基于学科竞赛驱动的机械CAD/CAE技术课程教学改革

朱梅玉，文 学，刘志辉，朱科军，何玉珠

（邵阳学院 机械与能源工程学院，湖南 邵阳 422000）

在工业4.0 战略背景下，数字化、信息化及智能化技术逐渐渗透并促进各个领域的转型升级，机械图形类知识及技能，在工业4.0 背景下的数字化设计与制造领域越来越重要。机械与能源工程学院开设理论与实践相结合的机械CAD/CAE技术课程，培养学生的数字化设计能力，提高学生各类科研能力及学科竞赛项目的参与率，强化毕业设计及图形类课程质量，为区域经济发展提供合格的高级工程应用型人才。

1 课程教学现状

自机械CAD/CAE 技术课程开设以来，虽然在教学过程中不断改革，但受教学资源缺乏、教学模式老套及课程考核形式单一的影响，学生课程参与积极性不高，教师与学生的课程完成度和配合度低；学生的项目、竞赛及毕业设计质量未达到预期目标；课程对学生技能素质方面没有形成高强度支撑。目前主要存在如下问题。

（1）授课教师的工程实践及学科竞赛经验少，多以书本讲解和简易模型操作为主，学生有效融入课程时间少，参与课题积极性差，难以激发学生的工程意识。

（2）课程设计和内容脱离机械领域的发展，更没有与机械相应学科竞赛紧密结合，教学资源落后限制了学生创新能力的培养。

（3）实践课程仍然采用“授课+练习”模式，实践效果较少。受课时数量限制，课程设计存在重理论、轻实践的问题，教学仍以“填鸭式”为主，学生的实践与团队协作能力没有得到提升。

（4）课程学分少，学生不通过的压力小，教师与学生重视程度低，考核形式缺乏过程性和实践性，限制了学生实践能力的培养。

上述问题影响了课程教学的顺利实施，导致学生学习积极性不高，实践能力得不到提升，更无法满足工程教育中课程目标和人才目标的达成，所以，开展机械CAD/CAE 技术课程的教学模式改革势在必行。

2 课程改革创新与探索

2.1 创新理念与思路

在立德树人前提下，以学生为中心，坚持培养机械工程实践能力为目标，以机械CAD/CAE 技术课程的课堂教学改革为突破口，创新教学思维，从课程体系、师资实践能力、教学方法及考核评价方面着于改革，施行“竞赛项目式学习”课堂。

机械CAD/CAE 技术课程是独立实验课，教学模式应更注重以练为中心，实现基础知识、思维与实践能力的协作训练；在竞赛项目式的教学方法中采取探究创新、分组演练、项目驱动，强调了以学生为中心；对实践性强的课程更侧重于过程能力培养，基于项目的全过程评价是学生转变自我学习的导向；在师资团队方面，在扮演“导师”同时还应变成“问题者”，让学生的被动学习变成主动创新学习，从而实现从教师、学生与课程间的有效赋能，提升课堂质量，提高学生的工程能力。

2.2 创新方法与途径

通过调研课程与学科竞赛的关系，发现越来越多课程将学科竞赛与课程相融合，并取得了一定成效[1-3]。但由于课程性质不同，在施行效果存在较大差别[4-6]。机械CAD/CAE 技术的核心是设计技术与设计技能，其最大优势就是能够最快地把创意创新作品变成现实，并转化成产品；相应技术和技能的形成，将助力于提升学生在“互联网+”创新创业大赛、“挑战杯”科技学术竞赛、机创大赛、机器人大赛、智能制造挑战赛、成图大赛及机械工程创新创意大赛等A 类学科竞赛的参与度与存在感，同时提升学生的工程能力和综合素质。为此，本课程改革思路以学科竞赛为驱动，结合课程教学现状及改革思路，分别在课程内容、教师课程能力、课程教学及课程考核方面实施。

2.2.1 梳理关联竞赛重点，重构课程内容

通过梳理机械类学生可参与的学科竞赛项目，得到了学生可参与的竞赛项目，见表1。在竞赛项目的部分赛道中，有创新类及工匠类、科技发明制作类、实物制作、慧鱼、产品设计、数字化建模及装备设计等，这些都是基于数字化模型设计的需求，然后展开以三维模型为基础静力学、运动仿真及制作工程图纸等能力要求。为此，结合竞赛项目技能与能力需求、机械CAD/CAE 技术培养目标，按照循序渐进原则，将内容设置成二维数字化绘图、三维数字化建模、虚拟仿真与有限元分析以及基于三维模型的工程图制作4 个模块，分4期完成，每期课程1周1次，历时8周，延长了学生对课程的潜意识学习时长；课程逻辑依据产品设计思想，整合了学科竞赛内容，使每期课程目标明确，内容丰富且具有引导性，极大地提升了学生对课程学习兴趣，好奇欲转变成学习动力，提升了课堂和课外对课程涉及软件的操作运用。各期课程内容见表1。

表1 各期课程内容重构Tab.1 Reconfiguration of course content in each period

2.2.2 校企共建课程组，提高教师实践能力

针对课程教师实战经验少等问题，在学院与地方高科技企业的合作平台下，以图形类作业为主线，由企业工程师与高校教师搭建校企课程组，并实施阶段性“企业员工进校园、专任教师进企业”的教师实践能力培养；同时让课程组教师以“参与+组织”形式参与到各类学科竞赛项目中，以实现老师及学生在学科竞赛中“传帮带”；使其在企业及学科竞赛项目中历练教师，丰富教师工程与学科竞赛经验，提高教师在图形类教学方面的能力。

2.2.3 强化课程实践操作，丰富教学模式

课程采取了以“学科项目驱动”模式下的“课前预习、课堂教学及课后练习”方式，见表2。在各学期课程安排中，以历届竞赛题目为主线，将班级按5 人1 组分成若干项目小组，并分别赋予不同的竞赛项目；课堂教学时，通过项目团队成员的“翻转课堂+教师讲解+学生讨论”完成课堂教学；让项目形式延伸课堂，让课堂不再局限于课堂的90 min 教学；让学生以竞赛项目为驱动，在项目中学习和锻炼；将该课程与学院相应学科竞赛组织协会建立协同机制，成绩优秀者团队可报名参加学科竞赛，并在院赛及校赛具有优先资格，从而活跃课堂，加深指令理解和运用，提升学习效果。

表2 教学改革方法比较Tab.2 Comparison of teaching reform methods

2.2.4 注重过程形成产出，改革考核形式

考虑该课程的实操性，采取了以项目的过程考核+小型实例的期末考核形式，其期末总成绩（100%）=过程成绩（70%）+期末考核（30%）。过程成绩（70%）=考勤（10%）+项目成绩（60%）。项目考核成绩则在阶段性项目结束后，由教师组织班级成员进行答辩，答辩得出项目团队分，再由各组组长根据每个人在团队中的贡献给到个人分值，从而实现从过程中锻炼，以作品形成激励。

3 课程改革初步成效

经过几年的课程教学实施和统计，学生对该门课程的认识不再停留在“课程”的思维，而将其转变成一种技能的训练，学生学习主动性增强，课前预习率、课堂参与度、课后再次练习率及期末上机考试成绩等方面都有较大程度的提升。改革前后课程相应统计数据见表3。

表3 改革前后课程教学数据Tab.3 Curriculum teaching data before and after reform

在课程教学数据提升同时，使得学生掌握了该课程所涉及的操作技能，并在应用领域中得到了体现和提升。

（1）本专业学生参加基于“互联网+”“机创”“节能减排”“工程实践与创新”“成图”等高水平大赛的人数逐年增加，共计获奖超过100人次，省级奖励超过40人次。

（2）本科学生参与教师科研团队的人数增加，能在科研团队中负责机械设计及虚拟仿真等任务。

（3）学生在进行机械设计课程设计、制造技术基础课程设计、毕业设计过程中都会以“三维建模+工程图转化”方式实现相应课程设计中的图形绘制，且得到较为规范的工程图纸，完成质量提高。

4 结语

机械CAD/CAE 技术课程是理实结合纽带，是学生技能素质快速提升的重要平台和渠道。为此，本文以学科竞赛为驱动，在校企合作平台下，通过建立课程组历练教师，梳理基于学科竞赛的授课内容；施行阶梯式的课程学习安排，并在教学过程中实施以“项目团队作业”模式下的“课前预习、课堂教学及课后练习”方式，建立课程成绩与学院相应学科竞赛资格协同机制，驱动学生对该课程的学习积极性；并在考核过程中加大过程性考核评价，切实提升了学生对机械CAD/CAE 技术课程的兴趣，助力了学生对教师项目、学科竞赛及毕业设计的完成质量，提高学生的综合实践能力，取得了较好的效果，具有一定推广价值。