以学生为中心的“三维实体建模与设计”课程教学改革与实践

慕光宇，潘澜澜，蔡卫国，石米娜

(大连海洋大学 机械与动力工程学院[中新合作学院]，辽宁 大连 116023)

0 引言

随着计算机技术的迅猛发展，三维CAD 技术已成为机械类专业学生必须掌握的基本技能之一。“三维实体建模与设计”课程在应用型本科院校机械专业的教学中起着非常重要的作用[1-2]。该课程通常以Pro/E、UG、Solidworks或Inventor等三维设计软件为主要手段，辅助完成机械零部件的造型设计、部件装配设计及工程图绘制，利用Motion 模块功能进行机构分析以及基于三维实体模型的产品开发设计。然而，以教师为中心的传统教学模式常常让学生感到枯燥乏味，难以提高学生分析问题、解决问题的能力，使其除认知以外的其他素质无法得到拓展，学生的主动性、积极性难以发挥。为适应当前社会需求，培养一批合格的机械专业人才，则需要采取以学生为中心的教学模式，提高学生在学习中的主体地位，真正实现高校教师从“主演”到“导演”，学生从“观众”到“演员”的角色转变[3-4]。

1 传统教学模式的弊端与课程建设思路

“三维实体建模与设计”课程的传统授课方式为理论课+实验课。理论课上教师以技能操作知识点为主线进行教学，通过“讲解—示范”全面地讲授建模的相关技术、技巧；实验课上学生进行自主练习。由于学生在课余时间没有预习，这种方式会导致教师的理论教学和学生的实际操作相脱节。因此，有必要改进教学方法，把知识的传递安排在课前，把知识的内化安排在课内，促进学生思维认知能力和解决问题能力的提高。

目前，在教学过程中以多媒体演示为主，学生无法边听课边做笔记。网络教学平台可以为师生开展网络辅助教学服务，支持教师与学生进行网上互动式教学活动，同时“翻转课堂”教学也需要借助网络教学平台的支持。因此，该课程的教学手段应随着教育教学技术手段的发展而改进和更新。

在实践过程中，多数学生只会僵硬地套用命令，无法将命令使用与机械零件建模需求联系起来，难以做到学以致用。因此，有必要让学生对工程设备进行机械测绘，增强学生对于机械结构方面知识的感性认识，再运用计算机软件建立三维实体模型，正确表达零件内外结构以及装配关系，真正让学生对所学知识融会贯通、学以致用。

针对这些问题，注重实施以学生为中心、以能力培养为中心的教学策略，利用网络课程平台，采用“翻转课堂”教学模式，改变传统的课程教学结构；通过“任务驱动”教学法提升学生主动获取知识和解决问题的能力；鼓励学生进行产品创新设计，提高学生的动手实践能力、思维能力和探究能力。

2 以学生为中心教学模式的课程改革措施与实践

2.1 建设网络课程资源

网络教学平台是为师生开展网络辅助教学服务的支撑平台，可以展示课程的各种教学资源。“三维实体建模与设计”课程需建设的网络资源有：教学课件、微课视频、习题测验、专业特色案例库等学习资料，既方便学生自主学习，又便于师生互动交流。教师通过网络教学平台可以监督学生的学习过程，查看每名学生的学习记录和班级学生整体学习情况统计。

2.2 基于网络教学平台的翻转课堂教学模式

引入翻转课堂教学模式，课前教师通过网络平台发布新课程的“自主学习任务单”，学生通过教学课件、微视频、电子教材或网络自主学习三维软件的建模命令，完成教师所设计的练习作业题，并针对所学提出问题。课堂上，教师通过知识点提问、自主讲解等方式，检验学生课前自学的学习效果，发现学生在自学时存在的问题以及还未理解和吸收的知识点。引导学生观察总结各类模型的基本特征，讲授建模工具的选择方法和建模思路等，与学生交流、讨论，并布置新任务。

2.3 “项目引领，任务驱动”教学方法

采用“项目引领，任务驱动”的教学方法，将课程分为4个教学项目，每个项目设计模块化的学习任务，如图1所示。将机械测绘与三维建模技术结合，选用机械产品中的千斤顶、减速器、夹具以及齿轮泵、旋涡泵、高压油泵等船机设备实施教学，提高学生的综合素质和动手实践能力。

图1 课程教学设计

课堂上将学生分组(2～3人为1组)对工程设备进行工作原理分析，拆卸、安装并使用测绘工具如钢板尺、游标卡尺、内外卡钳、各种螺丝刀等对各零件进行测量，了解零部件之间的装配、连接关系，徒手绘制零件草图，在三维立体和二维图纸间进行空间思维转换，应用三维软件进行实体建模，学生组内协作探究，发现问题并及时修改，教师一对一地进行个性化指导。学生实践作业如图2所示。

图2 学生实践作业

此外，立足于课程学习内容，鼓励学生结合人因工程学、液压传动、机电控制等所学知识，进行人机交互或节能创新产品的创新设计，积极参与大学生竞赛活动。通过网络平台或3D打印技术，展示部分课堂和课外优秀作品，以提高学生的学习积极性，激发其学习兴趣。

2.4 改革考评机制，对教学过程和质量进行控制

注重对学生平时学习过程的考核，使考核机制更加合理。考核机制要起到引导、推动、辅助学生自主学习，帮助学生理论联系实际，提高实际分析判断能力的作用。教师需通过观察学生在学习、讨论、探究和解决某一实际任务过程中的学习表现，对其行为和技能等做出评价。采用过程考核占50%、期末考核占50%的课程考核总成绩比例，过程考核又可分为出勤、自主学习情况、课堂表现、测绘成绩、团队项目完成情况等，多角度衡量学生在学习过程中的表现以及对知识和技能的运用能力。

3 结语

利用网络教学平台的翻转课堂教学模式改变了传统的课堂教学模式和结构，学生在教师的指导下提升了自主学习、思维认知和解决问题的能力，其还能够根据实际情况掌握学习进度，从学习过程中获得优越感。通过采用“项目引领，任务驱动”教学方法，将机械测绘与三维建模技术相结合，既能增强学生对机械产品或船机设备工作原理的认识，又能提升其三维建模软件的应用能力以及综合运用知识的能力。在课程改革中，采用多样化的教学方法和互动式的教学方式，能够使学生的工程实践能力和创新能力得到大幅度提升。