应用型本科院校三维CAD课程教学改革方法研究

徐伟伟 李光荣 蒋立异 王博翔 钱正春

摘要 随着机械产品设计多元化及数字化发展，三维建模软件学习已成为应用型本科院校机械类专业的必修课之一。文章以机械专业三维CAD上机课程为例，基于工程认证理念，分析了传统教学中存在的问题，并结合课程特点，以能力培养为目标，分别从教学环节、教学内容、教学方法及考核方式几个方面提出优化思路。改革后经教学实践发现学生的学习主动性、操作熟练度及创新意识得到显著提高，或可为其他同类实践性课程提供理论指导。

关键词 应用型；三维CAD；机械类专业；教学改革

中图分类号：G642文献标识码：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2023.18.017

随着智能制造的发展，计算机辅助设计技术在制造业中的应用越来越广泛，相应企业对应聘者计算机辅助设计技能的掌握要求也越来越高[1]。因此，三维CAD课程已成为机械类专业学生的专业基础课程之一，也是非常重要的实践教学环节。UG是集CAD/CAE/CAM于一体的高端三维参数化设计软件，在机械工程、电子技术、航空航天、车辆工程及日常生活产品等工业设计领域应用非常广泛，目前已成为高校机械类专业三维建模的首选软件[2]。在该类课程教学中很多学者做了多种教学模式及方法的探索，如引入CDIO教学模式[3]、翻转课堂的形式[4]、项目教学法[5]等。但有几个问题依然值得我们思考，一是在有限的课时内如何合理安排教学内容及教学环节；二是教学方法的选择及运用如何保证培养目标的达成；三是在掌握基本技能的基础上如何提高学生的自主设计能力及创新能力。本文从这几个问题出发，以本单位三维CAD上机课程为例进行课程改革，优化教学环节、教学内容、教学方法及考核方法等，培养学生的自主创新意识、自主学习能力、动手能力及团队协作能力，提升学生理实结合、严谨认真的专业素养，从而成为新时代的应用型创新型人才。

1三维CAD上机目前存在的问题

1.1学生专业技能水平不一

三维CAD上机这门课程涉及的专业包括机械设计制造及自动化专业、机械电子工程、机械工程、工业工程等，在该课程开设之前，学生已经学习工程制图、机械设计原理、机械制造基础等专业课程。但不同专业学生的专业技能水平不一，对三维建模设计技术的理解程度不同，对于绘图基础和计算机操作水平较弱的学生，需要从三维建模最基础的内容开始学习。

1.2教学环节设计及课时分配问题

三维CAD上机类课程总课时较短，传统的教学安排是一半的课时用来讲授理论及案例演示，一半的课时上机练习，项目任务则安排在课后完成。然而这种工程软件应用课程具有以练为主的特点，由于课时数的限制，大量的理论讲解导致学生并不能很快地消化，甚至出现讲完就忘的现象。上机时间太短，师生互动欠佳，学生仍停留在理论层面，练习少，无法很好地掌握软件操作技能及技巧。

1.3教学方法不合适

当前课堂教学大多依然采用多媒体演示方法进行教学，学生对教学内容，尤其是软件操作要点无法反复学习，而且手段过于单一，学生的学习积极性无法有效调动，难以保证教学效果。此外，教学内容较多，课堂讲授安排较满，师生缺乏互动，大量的命令学习学生无法及时消化，实际操作水平难以提升。

1.4考核形式单一

现有的这类实践课考核形式主要以任务完成情况及平时成绩（多以出勤率为主）作为评价指标，然而任务书内容涉及的零件模型具有片面性，仅能涵盖部分三维建模软件命令的使用，无法全面了解学生对所学软件的综合应用能力，而且单一的项目任务的难易程度与学生实际掌握情况存在匹配性不足的问题。

2课程教学环节、内容、方法及考核办法的改革

本文针对三维CAD上机课程教学过程中存在的问题，结合工程教育认证理念[6]，以能力培养为目标，对该课程的教学环节、教学内容、教学方法及考核方法等进行了以下改革。

2.1教学环节优化

考虑到三维CAD上机课程实操性和应用性强的特点，在总课时（24课时）不变的情况下，调整课堂讲授及上机练习时间的比例，上机练习课时从原来的50%提升到65%左右，在上机练习过程中通过设定不同等级的练习题提升学生的实操技能，同时练习过程中伴随有小组讨论及答疑等环节，小组成员在综合性较强的零件建模练习时通过小组讨论的方式分享各自的建模思路，不仅可培养团队精神，而且对培养自身的表达能力和创新能力也具有重大的促进作用。单纯的课堂环节课时有限，并不能有效地提升学生的综合应用能力，因此在课后安排项目设计环节，学生以小组的形式完成一个机械装置的设计、建模、装配及工程图制作，以此来提升团队意识及创新能力，并且提升该课程相关知识点的灵活运用能力，提升软件操作技能。课程结束前，设置成果验收環节，主要以小组答辩的形式开展，各小组推选汇报人，介绍项目设计的建模思路、建模过程及后续改进设想等内容，让学生不仅会做，还会说。

2.2教学内容优化

由于缩减了课堂讲授时间，对于教学内容的合理安排变得至关重要。该课程的知识单元包括了零件建模中的草图、体速特征、布尔运算、扫描特征、设计特征、参考特征、细节特征等特征命令的操作，以及装配、工程图的操作等。在课堂讲授中不再面面俱到，而是主要介绍软件功能、基本操作方法、操作技巧、建模思路、装配方法等，并将三维建模与机械制造、机械设计等专业基础理论课程联系起来，促进课程融合。此外，各种命令的具体操作过程及实例演示则通过学习通线上资源来补充。学生在上机练习时可参照线上资源演示进行复制操作，同时每次上机课会布置上机练习任务，进行基本技能训练，包括草图及约束练习、零件实体建模练习、虚拟装配练习、工程图转换及标注练习等。通过教学内容的合理安排做到理论与实践紧密配合，加深学生对其他基础理论课程的理解及三维建模方法的认识。

2.3教学方法优化

随着信息技术的发展，教学方法更加多样化、信息化。本课程除了常规的多媒体，还在教学过程中引入了线下线上混合教学的模式，在学习通上建设了课程资源，按照课程大纲教学内容要求录制短视频并发布任务点，学生可以利用零碎的时间观看相关知识点视频，上机时间或者课后可以完成相关的建模练习任务。此外，在课堂教学中会发布课堂活动、作业等，利用线上学习平台的数据化管理，及时了解学生的学习进程和水平，针对学习中遇到的共性问题及时给出解决方案，并重点讲解。

除此之外，引入开放式的个性项目化设计。该课程实操性较强，需要利用工程实践来检验学习效果，但学生存在个体差异，个人掌握水平及技能水平不一致，因此太简单的项目设计课题对学生技能的提升起不到促进作用，而太难的项目设计对部分学生而言完成存在较大困难，容易缺乏信心，难以保证完成的质量。因此，在该课程中将项目设计任务分为给定式任务及创新性任务两大类，其中给定式任务包括不同难易程度的任务，如千斤顶、虎钳等，预先给定多组部分零件的关键尺寸，学生建模时需按照结构匀称、协调、合理、符合机械设计规范的原则自行设计其余尺寸，该类任务可以强化学生的设计能力和模型构建能力，提升UG软件基础操作技能，同时能促进学生将机械设计课程的基础设计理论应用到实践中来，加深对专业理论知识的理解和应用；创新性任务则是学生自主选题，基于大学生创新项目、科研项目进行一些创新设计，引导学生走进生产、发现生活、畅想未来，从生产生活中迸发灵感进行创新设计，可借此培养学生的自主学习能力和创新能力。

2.4考核办法优化

为深入了解学生教学过程中的学习状态、学习成效、掌握水平等情况，可增加过程评价指标，并结合成果评价来验收，提高学生的综合应用能力。该课程的考核以考核学生能力培养目标的达成为主要目的，以检查学生对各知识点的掌握程度为重要内容，以上机操作为主要考核方法，在总成绩中，时间管理占10%，上机练习占30%，项目设计占60%。

①时间管理。主要考查学生课堂出勤及参与情况，课程所有环节可以借助线上平台对课堂活动、考核记录、学情等进行数据化管理，根据学生出勤及课堂活动参与情况给出评价，占总成绩的10%。

②上机练习。上机练习要求全程参与，按时完成三次以上上机训练和任务，每次上机单独评价，上机成绩由上机设计（30%）、课堂操作（30%）和模型完成度（40%）三部分组成，多次上机按平均值的30%计入课程总成绩。

③项目设计。项目设计要求学生分组进行，包括小组分工、建模装配、撰写报告、答辩等环节，占课程总成绩的60%。每位学生的项目设计成绩由小组成绩和组内成绩两部分组成，小组成绩从四个部分进行评价，其中小组实践安排占项目设计成绩的10%；产品零件数量与三维模型占项目设计成绩的40%；产品装配占项目设计成绩的20%；答辩情况占项目设计成绩的30%。小组得分为组内所有学生的平均分，每位学生的得分则依据其在组内的贡献，由各小组成员自行评价确定，但最高分与最低分差值不得小于15%。

3改革成效

经过对19、20、21级6个班不同专业的三维CAD上机课程跟踪调查发现，采用上述教学改革方法具有显著的教学效果，如表1所示。从表中可以看出学生的学习主动性得到明显提高，原先理论讲授时间有部分逃课现象，改革后出勤率提高到97%以上。上机练习课时比例增加可有效提升上机任务完成度，与改革前相比，上机任务完成度提高了15%以上。结合线上资源的学习，学生的操作技能明显提升，原来模型练习数量仅6―8个，改革后部分自主学习能力较强的学生练习模型数量达原来的两倍，软件操作技能提升迅猛。而项目设计方面，原来均选择给定课题，近两年教学过程中在自主选题上有了突破，部分班会有1―2个组进行一些创新项目设计，表明该模式下部分学生已经熟练掌握了各种命令的操作方法，并且具有一定的创新意识及创新精神。此外，经过课上讨论、互动等环节的开展，大多数学生在最终答辩时能对自己的成果进行详细有条理的介绍，语言表达能力显著提高。

4结语

文章基于工程认证教育理念，分析了三维CAD课程教学过程中存在的问题，以能力培养为目标，对该课程的教学环节、教学内容、教学方法及考核方法等进行探索和改进尝试。结合教学实践经验，可以发现讲授和上机课时的优化分配可促进学生操作熟练度的提升；课堂讲授内容以启发式教学为主，具体操作方法以线上课程资源作为辅助，可有效提高学生的学习主动性及任务完成度；多种类型的项目设计课题可检验学生操作技能的熟练度，并可有效提高学生的创新意识。该教学改革方式可为应用型本科院校同类课程改革提供参考。

基金项目：江苏省教育科学“十四五”规划2021年度重点课题（C-b/2021/01/23）；南京工程学院科学基金项目（YKJ202004）。

參考文献

[1]李志鹏.论三维建模技术在机械产品设计中的应用[J].内燃机与配件，2021（21）：216-218.

[2]訾克明，芦新春，王衍.基于“中国元素”的UG三维设计课程的教学改革[J].轻工科技，2020，36（12）：159-160.

[3]张宇晴，李小英，张金颖.基于CDIO课程体系的三维建模课程改革研究[J].大学教育，2018（5）：80-82.

[4]唐友亮，孙肖霞.基于翻转课堂的UG课程教学研究与实践[J].教育教学论坛，2017（31）：177-178.

[5]刘明，齐薇.项目教学法在UG课程中的实践应用——以营口职业技术学院为例[J].辽宁师专学报（自然科学版），2022，24（1）：33-35.

[6]潘圆媛.工程教育认证理念下《SolidWorks三维建模设计》课程建设研究[J].产业与科技论坛，2022，21（24）：195-197.