融入OBE理念的汽车CAD课程教学改革

鹿盈盈

摘 要：现在汽车工业大发展，对CAD的需求越来越高。汽车CAD课程是一门理论性、实践性和应用性很强的一门课程。为了培养学生自主学习的能力和创新意识，提高课程教学质量和课程教学目标达成度，汽车CAD教学过程中融入了国际工程教育认证“以学生为中心”的OBE核心教学理念，对课程教学目标再定位、对理论教学内容和课内上机教学内容改革、对教学方式、教学考核方式改革，并进行教学实践，实现了良好的改革效果。

关键词：汽车CAD OBE 教学改革 实践

CAD（Computer Aided Design）—计算机辅助设计是利用计算机、外围设备和系统软件辅助人们对产品进行设计的方法与技术。CAD技术起源于 20 世纪 60 年代，其可以大幅度地提高产品的设计效率和质量，成为现代工业中必不可少的技术手段[1]。汽车是一种包括多種典型机械元件、零部件，多种金属与非金属材料以及多种机械加工工艺的典型机械产品。现在汽车工业大发展，对CAD的需求越来越高。因此，对毕业生的CAD能力提出了更高的要求，因此迫切需要高校进行CAD课程教学改革，以提高学生分析和解决复杂工程问题的能力。

CAD课程是一门理论性、实践性和应用性很强的一门课程。我校车辆工程专业2013年开始开设汽车CAD课程，根据教学计划，该课程安排在大三上学期，总课时48学时，其中理论学时16学时，上机学时32学时。理论课主要讲授CAD的基础知识。根据CAD技术的内涵，CAD概念分为广义的CAD概念和狭义的CAD概念。广义的CAD主要包括设计和分析两个方面。设计是指构造零件的几何形状、选择零件的材料，以及为保证整个设计的统一性而对零件提出的功能要求和技术要求等。分析是指运用数学建模技术，如有限元、优化设计技术等，从理论上对于产品的性能进行模拟、分析和测试，以保证产品设计的可靠性。狭义的CAD概念，主要是指产品的几何建模及其相关技术，即如何在计算机中描述产品的形状和尺寸。因课时有限，为突出重点，本课程内容仅局限于狭义CAD的相关内容。

CAD技术在汽车业中的应用领域包括①汽车底盘设计CAD技术，②汽车车身设计CAD技术，③汽车零部件CAD技术，④汽车轻量化设计CAD技术，⑤汽车模具CAD技术。现有的集成软件分为I-DEAS、SolidWorks、UG、Pro/E、CATIA等。Pro/E是美国参数技术公司（PTC）的一款非常优秀的工业设计软件，于1988年问世，30多年来，经历20余次的改版，已成为全世界最普及的3D CAD/CAM/CAE系统的标准软件之一。作为PTC公司的旗舰产品，从其诞生之日即引起业界的极大震动，其参数化、全相关、基于特征的设计思想改变了工业三维设计的传统观念，带动了整个行业的发展。Pro/E机械设计软件的应用领域包括：零件设计、工程图制作、钣金设计、模具设计和工业设计等，在家具生产企业、玩具生产企业、汽车零部件生产企业、汽车发动机生产企业、航空航天所需部件的生产企业、医疗器械生产企业、模具生产企业、重型机械生产企业、军工生产企业等都有广泛应用[2]。本校汽车CAD技术课程采用的是Pro/E软件。

1 教学目标的再定位

为了培养卓越的应用型人才，教育部于 2006 年启动了国际工程教育专业认证工作。工程教育是我国高等教育的重要组成部分，工程教育专业认证是国际通行的工程教育质量保障制度，也是实现工程教育国际互认和工程师资格国际互认的重要基础[3]。工程教育专业认证的核心是以成果导向（Outcome Based Education， OBE）的教育。OBE是一种以学生的学习成果（Learning out－comes）为导向的教育理念，由美国学者Spady在 1981年首次提出，其核心理念是以学生为中心，结果为导向，持续改进，认为教学设计和教学实施的目标是学生通过教育过程最后所取得的学习成果[4]。

为了培养学生自主学习的能力和创新意识，提高课程教学质量和课程教学目标达成度，汽车CAD教学过程中融入了国际工程教育认证“以学生为中心”的OBE核心教学理念，重新优化设计了课程理论教学内容和课内上机教学内容、改革了课程教学方法和课内上机实施方式[4]。

融入OBE教育理念，本课程的教学目标是熟练掌握二维草绘、基准特征、拉伸、旋转、扫描、混合、圆角、筋、孔等附加特征；特征的复制、镜像、阵列、隐含、工程图的概念、创建方法和步骤；了解零部件的装配方法和装配过程。同学们并且要学以致用，为以后使用Pro/E从事产品开发与设计、三维建模及机械加工等工程技术打下坚实的基础。

2 教材的选择

因教学大纲相对固定，故使用的教材相对固定，选择兼顾理论性和实践性的教材。这是因为本校的本科生毕业后，除了直接参加工作外，还有相当比例的学生继续读研深造，所以本课程除了培养学生掌握软件操作外，还要对软件背后的理论知识能够理解掌握。案例除了课本上的以外，课题组还组织编写了CAD上机指导书，以补充上机练习内容。

3 教学内容改革

3.1 理论课教授内容

理论课讲解了CAD技术的发展趋势、CAD系统的组成、CAD系统的配置形式与网络结构、现代CAD系统的功能模块（见图1）、图形软件标准、CAD系统软硬件选用原则、现代CAD软件的主要技术特点（1.参数化建模技术，2.基于特征的建模技术，3.全数据相关技术，4.智能导航技术）、典型CAD软件简介等。介绍完CAD的基础知识后，对Pro/E软件进行概述，包括软件的主要特点、软件的功能及主要模块、软件的界面组成、软件的操作流程和建模过程、使用Pro/E软件进行产品设计的技巧等。

汽车CAD理论课时除了讲授汽车CAD技术概述外，还会讲到CAD技术基础、二维草图绘制基础、基准特征、汽车零部件基本特征和高级特征的创建、附加特征的创建、特征的复制、特征的编辑、零件装配设计、工程图设计等内容。所以，如图1所示，限于课时，本课程软件部分内容的讲解限于Pro/E软件的通用模块。

CAD技术基础适用于各类CAD软件，通过在本门课程里的理论学习，在学习其它软件的时候也会受到启发，起到触类旁通的作用。CAD技术基础涵盖的内容简介：①CAD中常用的数据结构定义、分类（包括逻辑结构和物理结构）、常见的数据结构（线性表、数组、栈与队列、树与二叉树）；②图形处理技术基础（图形变换包括基本的几何变换，即研究物体坐标在直角坐标系内的平移、旋转和放大（缩小）的规律，按照坐标的维数不同，几何变化可分为二维几何变换和三维几何变换两大类；投影变换；坐标系与坐标变换；图形裁剪；图形消隐）；③曲线和曲面数学模型（规则曲面和拟合曲面）；④CAD建模技术基础（三维几何建模技术，可分为线框建模、表面建模和实体建模3种；实体建模主要包括两部分内容：一是基本实体的生成，主要有体素法和扫描法；二是基本实体之间的集合运算。参数化建模、变量化建模、特征建模技术等）。

Pro/E软件的学习包括二维草图绘制、三维图的创建、装配图的建立、工程图的建立等。通过理论课的学习，学生可以全面地了解软件各个功能模块的使用方法，为后面的上机实践练习打下良好的基础。

3.2 上机课实践内容

结合车辆工程专业特点，练习汽车相关的案例，如介绍拉伸、旋转等三维模型形成方法时，举例气门、活塞、拨叉等零部件。这样可以提高学生们的学习兴趣。上机课除了课本上的案例外，还编写了上机实验指导书作为教材案例的补充，对学有余力的同学，我们可以提供往年省级或国家级CAD竞赛题让学生们练习，提高自己的三维绘图水平。

4 教学方式改革

理论课在多媒体教室内上课，上机课在学院机房上课，学生人手一机。首先，充分利用教材上的案例学习并掌握Pro/E软件的各个功能模块。传统上，老師在机房讲台上一步一步演示案例，学生在下面一步一步跟着操作，这种方式起初学生还能跟着学，但是长久了学生因缺乏学习的动力而倦怠。所以考虑将以教师教为主体的课堂翻转为以学生学为主体的课堂。将教材上需要完成的案例告诉学生，让学生根据课本上的步骤尝试自己独立完成案例，在探索完成案例的过程中，老师“被提问”的次数逐渐增多，这种以学生为主体的教学方式调动了学生学习的兴趣和积极性，充分发挥学生的主导作用，实现学生从被动学习向主动学习的转变，学习过程更有吸引力，从而有效提升学习效果，达到多方位培养学生发现问题、分析问题和解决问题的能力[5]。

其次，补充上机案例，使学生逐渐脱离课本、活学活用。这些案例不提供操作步骤给学生，让学生独立思考先后操作步骤，灵活掌握软件的使用方法。经过训练的学生，在今后的学习或工作中再遇到实际工程问题，也能想到办法解决，举一反三，真正达到学生时代学习的目标，满足了社会的需求。

汽车CAD作为实践性、操作性、应用性强的科目，掌握并熟练使用它，对于学习其它科目和满足毕业要求等都有重要作用。

5 教学考核改革

由于课程理论部分晦涩难懂，难以记忆，而课程以培养学生熟练掌握一种CAD软件—Pro/E为主，提高学生设计开发汽车零部件的能力，为毕业设计、未来深造和工作打下良好的基础。而且软件各模块的应用也可以加深对理论部分的理解和掌握。所以课程考试采取上机考试形式，不再要求笔试。

最后的成绩=平时（20%）+大作业（20%）+期末考试（60%）。平时成绩是指考勤、课上练习的完成度。大作业指课后项目作业的完成情况。期末考试是指上机考试，一般有五个题目，一个二维草绘题，三个三维零件图题，一个看图纸先完成三维图，再将三维图转化为二维工程图的题目。五个题目涵盖所有要求掌握的知识点。

6 教学实践结果

要达到熟练掌握现代工具的毕业要求，仅仅靠汽车CAD的48学时的课程还远远不够，还需要与课程设计、毕业设计等教学环节相结合。除此之外，还要鼓励学生积极参加校级、省级和国家级的二维和三维制图大赛。通过改革，学生们的制图水平有明显提高。

7 结论

汽车CAD课程是一门兼顾理论性且具有较强操作性、实践性和应用性的课程。融入OBE理念，它以培养学生的创新能力为目标，提高学生的自学能力、实践能力和综合能力。教学过程采用先进的教学手段，课堂教学以基础→实践→综合→创新为主线，将所学的理论知识和需要提升的实践性能相结合，培养基础扎实、实践能力强的应用型、复合型、创新型高级专门人才[6]。汽车CAD课程教学改革是一项长期工程，需要不断的持续改进，只有不断地进行摸索，不断地实践，才能顺应时代要求，培养出适应社会需求的应用型人才。

基金项目：先进内燃动力全国重点实验室开放课题（K2023-01）。

参考文献：

[1]王文竹，刘刚，龚鹏，等. 面向应用型人才培养的汽车CAD教学改革研究[J]. 汽车教育，2021，03： 188-190.

[2]石沛林，李玉善. 汽车CAD技术及Pro/E应用[M]. 北京：北京大学出版社，2011.

[3]杨洪刚. 面向工程教育专业认证的《汽车CAD/CAE》教学改革实践[J]. 教育现代化，2019，6（18）：56-57+ 88.

[4]冯玮.融入OBE理念的CAD/CAM基础课程混合式教学研究与实践[J]. 高教学刊，2022，5：66-70.

[5]于斐，刘光明. 线上、线下混合式教学在机械CAD/CAM技术课程的实践[J]. 南昌航空大学学报：自然科学版. 2021，35（1）： 123-128.

[6]于斐，刘光明，焦益群. 机械CAD/CAM技术课程教学改革与实践[J]. 机械设计与制造. 2022，8： 263-266.