以工程教育认证为导向的三维CAD课程教学改革

方贵盛，江有永，王红梅

(浙江水利水电学院 机械与汽车工程学院，浙江 杭州 310018)

当前我国的高等教育已从精英教育阶段过渡到了大众化教育阶段，社会关注的重点不再是能不能上大学的问题，而是能不能上好大学的问题.一所学校教学质量的好坏，直接关系到学校的生存与发展.但是一所大学的教学质量如何衡量，一直以来缺少统一的标准.1989年，国际工程教育专业认证的出现，为高校的工程专业教学质量提供了衡量标准.我国从2006年开始试点工程教育专业认证工作，经过了十几年不懈的努力，目前已成为《华盛顿协议》第十八个正式成员单位，标志着我国的工程教育认证体系得到了国际的认可.目前国内各大高校都把工程教育专业认证作为学校的重点工作来抓，并以通过工程教育专业认证专业数的多少来衡量自身教学质量的好坏.工程教育认证带给我们的启示，一是先进的教育教学理念：以学生为中心[1]、以结果为导向[2]、不断持续改进；二是育人的统一标准：涵盖知识、能力、素质培养的12条毕业要求[3].以学生为中心，围绕学生毕业要求，进行教学资源配置和安排教学任务；以结果为导向，就是要关注学生在接受专业教育后所取得的实际学习效果，是否达到认证标准中所规定的毕业要求；不断持续改进，强调专业必须建立有效的教学质量监控体系、保障体系和持续改进的机制，使得专业人才培养质量不断得以提升.

课程是实现专业人才培养目标和毕业要求达成的基本单元.课程教学目标的达成是专业人才培养目标达成的基础.浙江水利水电学院作为一所应用型本科高校，主要为社会培养“上手快、后劲足”的一线工程师.三维CAD课程是浙江水利水电学院机械类专业的一门专业课程，其主要教学目标是使学生能够熟练运用一种三维CAD软件进行机械零部件的设计，从而为专业后续相关课程设计、毕业设计、学科技能竞赛、参与科研课题研究及毕业后从事相关领域工作打下良好的基础.对照工程教育认证标准，该课程主要在工程知识、问题分析、设计/开发解决方案、研究、使用现代工具、职业规范、个人和团队、沟通、项目管理、终身学习等方面对专业人才培养目标的达成提供支持.

1 课程前期的教学改革情况与存在的问题

三维CAD课程作为浙江水利水电学院机械类专业的一门必修课程，共进行了15年的教学改革和探索，从最初的讲授软件命令操作为主到后来的以项目制案例教学为主；从刚开始的理论与实验分开教学到后来的理实一体化融合教学；从原来的俩人一台计算机到现如今的一人一机，无论是教学内容、教学方法，还是教学条件、师资队伍等方面，都有了长足的进步，并取得了一系列教学改革成果，如课程获批省级精品课程称号，立项并出版了省“十一五”重点规划教材等.学校升格为本科以后，主要定位为培养应用技术型人才.由于该课程对于培养学生的实践动手能力、分析解决问题的能力等具有较大的帮助，因此得以在机械设计制造及其自动化本科专业中继续保留.课程的教学内容、教学方法、考核方式等基本上沿用前期的做法，如采用项目制案例教学、理实一体化教学、“知识+技能+态度”三位一体考核等.

但也有些对教学学时进行的压缩、学生完成作业方式等改进的地方.一是基本教学内容与要求不变的情况下,教学课时从原先的88学时降到了如今的48学时，把部分教学内容放在了课外，让学生自学完成，并通过作业完成情况检查学生的自学效果;二是采用了大作业方式，在学期末通过小组合作方式共同完成一项工程设计项目和自选创意项目，以此来培养学生的团队合作能力和表达沟通能力、创新能力等.尽管本课程经过了多年不断的改革和探索，取得了良好的教学效果，但是对照工程教育专业认证的标准要求，当前课程教学还存在较多的不足，主要体现在以下几个方面：

(1)从课程教学目标上来看，仅强调了知识的传授，缺少能力培养、素质养成方面的预期学习目标要求.

(2)从课程教学内容的安排上来看，一是基础建模案例偏多，实际工程项目偏少，且部分项目案例偏简单，达不到标准中所规定的学生应能够解决复杂机械工程问题的要求；二是传统的技术应用案例讲授得偏多，而最新的CAD技术应用则安排较少，甚至没有安排.

(3)在课程教学过程中，教师侧重于对学生软件技术应用能力的培养，而对学生创新意识和创新能力的培养不够.

(4)从教学条件来看，由于学校硬件设施更新不到位，影响了所讲授软件最新版本的安装，导致学生所学习的软件版本与企业所使用的版本不同步.

(5)课程考核评价方式较为单一.一般仍然采用常规的平时考勤成绩加上课堂作业成绩和期末测试成绩的方法来评价学生课程学习的效果.考试的内容也偏简单，达不到企业对于应用型工程技术人才培养的要求.

(6)教学质量监控不够完善，教学目标是否达成缺少可行的评判标准，课程持续改进的动力与机制缺乏.

2 基于工程教育认证思想的课程教学改革实践

针对上述存在的问题，本文从课程教学目标、预期学习结果、课程教学内容、课程实施方法、课程考核评价办法、课程教学目标达成度测评、持续改进措施等几个方面阐述了工程教育认证导向下本课程教学改革的思路.

2.1 课程教学目标的确定

本课程是现代从事机械行业技术工作人员必需的一项专业技能课程，其教学目的是使学生掌握如何利用一种三维软件进行机械草图的绘制、零件的建模、零件的装配和零件工程图的建立，从而为专业后续相关课程设计、毕业设计、学科技能竞赛、参与科研课题研究及毕业后从事相关领域工作打下良好的基础.本课程对机械设计制造及其自动化专业人才培养知识—能力—素质毕业要求达成的支撑点与支撑程度(见表1).表中A1～A4对应于专业培养规格中素质的毕业达成要求，B1～B4对应专业培养规格中知识的毕业达成要求，C1～C9对应专业培养规格中能力的毕业达成要求.

表1 本课程对专业人才培养知识—能力—素质毕业要求达成的支撑点与支撑程度

表1中，•课程对专业人才培养各项指标点的支撑程度主要是根据支撑该项指标点的课程门数(如果一门课分几个学期开，则每个学期都单独算一门课)、该课程对各指标点的影响系数综合考虑而定，其计算方法为：

(1)

式(1)中：Si—第i个指标点的支撑程度；

Ni—支撑第i个指标点的课程门数；

φij—第j门课程对第i个指标点的影响系数；

m—指标点的数量；

n—支撑各指标点的课程门数.

如有的课程偏重传授知识，有的课程偏重培养技能，因而各门课程对各指标点的影响系数应不同.如支撑A1指标点的课程门数达到了99门，且本课程对A1指标点的影响系数为1，则本课程对A1指标点的支撑程度近似为0.01.

2.2 课程预期学习结果的确定

本文根据专业人才培养应达到的毕业要求，从知识、能力、素质三个方面，确定了本课程的预期学习结果(Intended Learning Outcomes，简称ILO)及其权重值(见表2).每个预期学习结果的层次及权重值要根据该项指标在课程期末综合测评成绩中所占比例而定.比如专业综合技能(C2)中所包含的分项预期学习结果“能应用参数化特征造型方法设计零件的三维模型(ILO-5)”，学生应达到的层次为应用级别(L3)，其在期末综合测评成绩中所占分值为35分，所以权重值定为0.35.表中的L2、L3是根据布鲁姆教学目标分类法确定的“掌握程度”，表示第二级、第三级[4].具体来说，L1表示认知，L2表示理解，L3表示应用，L4表示分析，L5表示综合，L6表示判断等.有的指标点不适合用布鲁姆教学目标分类法确定掌握级别，则采用优秀、良好、中等、合格来表示结果层次，如品德道德素质(A1)应达到良好级别等.

2.3 课程教学内容的确定

本课程以现今企业使用广泛的Pro/E(Creo)软件为主要教学载体，根据课程预期学习结果的要求，重点讲授零件二维草图绘制、三维零件设计、装配设计、工程图设计等几部分内容.在案例的选择上，尽可能选用企业的实际工程案例进行教学，同时为了激发学生的学习兴趣，增加了部分趣味性和新颖性案例教学，如五角星、轮胎、茶壶、茶杯、雨伞、风车等的三维建模.在大作业的安排上，采用了企业的实际项目作为教学任务布置给学生，同时考虑与新技术，如3D扫描、3D打印等结合.

2.4 课程教学实施方法

为了达到课程的预期学习目标，本课程采用了项目制课程教学模式，体现以学生为中心，实施CDIO工程教育模式[5-6]，通过一个个实际工程项目案例的构思、设计与实施，从简单到复杂，帮助学生达到知识、能力、素质的整体提升，并通过作品呈现方式提高学生学习的成就感.下面以齿轮的参数化设计项目为例，具体说明如何实施课程案例教学.

表2 本课程的预期学习结果(ILO)

齿轮作为一种常用的机械零件，在机械设计中得以广泛应用.在前期的机械原理课程中已讲述其工作原理与加工方法.本课程主要是利用三维CAD软件对齿轮零件进行三维参数化建模，以提高学生对齿轮的认知与理解，掌握参数化设计方法，并可为后续的齿轮机构运动仿真提供三维CAD模型.课程教学开始时，先进行任务布置，告知学生本次课需要完成的具体任务，然后进行任务分析，以及相关知识点的回顾，如齿轮各个圆的计算方法等.接着教师示范讲解齿轮的三维参数化建模过程，讲完后由学生自行操作练习.如果学生在建模过程中，有任何问题都可以通过与周边同学探讨，或咨询老师.学生可根据自己的学习能力，相继完成举一反三练习作业，以及课外作业等.在整个教学过程中完全体现了以学生为中心的概念，在教师做简要的任务布置与项目引导外，其余任务都由学生去思考完成，教师从旁辅导协助.如果教师在辅导过程中，发现大多数学生对于某个知识点都存在建模困难，则统一加以讲解.

除了常规的课堂教学外，本课程还采用了“线上线下”教学模式，建设了精品课程教学网站，并自行开发了手机APP.课程教学团队成员自行制作了案例教学微视频，放在网站上和手机上，实现教学资源共享，方便学生课外自学与内容巩固.

2.5 课程考核实施办法

为了对学生的学习情况进行综合测试，本课程采用了“知识+技能+态度”三位一体考核方式[7-8]，其中知识部分重点考核学生对所学工程知识的应用能力，如参数化设计、特征造型等，主要通过上课提问、平时作业等来测评；技能部分考核包括了专业硬技能和通用软技能考核.专业硬技能重点考核学生采用三维CAD软件分析解决机械工程问题的能力，主要通过平时作业、中期测试、综合项目等进行测评；通用软技能方面重点考核学生的团队合作能力、表达沟通能力等，主要通过平时作业、综合大项目等进行测评.态度部分重点考核学生的到课情况、上课的认真程度、回答问题的积极性，以及上课的一些行为习惯等，主要通过平时考勤、上课加减分等项来测评.具体各项考核项目及分值(见表3).

2.6 课程教学目标达成度测评

本文以浙江水利水电学院机自专业14级学生本课程的期末综合成绩为例，应用考核成绩分析法来评价课程教学目标的达成度[9](见表4)，单项预期学习目标的得分情况样例(见表5).学生样本采集中去除了本课程总评不及格需要补考或重修的学生.下面以ILO-5为例，具体说明各个分项预期学习目标达成度的计算方法.

ILO-5的达成度=所有学生ILO-5分项预期学习目标实际得分均值/ILO-5目标分值=31.3/35=0.89

进行课程预期教学目标达成度测评后，还需要计算本课程对专业人才培养知识—能力—素质毕业要求达成值的计算(见表6).

表3 课程考核实施项目

注：考核项目中，平时考勤与素质测评占10分；上课提问占5分；平时作业占20分；阶段性测试占12分；期末测试占43分；综合项目占10分.

表4 课程教学目标达成度评价

表5 ILO-5分项预期学习目标学生测评得分

表6 本课程对专业毕业要求达成值计算

各项指标的达成度计算公式如下所示(以A1项为例)，其余项计算方法类似.

A1的达成度=A1的目标支撑度×(A1学生实际得分均值/A1目标分值)=0.01×(7.6/8.0)=0.009 5

2.7 课程持续改进的措施

(1)适时开展课程教学问卷调查

在学期初、学期中各安排一次课程问卷调查.调查采用无记名形式，由学生填写相关调查内容，重点了解学生对本课程的认知程度、课程教学内容安排是否合理、教学进度是否适应、教学方法是否得当、作业量是否适中，以及课堂管理松紧度等，并进行教学满意度测评.教师根据学生的测评结果及反馈意见，及时调整教学内容，改变教学方法等，不断提高课堂教学效果.

(2)及时了解学生对任课教师的反馈意见

学校每个学期期末都要开展一次学评教，评教结果作为教师评选优秀教学奖、参评“优课优酬”课程的主要依据.教师可以借助于学评教成绩，了解自己的课程教学状况及存在的不足，并在下一次教学过程中予以改进.从评教系统的情况来看，学生对作者本人本课程的测评分为92.48分，在学院35位任课教师中排名第7，位居前20%，总体情况良好.不足之处在于：由于讲授的课程内容较为基础，对于机械学科前沿发展部分，如自顶向下装配、机构运动仿真、动力学分析、结构有限元分析等内容介绍较少，导致此项得分不高；另外在课后作业批改方面，由于平时工作繁忙，没有及时将批改情况反馈给学生，导致此项满意度相对较低.在后续的课程教学过程中，需要注意这些方面的问题，不断加以完善.

(3)进行课程教学目标达成度分析

根据学生的期末考试成绩得分情况，分析试卷各个题目的难易程度.根据学生的失分情况，分析教学过程中存在的问题与不足，并提出改进的对策与意见.根据课程教学目标达成度分析，了解在学生能力培养过程中，哪些方面还做得不够，存在的原因是是什么等，如何加以改进等.

(4)改善教学场所与教学设施

随着新技术的不断发展，软件版本也不断进行更新换代，功能也变得越来越强大，对电脑硬件的要求也越来越高.这就要求学校隔五六年就要对电脑等硬件教学设施进行更新，以满足软件更新的需要，使学生所学的知识能够跟得上企业发展的需要.

(5)提高教师的课程教学能力与水平

教师的课程教学能力与水平直接决定了学生所能达到的高度.随着新技术的出现，教师要与时俱进，不断学习新的知识与技术，不断学习新的软件版本.同时教师要多参与企业的实际项目开发，并将之应用在课程教学过程中，这样才能使得教学内容有血有肉，上课不至于照本宣科，索然无味.

(6)融合多媒体技术改进课程教学方法

随着科技的发展，越来越多的新技术新方法被用在课堂教学过程中，如慕课、微课、翻转课堂、互动教室、互联网+技术、虚拟仿真技术、手机APP等，以提高教师课堂教学管理的水平与教学效果.借助于虚拟仿真技术，学生可以了解三维CAD模型在数字化设计与制造过程中的应用.借助于所开发的课程教学APP，可以提高上课点名的效率，上课学生只有扫下微信，就可以自动签到.学生也可以通过手机，进行问题抢答、观看案例教学的微视频，实现课外作业的提交等.这样变堵为疏，将手机应用于课堂教学，彻底改变了原来学生喜欢上课玩手机的习惯.

3 结 语

将工程教育认证理念与标准应用于课程教学改革，不仅改变了传统“以教师为中心、以知识考核为导向”的教育教学观念，更重要的是为课程教学提供了质量标准.教师上课不再具有随意性，而是应以提高学生的预期学生结果为目标，不断改进教学方法，并提供过程资料证明自己达到了预期学习目标.本文以三维CAD课程教学改革为例，重点从课程预期学习结果、课程教学内容、课程实施方法、课程考核评价办法、课程教学目标达成度测评、持续改进措施等六个方面阐述了工程教育认证模式下课程的教学改革思路，给从事相关课程教学改革的老师提供一些借鉴参考作用，避免走不必要的弯路.

参考文献：

[1] 李志义.解析工程教育专业认证的学生中心理念[J].中国高等教育，2014(21):19-22.

[2] 李志义.解析工程教育专业认证的成果导向理念[J].中国高等教育，2014(17):7-10.

[3] 中国工程教育认证协会.工程教育专业认证标准[EB/OL].[2015-04-03].https://wenku.baidu.com/view/a406614ab

90d6c85ec3ac697.html.

[4] 顾配华，胡文龙，林 鹏，等.基于“学习产出”(OBE)的工程教育模式——汕头大学的实践与探索[J].高等工程教育研究，2014(1)：27-37.

[5] 赵富伟，徐金寿.应用技术型本科院校CDIO工程教育模式改革实证研究——以浙江水利水电学院为例[J].浙江水利水电学院学报，2017，29(3):84-90.

[6] 刘 锋，陈仙明.CDIO教育模式在逆向工程课程教学中的应用研究.[J].浙江水利水电学院学报，2016，28(5):84-87.

[7] 王红霞.三位一体考核在程序类课程中的应用[J].浙江水利水电学院学报，2017，29(1):83-86.

[8] 施高萍，项 春，王 莺，等.创新驱动下机械制图课程的教学改革[J].浙江水利水电学院学报，2016，28(5):84-87.

[9] 穆浩志，薛立军，徐 艳，等.基于工程教育专业认证的《工程制图》课程达成度评价研究与实践[J].模具工业，2017，43(5)：71-77.