申明倩 王江濤

摘 要：CDIO基于“項目教學”模式，對學生的三維建模能力進行分解，從“基礎能力、綜合能力、應用能力和創(chuàng)新能力”四個方面分階段設置教學內容、教學目標和教學方式，注重能力層級的系統(tǒng)性和獨立性，打破傳統(tǒng)教學方式的禁錮，實施以“任務為驅動，項目為導向，工作過程為載體”的“四段式”一體化教學方法，使學生在具體項目教學中感受到建模理論與設計實踐的有效結合。

關鍵詞：任務驅動；工作過程；教學模式；Pro/E軟件；CDIO

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：2095-7394（2016）06-0093-05

1 CDIO教學法的引入

CDIO（Conceiving-Designing-Implementing-Operation，即構思—設計—實現(xiàn)—運行）是由麻省理工學院、瑞典查爾斯技術學院、瑞典皇家工學院和瑞典林克平大學等國際知名高校，經(jīng)過四年的探索研究創(chuàng)立而形成的一種新型的國際工程教育模式。[1]相較于傳統(tǒng)教學模式，CDIO更加注重對學生能力的培養(yǎng)，其能力評價指標包括基礎能力、綜合能力、應用能力和創(chuàng)新能力。[2]針對工業(yè)設計專業(yè)三維軟件課程，基礎能力強調學生對軟件常用命令、基本工具的學習和掌握；綜合能力著重培養(yǎng)學生的項目實施能力，使學生在具體項目建模時對圖紙的理解、建模方法的分析、建模思路的形成以及具體建模操作能力；應用能力是指將三維軟件和后期的加工制造環(huán)節(jié)結合起來，比如將建模文件轉換成stl格式導入3D打印軟件進行3D打印或者生成NC代碼，輸出NC代碼后進行數(shù)控加工；創(chuàng)新能力則通過引入設計比賽強化學生的設計創(chuàng)新與設計實踐能力。

為此我們結合三維軟件課程教學的特點，融入CDIO理念，以這四種能力為核心進行課程教學內容、教學模式、教學手段等的改革與實踐，克服傳統(tǒng)軟件教學中存在的弊端和問題，形成以“任務為驅動，項目為導向，工作過程為載體”的一體化教學模式，培養(yǎng)學生成為擅設計、能創(chuàng)新、肯協(xié)作，能適應市場需要的現(xiàn)代產(chǎn)品設計師。

2 基于CDIO和工作過程的“四段式”一體化教學模式實施

工業(yè)產(chǎn)品設計是有計劃、有步驟、有目標、有方向的創(chuàng)造活動。每個產(chǎn)品設計過程都是解決問題的過程。產(chǎn)品設計是一種程序，包括信息搜集和理解的工作、創(chuàng)造性的工作（如材料的選擇、色彩的搭配等）、交流方面的工作（如產(chǎn)品的裝配設計）、測試和評價方面的工作（如結構的優(yōu)化）以及說明的工作等。三維軟件課程開設在大三的第一學期，學生已經(jīng)完成了設計方法學、材料工藝學、產(chǎn)品形態(tài)設計、手繪效果圖等專業(yè)課程的學習，具備了進行產(chǎn)品設計的基礎知識和基本技能，因而該課程的主要目標是借助Pro/E軟件綜合利用專業(yè)知識將設計方案以直觀、生動的形式表現(xiàn)出來。在具體教學過程中，結合能力培養(yǎng)的目標要求和CDIO的理念，將教學內容分解為四個階段：基礎能力培養(yǎng)階段、綜合能力培養(yǎng)階段、應用能力培養(yǎng)階段和創(chuàng)新能力培養(yǎng)階段，如圖1所示。這四階段是連續(xù)的、一體的，缺一不可。

2.1 基礎能力培養(yǎng)階段

工業(yè)產(chǎn)品設計是創(chuàng)造性的過程，而三維軟件課程是這一過程開啟的基礎。該課程涉及實體建模方法的基礎理論、曲面造型的基礎知識、色彩搭配的基礎技巧以及材質選擇的基本原則等。可以看出，將這些基礎的知識和能力全面展開會耗費大量的課時，但如果以某產(chǎn)品為例來講授相關的概念和知識會讓學生容易理解和接受。在具體教學中，要想獲得良好的教學效果，必須打破傳統(tǒng)大而全的教學模式，結合專業(yè)特點采取重點講解的方式。按照CDIO的能力分析，該階段主要培養(yǎng)學生的專業(yè)基礎能力，在軟件學習中貫穿草繪、實體、工程圖、色彩、材質、光源、陰影和剖切等模塊專業(yè)技能的訓練（如圖2所示）。而且每個模塊在命令講解時采用項目教學法[3]，通過導入企業(yè)委托項目或教師研究課題，按照“基于工作過程”的產(chǎn)品開發(fā)流程，引導學生完成三維模型的構建，工程圖紙的生成以及效果渲染等設計任務，讓學生在項目實施過程中不僅掌握軟件操作工具，而且強化工業(yè)設計相關核心專業(yè)基礎知識和理論水平。同時，項目教學過程中完成的三維模型由于更契合企業(yè)生產(chǎn)實際，會激發(fā)學生個人成就感，激勵學生的建模主動性。

2.2 綜合能力培養(yǎng)階段

Pro/E軟件強調參數(shù)化設計的概念，因此其建模方式和二維軟件有很大的不同，而很多學生在學習三維之前大都接受了二維（AutoCAD）的學習，因此，在進行三維建模時會因為建模方式的不同而不習慣。但是，Pro/E軟件的參數(shù)化、單一數(shù)據(jù)庫等特點使得三維建模在模型尺寸修改、尺寸驅動等方面具有巨大的優(yōu)勢。[4]因此，對于三維建模來說，必須提升學生的二維轉化三維的建模能力，這部分主要是規(guī)定建模部分，主要包括學生對建模產(chǎn)品的結構分析、建模命令的選擇以及建模思路的形成。對于Pro/E軟件來講，建模時同一零件往往可以采用不同的方法進行造型，建模命令的選擇取決于建模者對命令的熟悉程度以及對于零件結構的理解，而且不同建模命令會影響建模的結構和速度。在根據(jù)二維圖紙繪制三維實體的規(guī)定建模階段以培養(yǎng)學生的讀圖能力、結構設計能力和三維建模能力為主，該階段學生的主要任務為熟悉圖紙，并選擇合適的建模方法進行三維建模。企業(yè)的實際需求是創(chuàng)新設計，必須在教學中將學生帶入接近企業(yè)實際情況的情境中，對學生的創(chuàng)新設計等能力進行培養(yǎng)和訓練，如圖3所示。在規(guī)定建模結束后，接著就進行部分建模階段，該階段在主體部分采用規(guī)定建模，在此基礎上要求學生添加自己的創(chuàng)意使得產(chǎn)品或零件的結構或功能實現(xiàn)飛躍。該階段不僅強化了學生的建模能力，更對學生的發(fā)現(xiàn)問題能力、創(chuàng)新設計能力，全局優(yōu)化能力等進行培訓。同時，為了鼓勵學生進行創(chuàng)新設計，只要求功能，讓學生根據(jù)已有的建模方法，進行新產(chǎn)品的設計與建模。

借助案例引導實施上述培養(yǎng)方案，通過基于CDIO能力訓練，不僅能培養(yǎng)學生形成清晰的建模思路和良好的建模習慣，而且會增強學生的綜合建模能力，可加強學生對案例建模的總體把控，能提高學生的建模效率，最終滿足各種企業(yè)對設計類人才的需求狀況。

2.3 應用能力培養(yǎng)階段

該階段的實施可采用面向工作過程的方法，通過給定產(chǎn)品功能要求，按照產(chǎn)品的研發(fā)和設計需要，面向產(chǎn)品的開發(fā)目標招募和組織學生團隊，形成靈活的目標-團隊模式，每個成員參與到整個產(chǎn)品開發(fā)的各個環(huán)節(jié)中，不斷在設計、實施、測試、再設計的多次迭代中優(yōu)化設計方案。

將模型建立完成后，模型的正確與否，需要經(jīng)過實踐的檢驗。Pro/E軟件的競爭優(yōu)勢在于可以和后期的加工制造環(huán)節(jié)聯(lián)系起來，其可以生成NC代碼，輸出NC代碼后進行數(shù)控加工。但對于在校的大學生來說，這部分很少有機會來實現(xiàn)。但是當將Pro/E文件轉換成stl格式時，可以導入3D打印軟件進行3D打印，不僅完成產(chǎn)品的三維建模，還可以將實物加工出來，在工業(yè)設計專業(yè)畢業(yè)設計環(huán)節(jié)實體模型制作時具有現(xiàn)實的應用意義。但不同材料對加工方法和加工工藝有不同的要求，在課程中應該引導學生結合專業(yè)知識對材料進行分析，選擇合適的成型方法，對模型進行功能反洗，設計出能實施加工的三維模型。在該過程中，以問題解決為導向，鼓勵學生圍繞課題主動學習，利用所學的專業(yè)知識和建模方法解決問題、創(chuàng)新設計的同時自主構建個人的知識體系，教師主要的責任是給出目標或問題，不斷刺激學生討論、快速主動學習新知識、研究解決問題的辦法。圖4是學生進行應用能力培養(yǎng)階段的實施過程。

2.4 創(chuàng)新能力培養(yǎng)階段

工業(yè)設計非常重視設計實踐，臺灣浩漢設計公司總經(jīng)理陳文龍先生說：“設計是一個實做的行業(yè)，只有從動手的那一刻起，才真正開始學習”。[5]而讓學生進行設計實踐的最佳方式是參加設計比賽，縱觀國內外的設計比賽，發(fā)現(xiàn)設計創(chuàng)意是評委進行設計評判的首要因素[6]，大多獲獎的作品都具有比較新穎的想法和創(chuàng)意思想，這是激發(fā)學生創(chuàng)新能力的最有效手段。因此，在教學中引入設計比賽，比如像東莞杯國際工業(yè)設計大賽、海峽工業(yè)設計大獎賽、太湖杯工業(yè)設計大賽等等，在課堂上通過對設計比賽章程的解讀，引導學生根據(jù)比賽要求進行方案創(chuàng)新設計，并進行三維建模訓練，激勵學生用作品表現(xiàn)最佳創(chuàng)意和設計方案，將最終的完善的設計方案參加到比賽環(huán)節(jié)，不僅能推動學生對軟件的學習和探索，同時，對于學生的創(chuàng)新能力也起到較大的促進作用。

3 教學實踐

基于CDIO的實踐教學改革模式，在三維基礎設計2（Pro/E軟件）課程中對2012級、2013級共8個班的學生進行教學實踐。在基礎能力培養(yǎng)階段，通過對能力目標考核發(fā)現(xiàn)學生在讀圖能力、草繪能力、特征建模能力以及三視圖生成能力等方面的差距不大，因為這些能力是Pro/E軟件課程教學學生應該具備的基本能力。在綜合能力指標考核中， CDIO模式打破傳統(tǒng)的學生跟著老師一步步建模的套路，將教學重點放在學生對建模方法、建模思路、建模命令優(yōu)化以及基于工作效率的建模順序等方面的強化與培養(yǎng)，讓學生從基于案例被動建模變?yōu)橹鲃铀伎?、基于個人對軟件的掌握、產(chǎn)品特征的理解融入靈活的建模方法，增加學生在三維建模過程中的駕馭能力和成就感。這種“授之以漁”的教學模式得到學生的極力推崇，教學效果有了質的飛躍。在應用能力指標考核中，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的教學模式在實際應用方面較弱，課程僅僅局限于軟件的掌握，對于三維模型后期如何加工、采用何種材料、結構是否合理、最終實際產(chǎn)品效果等方面鮮少涉及，致使學生僅僅處于理論階段的學習，而且因為缺少對具體制造等環(huán)節(jié)的思考，在整個建模中缺乏全局觀念，可能致使最終的三維模型無法轉化為實際產(chǎn)品。而課程在引入CDIO模式后，有意識的培養(yǎng)學生在后期制造、具體應用方面的思考，提高學生解決實際問題的能力。在創(chuàng)新能力指標考核中，引入CDIO模式后將課程和設計比賽結合起來，以比賽促教學，提高學生的實戰(zhàn)能力，因為時間節(jié)點關系，2012級學生在本課程中選擇參加第四屆國際“永安”竹具設計大賽，在課堂上通過對參賽作品要求、評分標準等內容的詳細解讀，引導學生進行方案的創(chuàng)新設計，并將設計方案用Pro/E軟件進行三維建模以及材質效果的渲染。學生積極性較高，4個班級132名學生參與了最終的設計比賽，并取得了良好的成績，學生的創(chuàng)新能力、對軟件的綜合應用能力得到了極大的提升。對于課程期間沒有合適設計比賽的2013級工設專業(yè)學生，通過引導學生將優(yōu)秀的設計建模方案申報專利，激發(fā)學生不斷優(yōu)化設計方案，確保造型的新穎、美觀。

4 結語

三維建模作為實體建模的有效工具，在工業(yè)設計專業(yè)教學中越來越得到重視。筆者運用多年的教學實踐經(jīng)驗，將CDIO模式引入三維軟件課堂，不僅有效克服了傳統(tǒng)教學中存在的不足，而且結合CDIO和工作過程等理念，針對學生應該具備的基礎能力、綜合能力、應用能力和創(chuàng)新能力四個方面入手，將理論、實踐、應用等幾個方面有效的結合起來，以實踐來促教學，實施四個階段的模式，讓學生在夯實建模命令的同時，能夠真正將三維軟件作為一個有效的技能和工具應用設計創(chuàng)新實踐，激發(fā)學生學習的積極性和成就，變被動學習為主動學習，真正實現(xiàn)CDIO（即構思—設計—實現(xiàn)—運行）這一模式對課堂教學的有效指導。

參考文獻：

[1] 陳亦仁，郭星，馬強.CDIO模式下工業(yè)設計專業(yè)人機工程學教學改革的實踐性探索[J].河北工程大學學報（社會科學版），2013，30（3）：113-116.

[2] 楊艷紅，鐘相強，張海敏. CDIO模式下的工業(yè)設計人才綜合能力實踐[J]. 赤峰學院學報（自然科學版）， 2014， 30（10）：252-254.

[3] 易守華， 朱克憶， 張柏森. 項目教學法及其在《Pro/Engineer產(chǎn)品造型設計》教學中的應用[J]. 職業(yè)教育研究， 2006（8）： 148-150.

[4] 孫筠. Pro/E在塑料模具設計中的應用[J]. 塑料科技，2016，44（6）： 72-75.

[5] 李辛沫. CDIO理念下的工業(yè)設計產(chǎn)學研合作研究與實踐[J].教育教學論壇，2015（7）：120-122.

[6] 陳磊. 設計比賽引入工業(yè)設計專業(yè)課程教學談[J].藝術教育，2014（12）：162.

The Implementation of “Four Section” Teaching Mode based on CDIO

——Take the 3-D Software Course of ID as an Example

SHEN Ming-qian1 ， WANG Jiang-tao2

（1.School of Art and Design， Jiangsu University of Technology， Changzhou 213001， China；

2. School of Materials and Engineering， Jiangsu University of Technology， Changzhou 213001， China）

Abstract： CDIO based on the "project teaching" mode， decomposes students modeling ability and sets up teaching content， teaching objectives and teaching methods from four aspects of “basic ability， comprehensive ability， application ability and innovation ability”. The systematicness and independence of ability level is focused. The traditional teaching mode is broken. The "four stage" integrated teaching method including “task-driven， project-oriented， work process as carrier” was implemented， so as to make the students feel the effective combination of modeling theory and design practice in concrete project teaching.

Key words： task-driven； working process； teaching mode； Pro/E Software；CDIO

責任編輯 祁秀春