面向应用型人才培养的三维CAD课程教学改革

单瑞霞

摘  要：为顺应社会高素质应用型人才的需求，针对三维CAD课程教学过程中教学内容脱离工程实践、教学方法脱离学生情况、考核方式脱离培养目标等问题，从基本学情出发，结合机械专业特点和三维CAD课程特色进行教学改革。在教学过程中采用任务驱动教学法并结合翻转课堂，以蜗轮蜗杆减速器的零部件绘制作为任务对象，设置不同任务难度，设置学生助教，提高学生的参与度和能力培养;采用过程考核、项目考核和上机考核相结合的考核体系，提高了学生的综合素质和职业素养。

关键词：三维CAD  教学改革  应用型人才  任务驱动  过程考核

中图分类号：G642                             文献标识码：A                    文章編号：1674-098X（2020）12（b）-0212-06

Abstract： In order to meet the needs of high-quality application-oriented talents in society， in view of the problems in the teaching process of 3D CAD course， such as the separation of teaching contents from engineering practice， teaching methods from students' situation， and assessment mode from training objectives， teaching reform was carried out based on the basic learning situation and combined with the characteristics of mechanical specialty and 3D CAD course. In the teaching process， the task driven teaching method combined with flipped classroom is adopted， and the parts drawing of worm gear reducer is taken as the task object， different task difficulty is set， and student teaching assistants are set to improve students' participation and ability training; the assessment system combining process assessment， project examination and computer examination is adopted to improve students' comprehensive quality and professional quality.

Key Words： 3D CAD; Teaching reform; Applied talents; Task driven; Process assessment

随着我国经济转型，科技的快速发展促进社会对高素质应用型人才的需求不断提高，应用型本科人才是应用型人才的重要组成部分，应用型本科人才的培养应当以能力培养为导向[1]。《三维CAD》是本科机械类专业一门专业基础课，主要学习计算机辅助设计的概念、计算机辅助设计的技术和方法、工程图样的表达理论及方法[2]，促进机械类专业应用型人才的培养。在工程实践中，采用三维CAD软件能够快速地进行设计和创新、优化设计、设计协同、展示交流、3D打印等，促进了机械类专业应用型人才的发展[3]。因此，本课程的学习对于完成后续课程的课程设计、参加机械类竞赛、完成毕业设计等具有辅助作用;对学生毕业后能否快速适应工作岗位，在工作岗位上是否具有职业发展空间也具有重要作用。

1  课程教学现状

三维CAD课程的教学不仅仅是三维CAD软件的教学，还强调与机械设计制造理论知识相结合来辅助设计。通过“问卷星”对烟台大学文经学院机电工程系2017、2018级在校生和2020届毕业生发出调查问卷“通过《三维CAD》课程的学习，您是否能够熟练使用三维CAD设计工具完成课程设计、毕业设计”，图1是调查问卷结果环状图，仅45.24%能够熟练使用，大部分学生还不能使用三维CAD软件来表达自己的设计方案和意图，说明三维CAD课程的教学还不能达到培养应用型人才、培养面向机械行业的具有可持续发展的工程师的培养目标。

三维CAD是操作性、技巧性、应用性很强的课程，近年来很多院校的学者对CAD课程的教学进行了一系列的改革，取得了很好的成果。贲宗友等对SolidWorks课程使用信息化、项目化教学和多元化考核，培养学生工程实践能力和创新能力[4];杨万理等针对土木工程计算机绘图（CAD）采用任务驱动+翻转课堂方式开展教学，提高了教学质量并缩短了课时[5];刘敬等构建了计算机辅助工业设计（CAID）课程多元化考核体系，培养了学生综合素质[6];等。但针对机械类专业三维CAD课程的教学仍存在一些普遍的问题，主要体现在以下几个方面。

1.1 教学内容脱离工程实践

三维CAD课程的教学内容与先修课程《机械制图》、《机械原理与设计》等课程的教学内容缺少关联，注重对绘图命令的讲解和练习，选择的练习模型主要用于辅助绘图命令的演示和训练，与工程实例关联不够。在三维模型绘制的过程中缺乏对模型的形体分析，忽略了模型结构设计是否合理性、是否方便加工、是否符合装配要求，导致绘制的草图设计不合理、建模思路混乱、模型修改和装配不方便。例如，一个比较典型的问题是学生在绘图时不注意坐标原点的位置，图2是箱盖的两种建模方法，图2（a）坐标原点处于箱盖底面的中间，图2（b）坐标原点处于箱盖底面的一个顶点上，显然，图2（a）关于基准面对称，建模更方便，更符合零件的结构特征和装配要求。

1.2 教学方法脱离学生情况

目前，三维CAD课程的教学方法主要有两种：一种是“PPT讲解+上机演示”，以教师为主体，教师详细讲解三维CAD软件命令的操作方法、绘图思路、注意事项，也可以结合实例讲解设计思路、简易便捷画法，学生通过练习来巩固知识点，但这种方法占用课时长，学生被动学习，知识点容易遗忘;另一种是“翻转课堂”，以学生为主体，课下学生根据自己学习情况，通过观看老师发布的视频、资料或自行查阅资料随时随地自主学习，课上与老师、同学进行交流讨论遇到的疑点、问题，但这种方法学生不容易确定自身学习目标，课下学习时观看的微视频一般短小精简，学生对绘图命令的学习较容易，但绘图思路、与机械设计制造理论知识结合来辅助设计的方法不宜学习。

此外，选修这门课程的学生有些参与过机械类的竞赛，对三维绘图软件有一定的基础，有些学生机械制图、机械原理与设计等基础知识较薄弱，针对不同学情采用相同的教学方法，会造成本课程对有基础的同学缺乏挑战性，失去吸引力，对基础薄弱的同学挑战太大，失去学习兴趣。

1.3 考核方式脱离培养目标

三维CAD现有的考核方式主要是以平时成绩和上机考试形结合的方式，平时成绩主要包含考勤情况、学习情况、作业情况、课堂表现等，上机考试是在规定的考试时间内完成指定的零件图的绘制、组装装配体、制作工程图，由教师根据完成情况和质量打分。这种上机考核方式以软件操作作为主要考核内容，缺乏对知识的理解与应用，容易让学生产生三维CAD课程就是学习三维软件操作的误区，在绘图时不与机械设计制造理论知识相结合、不考虑零部件的结构特点及功能要求，造成只会使用三维软件抄画图，不会有效地表达自己的设计意图，难以实现培养应用型人才的目标。

2  基于任务驱动的教学改革

根据目前三维CAD课程的教学存在的问题并结合学生情况，为提高教学水平和课程质量，提升学生的工程实践能力和职业胜任力，将“任务驅动教学法”应用到三维CAD课程教学中并进行了教学设计。

2.1 任务驱动教学法

任务驱动教学法，是以任务驱动学生主动学习新知识新技能的一种教学方法。整个教学的环节中，教师根据教学目标分解成若干个具体、实用的任务，引导学生提高学习新知识新技能来完成任务，通过理论知识与工程实践相结合完成任务，提高学生分析问题、解决问题的能力，培养学生沟通能力和团队协作能力[7-8]。

任务驱动教学法任务的分解由教师完成，任务要具体、可操作、可考核并具有不同的难易程度以满足不同学情的需求，任务由学生独立完成或团队合作完成，任务完成后学生互相交流经验、教师解答疑难问题、师生共同评价。整个教学环节流程图如图3。

2.2 基于任务驱动的教学环节设计

三维CAD课程是通过三维CAD软件的操作与《机械制图》、《机械原理与设计》等课程的知识综合运用来完成设计，以保证学生能绘制出结构合理、可加工、可装配的零部件。针对不同的学情本课程的培养目标等级也有一定差异，培养目标等级如表1所示，基础薄弱的同学完成初级目标即可，即掌握三维CAD软件绘图方法;普通同学需要达到中级目标，即在使用在三维CAD软件绘图的同时要综合其他理论知识以保证零部件图符合结构特征、设计加工装配要求，并便于后续修改和优化设计;有基础的同学可以达到高级目标，即能够使用三维CAD软件辅助设计，表达自己的设计思路和意图。采用“任务驱动教学法”教学的过程中要根据不同的学情设置不同难度的任务以满足不同的学生需求，达到培养目标。

蜗轮蜗杆减速器是机械专业学生常见的机械产品之一，其结构如图4所示，主要包含箱体、箱盖、传动轴、锥齿轮、轴承、端盖、蜗轮、蜗杆、螺栓等零件，既有一般零件也有标准零件，既有结构简单零件也有结构复杂零件，在使用三维CAD软件绘制蜗轮蜗杆减速器零部件图时涵盖了草图设计、特征建模、制作工程图、组装装配体、生成爆炸图、运动仿真、模型渲染等知识点，也是机械制图、机械原理与设计、机械精度设计、机械制造工艺等知识的综合运用。因此，在三维CAD课程教学过程中设置的任务可以以蜗轮蜗杆减速器作为主要对象。

教师根据培养目标把任务进行细化，保证每个任务包含所要学习掌握的知识点，且每节课所要完成任务能把知识点串联起来，为提高学生参与度，可把学生设为助教，辅助教师完成一些教学环节，图5为学生助教辅助教师发布作业要求。在教学过程中教师提前一节课发布任务，如发布绘制蜗轮蜗杆减速器传动轴（如图6b所示）的任务，并设置不同的难度的任务目标：初级目标是根据给定的零件图能够绘制出传动轴，中级目标是绘制的传动轴准确并符合结构特征和使用要求，高级目标是根据使用要求能完成传动轴的设计并绘制出来;然后引导学生分析传动轴的作用和使用要求，考虑传动轴的制作和装配过程，并进行形体分析，确定建模思路，建模过程用到三维CAD命令操作是本节要教学的知识点;教师把为完成本任务需要学习的新知识点的教学视频和结合实例讲解视频上传至“云班课”，如图7所示，课下学生根据个人学习情况观看教师提供的资料或自行查找资料进行学习，完成新知识点的学习后制定最优建模思路;课上学生根据学习的内容并结合理论知识进行小组讨论，教师针对疑难问题进行解答，小组讨论出建模效率更高、更符合结构特征的建模方案并完成传动轴的绘制，可以根据教师提供的图纸或模型数据进行绘制，也可以根据使用或功能要求完成传动轴的设计和绘制;在任务完成后，小组各自汇报本组最佳方案，由教师和其他组对其进行评价（如图8所示），组员间根据完成任务过程中的表现进行自评和互评;最后，学生通过练习进一步理解和巩固所学知识点。为与工程实践相结合，教师提供的练习也是齿轮泵、球阀、虎钳、千斤顶、圆柱齿轮减速器等学生常见的机械产品上的零部件;为提高学生的兴趣，也可提供一些趣味性的练习。部分任务需完成的零件图如图6所示，任务的内容及所包含的知识点、关联知识点、翻转课堂主要内容如表2所示，每完成一个任务学习2～3个新的知识点，贵精不贵多，所有任务完成后能掌握常用的知识点和计算机辅助设计方法。

在完成任务的过程中需要学生协作完成任务，培养学生的团队精神和沟通能力;在完成任务的过程中需要把理论知识与工程实践相结合，培养学生分析问题、解决问题的能力，并理解理论与实践的辩证关系;在完成任务的过程中要保证产品结构尺寸规范、可加工、可装配，培养学生在表达设计理念时严谨规范、追求卓越的工匠精神;在完成任务后的交流点评，培养学生勇于表达自己的观点、虚心接受别人的评价和认真负责的工作態度。

3  课程考核体系

为达到应用型人才培养的目标，对三维CAD课程考核体系进行改革，加强学习过程考核和综合能力考核，整个教学环节也是考核环节，考核包括过程考核和综合考核，考核方法如表3所示，具体如下：

（1）过程考核中，课堂表现主要考核学生出勤情况、学习态度等，由教师进行评价;任务完成度主要考核学生表达能力和团队协作能力，由组间学生互评;任务参与度主要考核学生专业素养和自我认识，由学生自评;作业主要是课堂练习和阶段测试，作业完成情况主要考核学生软件操作技能和理论知识运用能力，由教师评价和组内学生互评共同评价。

（2）综合考核中，项目考核是每小组从已修完的《机械制图》的测绘、《机械设计》的课程设计或《机械原理》的课程设计中任选一个项目，使用三维CAD软件完成项目的绘制，由小组成员共同完成，主要考核学生的综合素质，由教师根据项目完成质量进行评价、组内学生根据参与度和贡献进行互评;为防止个别学生在小组活动中偷懒不学习，继续保留上机考试，上机考试主要考核软件操作水平，由教师根据绘图效率和质量进行评价。

4  结语

为培养应用型人才，针对三维CAD课程目前存在的问题，从基本学情出发，结合机械专业特点和三维CAD课程特色进行教学改革，采用“任务驱动+翻转课堂”的教学模式和“过程考核+项目考核+上机考核”的考核体系，培养学生工程设计能力和职业素养。在整个教学的过程中培养社会需要的有较强社会责任感和职业胜任力的高素质应用型人才。

参考文献

[1] 薛玉香，王占仁.地方高校应用型人才培养特色研究[J].高等工程教育研究，2016（1）：149-153.

[2] 尧燕.依托三维工程图学培养学生设计创新能力的探索[J].图学学报，2017，38（1）：119-122.

[3] 蔡海毅.三维CAD技术在机械设计中的应用[J].河南科技，2020（5）：57-59.

[4] 贲宗友，孙啸，孙艳辉，等.应用型本科院校SolidWorks课程教学改革与实践——以滁州学院为例[J].黑龙江工业学院学报：综合版，2019，19（1）：10-14.

[5] 杨万理，王宁，王广俊.土木工程计算机绘图教学改革研究与实践[J].图学学报，2020，41（2）：319-324.

[6] 刘敬，刘衍聪，曹清园，等.面向综合素质培养的CAID课程考核体系构建[J].图学学报，2018，39（6）：1220-1224.

[7] 徐肇杰.任务驱动教学法与项目教学法之比较[J].教育与职业，2008（11）：36-37.

[8] 孙梦馨，冯勇，郑璐恺，等.任务驱动式应用型本科机械制图CAD课程教学模式探索[J].教育教学论坛，2020（29）：247-249.