面向新工科的计算机辅助设计课程教学改革

陈亚洲，荣 星，王 琳，胡志超

(1.集美大学机械与能源工程学院，福建 厦门 361021;2.集美大学计算机工程学院，福建 厦门 361021)

自2017年教育部启动新工科建设以来，“复旦共识”“天大行动”和“北京指南”等极大地促进了国内高等教育改革与创新[1]。新工科建设强调以立德树人为引领，以应对变化、塑造未来为建设理念，以继承与创新、交叉与融合、协调与共享为主要途径，以培养未来多元化、创新型卓越工程人才为根本目标[2]。新工科建设是主动应对新一轮科技革命和产业革命的战略选择。创新型卓越人才的培养需要落实到具体的教学环节和具体的课程，新工科建设需要我们主动变革、积极作为，笔者具体探讨如何以新工科理念引领计算机辅助设计课程教学改革。

一 课程简介

(一)课程培养目标与地位

计算机辅助设计是机械设计制造及其自动化专业一门重要的专业技术基础课程，目的在于培养学生三维设计思想。希望通过该课程的学习，让学生理解机械零件和机械系统设计是一个将平面和空间、静态和动态融为一体的过程；希望通过该课程学习，使得学生能将理论知识综合应用于工程设计实践过程中。该课程对学生大学期间后续的应用专题实践、专业课程设计、毕业设计以及机械设计创新大赛、互联网+大赛、挑战杯课外学术科技作品大赛等各种创新、创业和创造活动起着非常重要的支撑作用。学生只有熟练掌握好了该课程讲授的三维建模方法，才能对创意、创新与实践成果进行良好的表达、展示与呈现。

(二)课程设置

通过网上调研，发现不同层次高校该课程设置存在一定的差别。例如，研究型大学通常开设“CAD/CAM原理”进行计算机辅助设计课程教学、强调让学生掌握扎实的理论基础知识，普通应用型本科院校一般结合三维建模软件(例如CATIA、UG、Pro/Engineer等)进行计算机辅助设计课程教学、强调学生应用能力培养。三维建模软件的讲授也有多种形式，其一是结合工程制图课程在学生学习完二维绘图后进行三维建模软件的讲授，其二是单独设置一门课程进行三维建模软件的讲授。集美大学机械设计制造及其自动化专业采用后一种形式，即单独设置一门课程、基于三维建模软件Pro/Engineer Wildfire 5.0进行计算机辅助设计课程教学。

二 改革前课程存在的问题

传统的计算机辅助设计课程教学以软件操作界面、常用命令和参数设置、建模过程以及实例讲解为主，这实际上是一个“知识”传授过程而不是对学生进行“能力”培养的过程。虽然学生普遍反映课堂教学效果不错，但是通过对新工科建设相关文件和精神的深入学习，发现该课程已有教学模式与新工科建设理念相差甚远[3-5]，需要站在学生毕业后长远成长与发展角度，对课程教学进行重塑。

如何在课程教学中实现“以学生为中心”“以学科交叉与融合为途径”“以在真实情景下对学生进行工程实践与创新为目标”，从而达到“以工程实践为核心对学生进行能力培养”。通过企业走访、对学生进行问卷调查和课程教学团队集体反思，发现需要解决以下问题：

1.在课程教学中如何让学生脑子动起来、耳朵竖起来、眼睛停不下来、心动起来、手勤快起来从而实现“以学生为中心”。

2.如何让学生具备在不同三维建模软件之间快速迁移能力，使得他(她)们实践与创新成果表达不受具体建模软件制约。该课程采用三维建模软件Pro/Engineer WildFire5.0进行教学，学生毕业后到企业使用的可能是CATIA、UG NX、Inventor、Solid Works和CAXA等不同的三维建模软件，实际上学生在学校期间跟随不同的老师从事科技创新活动时，使用的也可能是不同的三维建模软件，因此需要让学生掌握不同三维建模软件之间的共性思维[6]。

3.软件技术日新月异，学生在学校期间学习的三维建模软件，当他们还没有走出校门可能就已经不是最新版本。例如参数化技术公司每年推出一款新的Creo版本，最新的Creo为7.0版。为此，需要考虑如何提高学生自主学习和终身学习能力，以应对变化。

4.在讲授三维建模软件知识的同时需要实时导入专业知识，引导学生在模型构思时考虑经济、健康、安全与环保等因素，潜移默化之中实现学科交叉与融合。

5.该课程是计算机辅助设计(Computer-Aided Design)，设计面临的是不确定性的环境、不确定性的问题，为此需要提高课程难度、增加课程挑战性、提供课堂问题非标准性解答，从而培养学生创新思维与创新精神。

三 新工科背景下课程改革思路

(一)转变理念、强化教师对课程的引领作用

理念是行动的先导。进行课程改革，教师自身必须首先转变观念、提高认识。新工科建设强调“以学生为中心”，这不仅没有弱化教师地位和作用，实际上对教师提出了更高要求。教师要积极贯彻创新型、综合性、全周期和开放式人才培养理念[1，4]，积极学习以产出为导向的人才培养理念，身体力行“全员、全过程、全方位”育人，在更高的层次上对学生进行引领。

为避免学生学习时陷入建模操作和建模命令的简单模仿，需要教师对课程教学做好顶层设计，让学生从建模命令和建模步骤的记忆过程转变为设计思维的训练过程，按照成长型思维培养模式导入教学内容、开启学生心灵窗口、启迪学生思维、鼓励学生迎接挑战[7]。对建模方法举一反三、让学生不拘泥于寻求固定答案，鼓励学生寻找多种可能的建模策略和建模方法，实现“以学生为中心”。

要让学生自主学习和终身学习，教师首先必须自主学习和终身学习。计算机辅助设计教学软件日新月异，新的建模方法(例如多学科协同设计法、行为建模法、自顶向下建模法、灵敏度分析法、同步建模法、创成式设计法等)不断推出，新的教学方式不断涌现(例如可汗学院、翻转课堂、线上线下混合式教学、微课、慕课、雨课堂等)，新的教学方法和学习方法层出不穷(例如探究式教学、启发式教学、讨论式教学、构思—设计—实施—运行CDIO学习法、基于问题/基于项目PBL学习法、成长型思维学习法等)，这些都需要教师自主学习以汲取各方面新的营养[6-9]。教师身体力行、率先垂范、乐于学习、不断进行能力提升，才能在更高的层次上带领学生前行。

(二)以工程教育专业认证为抓手，推进课程教学改革

工程教育专业认证是新工科建设的基础版，只有打造好了基础版才能升级到高级版。课题组以工程教育专业认证为抓手，通过组建计算机辅助设计课程教学团队、通过对工程教育专业认证标准深入学习、重新制定了计算机辅助设计课程大纲。

针对原来课程大纲中课程目标描述不合理，注重知识的传授而未能体现对学生能力培养的问题，将课程培养目标定位为标准中的指标点5.2和指标点5.3。根据“使用现代化工具”能力要求，依照现代工具学习、应用和提升的递进关系，将计算机辅助设计课程能力培养目标分解为由低到高的三个层次：(1)掌握计算机辅助设计软件基本使用方法。(2)能选择与使用合适的建模命令和建模方法。(3)能开发或选用计算机辅助设计建模方法并理解其局限性。按照上述三个层次组织教学过程，要求所有学生能力培养目标达到第二层次，希望80%以上的学生能力培养目标达到第三层次。通过达成度分析，不断改进教学过程和教学方法。

四 课程改革实践

(一)学生达成第一层次能力培养目标教学实践

第一层次能力培养目标是让学生“掌握CAD软件基本使用方法”。可以设计两种教学模式进行这种能力的培养。模式一，教师先进行命令的讲解，然后通过实例展示命令使用方法，接着让学生通过练习巩固与提高；模式二，教师直接通过实例讲解命令使用方法，学生通过练习巩固与提高。

采用模式一，存在以下问题：(1)由于计算机辅助设计软件是一门操作性很强的课程，教师进行命令讲解时学生无法操作，单纯的命令讲解不利于建模方法和建模思维培养。(2)由于课堂学时有限(例如本课程二维草绘模块计划12学时、共6次课，二维草绘模块涉及到65个操作命令，平均每节课需要讲授11个新的命令，学时很紧张)，过多的命令讲解会减少学生课堂上实践动手机会。(3)教师先讲、学生后练，这实际上还是一个“以教师为主”的教学过程。

为此，采用了模式二。采用模式二有以下优点：(1)通过实例讲解建模操作和建模过程，相当于在具体的情境中进行建模方法传授，学生理解和掌握更高效。(2)通过实例进行讲解，有利于学生建立相关知识点之间的关联关系，有利于学生通过联想对知识点加强理解和记忆。笔者在台湾中原大学机械工程系访学期间，旁听过相关课程教学，他们采用的就是模式二。

通过实践和摸索，发现如果能解决以下问题，采用模式二进行教学、效果会更好：(1)教师讲解实例时要善于导入相关建模方法，不急于讲解具体操作，鼓励学生开动脑筋、进行思考。表1以直线修剪为例的介绍可以说明学生上课时眼、脑、耳、手都会动起来，无形之中实现了“以学生为中心”。(2)教师精选的实例要尽可能覆盖到所有命令和操作(这对教师提出了比较高的要求)，如果实例覆盖的知识点不够广泛、则会遗漏相关知识点，学生在某一方面就无法得到有效训练。(3)实例讲解时应该循序渐进，例如第一遍讲解命令基本使用方法、第二遍讲解命令高阶使用方法，这样学生能力能得到不断提升。(4)不必拘泥于所有的命令都一定要在实例中讲解(所谓教无定式)，对于某些复杂命令(例如扫描和混合命令)、教师先花几分钟讲解命令再结合实例进行展示，学生可能更容易理解和接受。(5)如果实例是教师自己的教学或研究成果(这对教师提出了更高的要求)，学生会倍感亲切、效果更好。

(二)学生达成第二层次能力培养目标教学实践

该课程第二层次能力培养目标是让学生“会选择与使用合适的建模命令和建模方法”。以下几点措施有利于学生第二层次能力培养目标的达成：

1.在实例讲解时举一反三、对每一种命令尽可能列举出多种可能的方法。计算机辅助设计软件对同一种命令一般会提供多种操作方法，例如Pro/Engineer WildFire5.0有4种绘制圆弧的方法、有4种确定孔特征位置的方法、有8种特征阵列方法等。只有学生掌握了多种方法才有可能从多种方法中选择合适的方法。

2.当不同的建模方法可以建立相同的几何形状特征时，对它们的优缺点进行对比分析。例如图1中的孔H1～孔H4，适合于采用孔特征命令创建而不适合采用拉伸去除命令创建，因为孔特征具有一定的工程语义，便于后续特征识别。

3.从模型稳健性、模型可修改性、模型可重用性和模型可制造性等方面对学生进行引导。例如图1中孔K1～孔K9，适合于采用阵列的方式通过孔特征命令构建，其原因是便于对这9个孔同时进行编辑和修改、建模效率比较高。

4.实例讲解时注重建模方法的总结。例如，先构建主要几何特征，再构建筋特征、拔模特征等辅助性和修饰性几何特征；先构建基础特征，最后构建倒圆角和倒斜角等特征(见表1)。

表1 以直线修剪为例进行建模方法学习

(三)学生达成第三层次能力培养目标教学实践

该课程第三层次能力培养目标是让学生“能开发或选用计算机辅助设计建模方法并理解其局限性”。“选用计算机辅助设计建模方法”这一能力培养目标是在第二层次能力培养目标上的延伸和拓展，对学生提出了更高要求。笔者在教学实践中进行了以下尝试：

1.强化对学生扩散性思维的培养。例如，针对表1中的直线修剪方法可以组织学生进行更深入的讨论：“平面内直线修剪方法是否可以适用于空间内直线修剪？”“如何拓展空间直线修剪方法将其用于空间曲面修剪？”“你能设计一个算法并编写相应的直线修剪程序吗？”等。这些挑战性的问题会极大地激发学生学习兴趣和学习热情。

2.对不同CAD软件中类似的建模命令进行对比分析。例如，Pro/Engineer WildFire5.0有动态修剪命令，那么其它软件中是否有类似命令呢？它们功能又有哪些不同呢？表2给出了一个实例。通过这种训练，能鼓励学生了解不同建模软件类似命令背后的共性思维，能培养学生知识迁移能力，使得他(她)们创新、创业、创造等实践成果的表达不受具体CAD软件平台的限制。

(3)在实例讲解中实时导入专业知识。在CAD软件教学中实时导入专业知识，既有利于学生对软件的理解和掌握、也有利于培养学生大工程观。例如学生第一次接触到拔模命令时比较迷惑、不知道如何设置合适的拔模参数？为此，可以让学生回想一下在工程训练中心制作砂型的情景并介绍相关工艺知识。又例如，轴类零件一般需要设置相同的斜角(见图1、图2)，学生不理解为何要尽可能设置相同的斜角。当告知学生倒斜角工艺需要采用倒斜角刀，同一零件上不同部位设置相同的斜角，便于在同一道工序中进行多个部位的加工，能节省加工成本，学生就很容易理解了。图2中，键槽T1和T2设置在同一方向，也是出于加工工艺的考虑。这些专业知识的实时导入，既有利于培养学生学会选择合适的建模方法，也能把相关学科知识串联起来，一定程度上实现了人才培养的学科交叉与融合。

表2 不同CAD软件中类似命令对比分析

图1 建模方法实例一 图2 建模方法实例二

(4)引导学生解决挑战性的问题，培养学生创新意识和创新能力。软件都是人开发的，都有一定的局限性。目前CAD软件在设计的智能化、自动化、知识化、协同化和集成化等方面仍有较大的改进空间。让学生理解这种局限性，能避免学生迷信盲从、有利于培养学生独立思考能力、有利于培养学生敢于接受挑战的勇气。例如，已有的CAD软件可以实现文字符号沿圆弧排列，但是这些功能无法满足企业特殊的需求。某轮胎企业希望能实现不同类型、不同大小文字符号批量化的从一个圆弧调整到半径不同的另外一个圆弧上，这些圆弧上的文字需要采用雕铣刀加工、工艺比较复杂，笔者带领学生对此问题进行深入研究、开发了专用程序、为企业解决了技术难题[10-11]，学生创新能力也得到了很大的提升。此外，笔者还带领学生解决过出水器压铸和浇筑参数化设计、液压缸参数化设计、模具型腔拔模角度参数化调整等计算机辅助设计问题。当然，这些问题的解决不是在课堂内完成的，实际上都是学生课程结束后跟随教师进一步研究的结果，这也体现了课堂内和课堂外的翻转。

五 课程改革评价

为适应新工科建设需要，在分析传统计算机辅助设计课程教学存在不足的基础上，践行“以学生为中心”“以学科交叉与融合为途径”“以在真实情景下对学生进行工程实践与创新为目标”“以工程实践为核心对学生进行能力培养为根本”“以工程教育专业认证为抓手”等理念，对计算机辅助设计课程培养目标和培养过程进行了重塑。按照成长型思维培养模式、由浅入深、分三个层次组织教学，教学改革与实践中注重对学生进行建模思维和建模方法的训练，取得了较好的效果。近三年来，学生课程目标达成度都在0.7以上，教学团队中一名成员晋升为副教授，相关教学条件得到了一定的改善。学生对教学过程评测分数分别为95.26%，94.00%和95.30%，学生的留言包括“老师有非常不错的教学理念”“老师能带动大家思考、鼓励大家探索”等。这些朴实的话语将激励教师带领学生一起前行，新工科建设还只是刚开始，新功课建设一直在路上，后续希望利用人工智能技术、大数据技术和信息技术等继续深入推进本课程改革。