基于CDIO的《3D工程设计》课程教学改革探讨

李玉胜 董小娟 王洪泉 董保香

摘 要 分析了传统的《3D工程设计》教学现状，针对教学过程中存在的问题，将CDIO理念贯彻到教学过程中，实现了授课内容与专业课知识相结合、与工程实践及实训相结合、符合考核方式等多项教学改革，经过多年的教学实施，实践证明该教学改革效果显著。

关键词 CDIO 3D工程设计

中图分类号：G642文献标识码：A

0引言

CDIO即构思-设计-实现-运行，是由麻省理工学院、瑞典查尔斯技术学院、瑞典皇家工学院和瑞典林克平大学等国际知名高校，经过四年的探索研究创立而形成的一种新型的国际工程教育模式。相较于传统教学模式，CDIO更加注重对学生能力的培养，其能力评价指标包括基础能力、综合能力、应用能力和创新能力。目前三维技术的成熟发展已经成为现代设计方法中不可或缺的重要组成部分，对于本科生毕业后走向工作岗位有重要意义。针对《3D工程设计》课程，基础能力是指学生对软件基本命令的掌握，能够建立一般三维模型;综合能力是在画图过程中，对图纸的理解，分析建模方法，形成建模思路，最后建立所需三维模型;应用能力是将三维软件与工程实际或者所学理论应用结合起来，例如用三维软件解决实际的产品设计;创新能力是在软件的支撑下对机电产品创新设计等。迄今为止CDIO已经实施多年，我们以这四种能力为导向进行课程教学改革，解决了传统课程教学存在的弊端和缺点，结合工程实际，融合其他专业课，形成“应用驱动，项目为载体，实践相结合，专业课程融合”的一体化教学模式，培养学生的应用实践能力，知识融合能力，产品创新能力，符合我校着力培养“基础厚、能力强、素质高、具有创新精神的应用型高级专门人才”的目标。

1教学现状分析

《3D工程设计》是我校机械工程学院机械电子工程专业、机械制造与自动化专业、机械设计专业的必修课，也是农业工程与食品科学学院的机械设计制造及其自动化、农业机械化及其自动化专业必修课，是工程实训中心CDIO培訓、国家骨干教师培训、中职培训等核心课程。传统的《3D工程设计》主要上课方式大多是采用讲解命令+案例+练习+交流的方式，这种方式主要着重于本课程的学习，缺少和专业课程的衔接之间知识的交互融合，缺少对CDIO这种理论实践相结合模式的支持，学生能够掌握孤立的命令和中低难度模型的建立，对于实际产品设计流程、对于机电一体化产品设计知识点以及与各专业课之间的融合涉及较少，学生无法掌握产品真正的设计流程。这种教学过程中采用教师知识传授为主、学生被动接受的方式，使得学生主动性学习不高，淡化了学生实际能力的培养和训练。同时在对企业所做的调查中，不少企业埋怨“高校的毕业生花拳绣腿，设计出来的东西不切实际，如结构不合理等等”。

在机电专业CDIO执行过程中，发现《3D工程设计》与高等数学、理论力学、材料力学、机械原理、金属工艺学、机械制图测绘、画法几何与工程制图、机械设计、机器人技术及应用、网络协同设计与制造技术、先进制造技术、智能工程与专家系统、自动化制造系统、数控技术、机械制造装备设计、机械制造技术基础、数控技术、机电系统仿真技术、工业设备及自动化、冲压工艺及模具等相关课程都有知识上的关联，3D工程设计不仅仅是画图，而是各种专业知识的三维表现。学生在学习过程中，能很好的掌握本门课的知识，但课程之间的关联性理解不够深入，学习的结果是获得了多种孤立的专业知识，对于如何用所学知识设计出一定功能的产品没有概念，也不了解自己所学知识在整个产品系统中的地位，导致只见树木不见森林的现象。

2教学改革

2.1《3D工程设计》与其他专业课知识融合

通过《3D工程设计》与其他专业课之间的交互融合，使学生对于专业知识和软件都有了更深入的理解，更加深入的理解所学专业知识;反过来，对专业知识的深入认识，更进一步发挥了软件的功能。例如在授课时，把学生用AutoCAD绘制的《机械制图》课程的图形，导入到软件，然后利用对实体操作的平移、旋转、拉伸、布尔运算等命令获得实体，在此过程中，同学们不仅仅对软件的命令更熟悉，而且对《机械制图》的各种视图的制作及标准，有了更深的认识。例如用3D软件的表达式生成规律曲线，结合高等数学的公式，把描述曲线、曲面的公式等，用3D软件以三维模型或者曲线曲面的的状态显示出来，这不仅仅熟悉了软件中插入公式曲线等相关命令，而且让同学们对《高等数学》有了更加形象的认识。

同时我们布置了与专业课程相关的作业，例如用3D软件（UGNX、SolidWorks…）中任意模块或者任意命令，结合自己所学任何课程中的例题、练习题或课后题，可以是一完整的问题，也可以是问题中的一部分。给出两种解答方法：一种是该课程的解答方法，第二种是采用3D软件的解答方法。然后对比这两种求解方法，写出心得体会。以下是某同学的作业：（1）问题来源：机械电子工程2013级《理论力学（A）》，课程代码B12004，教材《理论力学》第六版，哈尔滨工业大学理论教研室编，高等教育出版社，第211页例9-10;（2）问题描述：在椭圆规的机构中，曲柄OD以匀速度W绕O轴转动...求AD的角加速度和点A的加速度;（3）应用《理论力学》知识解答……;（4）应用UG软件求解……;（5）对比两种方法的优缺点：用理论力学知识求解精度高，而用UG仿真求的为近似解，但是用仿真优势明显，比如使用UG可以直接生成整个运动周期的所有点的速度、加速度、位移等数据及曲线;这是使用手工运算无法达到的，而且使用软件效果更好，速度更快，更加灵活多变;（6）自己的心得体会：掌握一门软件很重要！当我们能深入的了解掌握一门软件时，我们便能灵活运用这门软件，这时，我们就会发现所学的知识原来还有更好的解算方案，这对以后的应用很有好处，而通过此次作业我对UG软件又有了更加深入的了解和掌握，对命令的运用更加自如，学到了很多的新知识，开阔了视野，同时也回顾了已经学过《理论力学》的知识，对这些知识有了更深入的理解，对此我很高兴！

2.2《3D工程设计》与工程实践相结合

学生学完基本模块，具备基本三维建模能力后，采用企业实际案例教学，如常见的减速器、山东贝特尔车轮有限公司的轮毂、山东飞马索道缆车有限公司的索道运载工具等，采用实际产品图纸作为教学案例。对产品设计非常感兴趣的同学，还可依托教师的科研课题项目，直接参与企业产品的设计研发中，并把该设计当做后续的毕业设计，在此后一年多的时间中，进行持续的改进设计图纸，最终投入生产中。例如机电2012级四位同学设计参与山东飞马索道缆车设备有限公司的二人吊篮设计，通过了国家客运架空索道安全监督检验中心（国内唯一获得国家质检总局全部客运索道项目核准，负责全国范围客运索道所有类别检验与技术服务的国家级综合检验机构）的文件审查鉴定与50万次的型式试验，最终投入生产实现产业化，目前首批产品在广东云门山景区客运索道运行良好。其毕业论文《FM-2M吊篮结构设计与分析》被评为校级优秀论文。学生在参与工程实践过程中有深刻体会，感慨到终于知道所学知识的用处了。通过本课程与企业实际产品的相结合，以企业实际需求为导向，采用项目驱动法，复现软件和专业知识在企业中的实际的产品设计工艺生产的应用，让学生体会了如何用软件和专业知识解决企业实际问题。

2.3《3D工程设计》与实训环节的融合

我们机械电子工程专业建设了“CDIO机器人测绘与设计”和“CDIO机器人控制与检测”两个校内实训平台，《3D工程设计》课程后期的学习与“CDIO机器人测绘与设计”相结合，在学習软件的过程中，也顺便提前了解测绘的相关知识，提前掌握测绘相关的命令方法和流程，同样在后续的测绘过程中，反过来更加深入的掌握所学软件。通过以机器人测绘设计为主线，把所涉及到的专业知识、软件工具融合在一起，实现构思、设计、实现和运作整个过程，让学生在走出校门前就切实的体会到企业产品设计开发的流程，以及软件专业知识对企业的帮助，使学生对学习的目的更加明确。

2.4《3D工程色合计》考试方式改革

按照工程教育认证的思想，最后的成绩分两方面确定，平时成绩占总成绩的40%，最后的考试成绩占总成绩的60%。基础性知识采用题库考，专业性知识用论文、大作业等形式来考查，使得学生对知识的把握得到全面的推动和深入。我院从2011年开始与“北京菁华锐航科技有限公司”合作，基础性知识的考核是采用该公司提供的相应软件的原厂认证考试题库，例如UG考试是采用西门子UG原厂认证考试试题，分数超过认证标准分数后，学生可自主决定是否要UG原厂认证证书。这样学生在学习课程的过程中，不仅仅掌握了软件，而且还顺便获得证书，节约了时间，节约了培训费用，激发了学生学习积极性，也减轻了老师出试卷的工作量。

3教学效果与总结

从出勤率来看，在不点名的前提下，出勤率有明显提高，同时学习认真程度有不小的提高，课后作业积极性变强，提高了最终考试成绩。《3D工程设计》与专业课程的结合，用软件的强大功能解决专业课程中所提到的问题，以及软件、理论解决方法之间的比较。通过知识的反复应用，使学生对各门课的知识达到融合的状态，促进了学生对课程的深入理解与交互融合，许多学生恍然大悟，终于明白各门专业课知识的脉络关系了。《3D工程设计》课程与社会实践相结合，使学生切身体会到知识的用处，体会到自己的价值所在，对学习目标有了明确理解。总之将CDIO理念贯彻到教学中，经过多年的实施，获得了良好的效果。

参考文献

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