新精神和创新能力，进而培养了学生的工程意识和工程素养。待各项工作完成后，撰写项目报告，制作PPT，分组进行汇报。

2.5课程管理与考评

机械制图测绘课的教学目的就是让学生综合运用理论知识和工具解决实际问题的能力及团队协作能力，教会他们一种思维方式。在整个CDIO项目的实施过程中，教师一定要加强对项目的督促和指导，突出学生主体地位，掌控整个教学进程，对学生在基础理论知识、工程技术能力以及综合素质等方面进行全面综合考核。

在传统测绘课程考核的基础上，加以改进，变单纯的图纸质量考核为多元考核体系。具体来说，一是将目标型评价转变为形成型评价，注重学生在学习生活中的点滴表现;二是评价主体的多样化，充分调动学生主观能动性，引导学生自我评价、小组互评、其他科任教师评价（答辩汇报时），使对学生的评价更加科学合理、客观、公正，测绘成绩考核评价体系及权重如表1所示，自该评价体系运行以来，收到了良好效果。

表1 机械制图测绘成绩考核评价体系及权重

3 结束语

本文探讨了以机械制图测绘课程为平台，虚拟仿真为技术手段，贯彻工程教育理念，实施“学中做、做中学”和“基于项目”的基本策略，积极探索CDIO教学，建立“以学生为主体、教师为主导、学生间互助协作”的模式，有利于激发学生的学习兴趣，全面培养其综合分析问题和解决问题的能力，提高教学质量。积极探索基于CDIO理念的课程教学模式，能为培养理工类院校的高素质应用型工程技术人才奠定坚实基础。

【参考文献】

[1]杨莉，郝育新，王建华.工程制图测绘教学模式的研究与实践[J].图学学报，2013，34（1）：116-119.

[2]杨薇，张京英，张辉，等.机械制图三结合实践教学模式的探索[J].图学学报，2014，35（1）：127-130.

[3]王定保，朱春熙，常家东.基于CDIO理念构建机械制图课程与其他专业基础课程培养模式的探索与实践[J].洛阳理工学院学报（自然科学版），2012，22（3）：94-96.

[4]王伟冰，张东梅，李玉菊，等.基于CDIO理念的新机械制图教学模式研究[J].长春理工大学学报（社会科学版），2010，23（1）：171-172.

[5]李明新.信息技术下应用SolidWorks软件辅助《机械制图》课程教学[J].煤炭技术，2013，32（2）：238-240.

[6]郭长虹，马筱聪，李大龙，等.构建基于“卓越工程师教育培养计划”和CDIO的工程图学教学体系[J].图学学报，2014，35（1）：121-126.endprint