基于新工科的计算机辅助设计课程教学改革研究

郭朝博 邓想 李兴霞 马天凤 吴金杰

摘 要：针对材料类学生欠缺机械基础的现状，对计算机辅助设计类课程在教学内容、教学设计、教学方案、考核方式等方面进行改革，通过建设慕课资源，以线上线下的授课方式、项目式驱动教学方式，对学生的继续学习能力、软件操作能力、协作交流能力等进行培养，并取得良好的教学效果。

关键词：计算机辅助设计；教学改革；教学创新

中图分类号：TB472  文献标识码：A

Research onTeaching Reform of

Computer Aided Design Course Based on New Engineering

Guo Chaobo Deng Xiang Li Xingxia Ma Tianfeng Wu Jinjie

School of Materials Science and Engineering，Henan Institute of Technology HenanXinxiang 453003

Abstract：Since materials students lack basic mechanical knowledge，computer aided design courses are reformed in terms of teaching content，teaching design，teaching programs，assessment method.By building MOOC resources，using online and offline and projectdriven teaching methods，the continuing learning ability，software operation ability，and collaborative communication ability are cultivated，and good teaching results are received.

Keywords：computer aided design；teaching reform；teaching innovation

计算机辅助设计是指在产品设计中，利用计算机技术协助完成复杂计算、信息存储和零件设计等工作［12］ 。设计人员将草图变为工作图的繁重工作可以交给计算机完成，利用计算机进行有关的图形数据处理工作［34］ 。随着《中国制造2025》的推广，将计算机辅助设计融入本科教学已成必然之势。

对于材料类的本科生，如材料科学与工程专业、新能源材料与器件专业、焊接技术与工程专业等的学生，在材料制备、材料器件改进方面都需要机械设计内容，毕业后无论是继续读研深造，还是参加工作都可能面对结构类器件及相关工具、工装的设计。然而，在材料类的本科培养方案中，往往只进行最基本的机械制图教学，对于机械原理、机械设计、互换性与测量技术等理论环节，机械设计课程设计等实践环节都有所缺失。由于材料类学生在设计相关产品时缺少一定的理论基础，致使产品设计结果不尽如人意。

为符合应用型本科的教学需要，培养社会需要的实用性应用型人才，如何有效地解决材料类本科生欠缺机械设计相关基础知识和实际结构设计应用之间的矛盾已成为亟待解决的问题。

1 教学内容和体系

1.1 计算机辅助设计课程简介

河南工学院计算机辅助设计课程是面向我校材料类大三学生开设的专业选修课，共分为“材料制备计算机辅助设计”和“计算机在材料科学与工程中的应用”两门课程，教授学时均为32学时。学生的先修课程为“工程制图与CAD”“材料力学”等，后續可为毕业设计服务。

材料类专业以培养适应区域经济社会发展和产业转型升级需要的高素质应用型人才为目标。随着计算机技术的高速发展，计算机在工程的应用日益广泛，为保证人才培养质量，适应新工科的发展和需求，需要对计算机辅助设计课程进行教学改革。

1.2 存在的问题

现以“材料制备计算机辅助设计”课程为例进行阐述。

1.2.1 教学内容不充分

传统的计算机辅助设计课程往往侧重软件的应用，注重零部件的绘制，着重培养学生工程实际应用的知识，对于学生的设计思维有所欠缺。对于材料类本科生教学，应该在增强设计思维之外，强化机械设计基础知识，在材料设计、加工、制备等环节增强机械方面和材料方面知识的交叉结合。如何选取合适的教学资料以增强这两项最基本的能力是一个难题。

1.2.2 教学设计不完善

教学设计是为了优化教学过程，提高教学质量，对教学过程中的各环节进行科学、合理的安排，制订实施方案。但传统的教学常出现“重教材，轻学生”现象，不注重与先修课程及并修课程之间的联系，不能掌握学生的具体学情，这对于缺少相关机械理论知识的学生是不利的。

传统教学过程主要以讲授为主，学生练习为辅，教学形式单一，为了提高学生的学习积极性及知识掌握程度，需丰富教学环节，可以通过课堂提问、案例分析、实操演练、问题讨论、个人指导等方式了解学情，针对学生之间的差异性进行区别教学，修正教学内容及教学进度，增强学生的学习兴趣及知识的运用能力。

1.2.3 教学模式不科学

教学模式是针对课堂教学而采用的教学方法，传递接受式教学和示范模仿式教学是常采用的两种方法。但这种从教师到学生的单一传递式，对于基本理论知识的讲授是合理的，但软件的应用、结构的设计等方面会受到教师思维方式的限制，不利于培养学生分析问题、解决问题的能力。因此，在课堂教学中应该丰富教学模式，根据不同环节可以把自学辅导式、引导发现式、案例分析式等教学模式融入课堂之中，提高学生的教学质量。

1.2.4 考核方式不全面

“材料制備计算机辅助设计”的考核方式以过程性考核和上机考核两部分组成，过程性考核以考勤、作业等方式进行，上机考核以规定时间内完成零件结构设计的方式进行。过程性考核方式对学生在课堂活动中的参与度、学生对基础知识的掌握度等体现较少，不能真实反映学生的平时成绩。上机考核形式单一，不能表现出学生分析问题、表达问题、解决问题的能力。因此，需要对考核方式进一步进行细化，使其更加科学、更加合理。

2 课程教学改革

针对“材料制备计算机辅助设计”课程，在教学内容、教学设计、教学模式和考核方式方面进行创新改革。

2.1 教学内容

二级减速器作为一种典型的传送装置，其结构简单，且内部结构包含盘盖类、轴类、齿轮类、箱体类等典型零件，适合于初学者进行学习。本课程采用线上线下混合式教学。通过线上进行三维绘图软件使用学习，线下进行软件使用辅导的形式让学生熟练软件使用情况；通过对减速器内部各零件的设计，使学生掌握各类零件的结构特性、使用范围、设计要求等；通过线下讲授绘图原理和方法，使学生掌握绘图技巧；通过减速器整体设计，使学生掌握结构件整体设计流程。通过线下讨论的方式，结合材料方面的专业知识，根据典型零件在材料选材、制备、加工、改性等过程进行探讨。

在增强机械零件设计能力的同时把机械和材料两个学科交叉融合在一起，实现对实际工程应用问题进行分析和探讨，这也形成了材料类学生在“新工科”中发展的一个方向。

2.2 教学设计

教学过程以教材为基础，把握教材的重点及难点，把教材内容与先修课程相联系，依据学生学情分析其关联性及相关知识的欠缺性。在此基础上拓展教授内容，弥补其不足，把机械基础理论知识、结构设计知识、材料基础知识相结合，综合考虑学生的知识运用能力。

强调成果导向。本课程的知识目标主要为掌握相关三维绘图软件的建模方法及工程设计流程。结合具体零件掌握材料的选材、制备、加工、改性方法。能力目标为增强学生的自主学习能力；培养学生的基本资料查询能力；培养学生的知识综合运用能力；培养学生的创新设计意识；提高学生的综合设计能力。素质目标为培养学生具有良好的职业道德、较强的社会责任感和团队合作精神；具有一定的解决实际工程问题的专业素质；具有自主学习的个人素质；具有较强的创新观念和劳动意识。

依据教学目标进行教学设计。材料类计算机辅助结构设计相关课程采用理实一体化教学，理论教学和上机实践贯穿整个课程教学过程。

课程采用线上线下教学。与传统课上教授学生软件使用方法不同，学生在线上通过观看视频的形式对绘图软件具体操作进行学习，在线下把学生分为8组，由项目组成员教师对软件使用过程中存在的问题进行答疑。

课堂教学采用翻转课堂的形式教学。课堂上采用学习通APP随机选人的方式在机房教师端进行减速器零件的绘制过程，全班进行观摩，教师对学生绘制过程中的注意事项、关键理论知识等内容进行讲解；对绘制方法进行说明；对绘制过程中存在的问题或潜在问题进行提问，并要求学生通过查询现代信息化资源进行解答，比如通过网上问题查找、文献查询、资料搜集、书面信息查找等方式寻找答案，培养学生自主解决问题的能力。

学生在课下完成减速器零件的绘制工作，要求以团队的形式进行，采用一组一题的方式进行教学。

依据学生的学习基础和学习规律，以小组为单位差异性地安排课前、课中、课下的教学内容，把握课堂教学的大方向，把握课堂教学的目标指向，依据学情进行针对性教学，并随之对教学设计过程做出调整和变更。

2.3 教学模式

课程以典型情境教学为导向，以翻转课堂为教学模式，针对典型结构件培养学生的结构设计能力，为学生今后在工作过程中的专业综合能力和创新能力的提高提供支持。

目前具有代表性的二维、三维绘图软件较多，依据现有资源可对学生开放AutoCAD软件、SolidWorks软件及NX UG软件，学生可根据自己的兴趣及学习方向选择相关软件，选取不同软件后由相关教师进行辅导。

教师在授课过程中坚持以“学生为主，教师为辅”的原则，教与学是双向的，教师通过引导发现式教学方法传授学生寻求和探索知识的方法。案例分析式教学方法使学生能够更加熟悉零件的设计流程。采用自学辅导式教学方法可以有针对性地解决问题，在辅导过程中间接使用互动式交流、探索式讨论、团队式协作等方式，培养学生建立思考模式，提高交流能力、协作能力等。

2.4 考核机制改革

传统考核方式多采用上机考核的形式进行考核。但是由于该课程涉及多种典型零件的设计加工过程，单独采用上机考核结课不能全面包含所学内容，需要进一步增强过程性考核方式来反映学生的水平。

本课程以课程报告的形式进行结课，为了避免考核内容不能覆盖教学内容的问题，加重过程性考核比重，并把过程性考核拆分成不同的环节进行，包括课堂表现、课后作业、阶段测试等，要求学生在课上或课下完成。依据学习通的优势，在课上紧扣课程内容，通过学生完成任务和作业的方式实现对相关知识的掌握。

学生总成绩包括过程性考核成绩（占比40%）和项目报告成绩（占比60%），其考核方式如下图所示。学生以自我为单位完成每节课布置的学习任务和作业，增强自我学习能力，完成课程理论相关部分的学习；学生以小组为单位，通过师生沟通、小组内部沟通、上网查询资料等方式相互协作完成相关项目。

课程考核方式图

3 课程建设

课程采用线上线下教学，由学生线下学习软件使用方法，线上教授结构设计理论知识。改变一人授课方式为多人辅导方式，针对不同学生采用不同辅导方式，针对不同计算机绘制软件，充分发挥各教师的专业优势。

“材料制备计算机辅助设计”课程基于学习通APP进行建立，自2021年建课以来，针对材料科学与工程和新能源材料与器件专业完成了8个班级，361人次的授课工作。为便于线上线下教学，利用学习通APP，针对盘盖类、轴类、齿轮类、箱体类等典型零件制作教学视频26个，零件设计教学PPT 9个，教学任务37个，课程作业12个。截至目前，课程点击率为489656，课程资源利用率高。

课程采用翻转课堂的形式进行教学，以学生进行结构件设计为主导，用以消除学生的懒惰心理。在设计过程中，教师重点讲解材料类学生所欠缺的理论知识，对设计方法、设计思路、设计技巧等进行讲解。引领学生自主解决在设计过程中存在的问题，鼓励学生通过上网查找问题、文献查询、资料搜集、书面信息查找等方式寻找解决问题的答案，培养学生自主解决问题的能力。

4 改革创新

（1）实现了机械和材料类专业知识的交叉融合，符合“新工科”的发展。（2）弥补了材料类学生欠缺相关基础理论知识的不足。（3）学生可以根据自己的兴趣选择不同的商用绘图软件，并由项目组成员教师分别进行指导。（4）采用线上线下教学。学生在线上通过观看视频的形式对绘图软件具体操作进行学习，现在有不同专业教师辅导。（5）采用翻转课堂的形式教学。在设计中出现的问题由教师引领学生通过查询现代信息化资源进行解答，培养学生自主解决问题的能力。（6）通过减速器各类零件设计，培养学生的设计思维，培养学生自主设计能力。

结语

针对材料类计算机辅助设计课程的教学内容进行优化改革，利用学习通APP建设课程资源，通过线上线下混合式教学，以项目引导式进行授课，有利于学生在掌握基础理论的同时，掌握基本解决问题方式、方法，积极主动地去学习、去探索新的知识。把所学知识以具体项目的形式应用到实际工程实践中，激发学生的学习兴趣，提高教学质量，提高学生的继续学习能力、动手能力、协作能力等，为学生的后续发展打下基础。

参考文献：

［1］殷越.机械设计课程的计算机辅助教学研究——评《计算机三维机械设计基础》［J］.机械设计，2021，38（02）：149150.

［2］吉燕荣.计算机辅助设计课程教学改革实践［J］.计算机产品与流通，2020（02）：228.

［3］师帅.计算机模拟辅助技术在铸造机械工艺设计中的应用［J］.特种铸造及有色合金，2023，43（04）：587588.

［4］彭聪，禹建军，何凤琴.计算机辅助舵面装配公差分析与优化设计［J］.成都大学学报（自然科学版），2023，42（01）：5460.

基金项目：河南工学院创新教育课程项目（CX2020005、CX2021004）；河南工学院教育教学改革研究与实践项目（CLXY2021001、CLXY2021002）

作者简介：郭朝博（1985— ），男，汉族，河北石家庄人，博士，讲师，主要从事計算机辅助设计方面的研究和教学工作。