陳亞洲，榮 星，王 琳，胡志超

(1.集美大學機械與能源工程學院，福建 廈門 361021;2.集美大學計算機工程學院，福建 廈門 361021)

自2017年教育部啟動新工科建設(shè)以來，“復(fù)旦共識”“天大行動”和“北京指南”等極大地促進了國內(nèi)高等教育改革與創(chuàng)新[1]。新工科建設(shè)強調(diào)以立德樹人為引領(lǐng)，以應(yīng)對變化、塑造未來為建設(shè)理念，以繼承與創(chuàng)新、交叉與融合、協(xié)調(diào)與共享為主要途徑，以培養(yǎng)未來多元化、創(chuàng)新型卓越工程人才為根本目標[2]。新工科建設(shè)是主動應(yīng)對新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)革命的戰(zhàn)略選擇。創(chuàng)新型卓越人才的培養(yǎng)需要落實到具體的教學環(huán)節(jié)和具體的課程，新工科建設(shè)需要我們主動變革、積極作為，筆者具體探討如何以新工科理念引領(lǐng)計算機輔助設(shè)計課程教學改革。

一 課程簡介

(一)課程培養(yǎng)目標與地位

計算機輔助設(shè)計是機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)一門重要的專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課程，目的在于培養(yǎng)學生三維設(shè)計思想。希望通過該課程的學習，讓學生理解機械零件和機械系統(tǒng)設(shè)計是一個將平面和空間、靜態(tài)和動態(tài)融為一體的過程；希望通過該課程學習，使得學生能將理論知識綜合應(yīng)用于工程設(shè)計實踐過程中。該課程對學生大學期間后續(xù)的應(yīng)用專題實踐、專業(yè)課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計以及機械設(shè)計創(chuàng)新大賽、互聯(lián)網(wǎng)+大賽、挑戰(zhàn)杯課外學術(shù)科技作品大賽等各種創(chuàng)新、創(chuàng)業(yè)和創(chuàng)造活動起著非常重要的支撐作用。學生只有熟練掌握好了該課程講授的三維建模方法，才能對創(chuàng)意、創(chuàng)新與實踐成果進行良好的表達、展示與呈現(xiàn)。

(二)課程設(shè)置

通過網(wǎng)上調(diào)研，發(fā)現(xiàn)不同層次高校該課程設(shè)置存在一定的差別。例如，研究型大學通常開設(shè)“CAD/CAM原理”進行計算機輔助設(shè)計課程教學、強調(diào)讓學生掌握扎實的理論基礎(chǔ)知識，普通應(yīng)用型本科院校一般結(jié)合三維建模軟件(例如CATIA、UG、Pro/Engineer等)進行計算機輔助設(shè)計課程教學、強調(diào)學生應(yīng)用能力培養(yǎng)。三維建模軟件的講授也有多種形式，其一是結(jié)合工程制圖課程在學生學習完二維繪圖后進行三維建模軟件的講授，其二是單獨設(shè)置一門課程進行三維建模軟件的講授。集美大學機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)采用后一種形式，即單獨設(shè)置一門課程、基于三維建模軟件Pro/Engineer Wildfire 5.0進行計算機輔助設(shè)計課程教學。

二 改革前課程存在的問題

傳統(tǒng)的計算機輔助設(shè)計課程教學以軟件操作界面、常用命令和參數(shù)設(shè)置、建模過程以及實例講解為主，這實際上是一個“知識”傳授過程而不是對學生進行“能力”培養(yǎng)的過程。雖然學生普遍反映課堂教學效果不錯，但是通過對新工科建設(shè)相關(guān)文件和精神的深入學習，發(fā)現(xiàn)該課程已有教學模式與新工科建設(shè)理念相差甚遠[3-5]，需要站在學生畢業(yè)后長遠成長與發(fā)展角度，對課程教學進行重塑。

如何在課程教學中實現(xiàn)“以學生為中心”“以學科交叉與融合為途徑”“以在真實情景下對學生進行工程實踐與創(chuàng)新為目標”，從而達到“以工程實踐為核心對學生進行能力培養(yǎng)”。通過企業(yè)走訪、對學生進行問卷調(diào)查和課程教學團隊集體反思，發(fā)現(xiàn)需要解決以下問題：

1.在課程教學中如何讓學生腦子動起來、耳朵豎起來、眼睛停不下來、心動起來、手勤快起來從而實現(xiàn)“以學生為中心”。

2.如何讓學生具備在不同三維建模軟件之間快速遷移能力，使得他(她)們實踐與創(chuàng)新成果表達不受具體建模軟件制約。該課程采用三維建模軟件Pro/Engineer WildFire5.0進行教學，學生畢業(yè)后到企業(yè)使用的可能是CATIA、UG NX、Inventor、Solid Works和CAXA等不同的三維建模軟件，實際上學生在學校期間跟隨不同的老師從事科技創(chuàng)新活動時，使用的也可能是不同的三維建模軟件，因此需要讓學生掌握不同三維建模軟件之間的共性思維[6]。

3.軟件技術(shù)日新月異，學生在學校期間學習的三維建模軟件，當他們還沒有走出校門可能就已經(jīng)不是最新版本。例如參數(shù)化技術(shù)公司每年推出一款新的Creo版本，最新的Creo為7.0版。為此，需要考慮如何提高學生自主學習和終身學習能力，以應(yīng)對變化。

4.在講授三維建模軟件知識的同時需要實時導(dǎo)入專業(yè)知識，引導(dǎo)學生在模型構(gòu)思時考慮經(jīng)濟、健康、安全與環(huán)保等因素，潛移默化之中實現(xiàn)學科交叉與融合。

5.該課程是計算機輔助設(shè)計(Computer-Aided Design)，設(shè)計面臨的是不確定性的環(huán)境、不確定性的問題，為此需要提高課程難度、增加課程挑戰(zhàn)性、提供課堂問題非標準性解答，從而培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維與創(chuàng)新精神。

三 新工科背景下課程改革思路

(一)轉(zhuǎn)變理念、強化教師對課程的引領(lǐng)作用

理念是行動的先導(dǎo)。進行課程改革，教師自身必須首先轉(zhuǎn)變觀念、提高認識。新工科建設(shè)強調(diào)“以學生為中心”，這不僅沒有弱化教師地位和作用，實際上對教師提出了更高要求。教師要積極貫徹創(chuàng)新型、綜合性、全周期和開放式人才培養(yǎng)理念[1，4]，積極學習以產(chǎn)出為導(dǎo)向的人才培養(yǎng)理念，身體力行“全員、全過程、全方位”育人，在更高的層次上對學生進行引領(lǐng)。

為避免學生學習時陷入建模操作和建模命令的簡單模仿，需要教師對課程教學做好頂層設(shè)計，讓學生從建模命令和建模步驟的記憶過程轉(zhuǎn)變?yōu)樵O(shè)計思維的訓練過程，按照成長型思維培養(yǎng)模式導(dǎo)入教學內(nèi)容、開啟學生心靈窗口、啟迪學生思維、鼓勵學生迎接挑戰(zhàn)[7]。對建模方法舉一反三、讓學生不拘泥于尋求固定答案，鼓勵學生尋找多種可能的建模策略和建模方法，實現(xiàn)“以學生為中心”。

要讓學生自主學習和終身學習，教師首先必須自主學習和終身學習。計算機輔助設(shè)計教學軟件日新月異，新的建模方法(例如多學科協(xié)同設(shè)計法、行為建模法、自頂向下建模法、靈敏度分析法、同步建模法、創(chuàng)成式設(shè)計法等)不斷推出，新的教學方式不斷涌現(xiàn)(例如可汗學院、翻轉(zhuǎn)課堂、線上線下混合式教學、微課、慕課、雨課堂等)，新的教學方法和學習方法層出不窮(例如探究式教學、啟發(fā)式教學、討論式教學、構(gòu)思—設(shè)計—實施—運行CDIO學習法、基于問題/基于項目PBL學習法、成長型思維學習法等)，這些都需要教師自主學習以汲取各方面新的營養(yǎng)[6-9]。教師身體力行、率先垂范、樂于學習、不斷進行能力提升，才能在更高的層次上帶領(lǐng)學生前行。

(二)以工程教育專業(yè)認證為抓手，推進課程教學改革

工程教育專業(yè)認證是新工科建設(shè)的基礎(chǔ)版，只有打造好了基礎(chǔ)版才能升級到高級版。課題組以工程教育專業(yè)認證為抓手，通過組建計算機輔助設(shè)計課程教學團隊、通過對工程教育專業(yè)認證標準深入學習、重新制定了計算機輔助設(shè)計課程大綱。

針對原來課程大綱中課程目標描述不合理，注重知識的傳授而未能體現(xiàn)對學生能力培養(yǎng)的問題，將課程培養(yǎng)目標定位為標準中的指標點5.2和指標點5.3。根據(jù)“使用現(xiàn)代化工具”能力要求，依照現(xiàn)代工具學習、應(yīng)用和提升的遞進關(guān)系，將計算機輔助設(shè)計課程能力培養(yǎng)目標分解為由低到高的三個層次：(1)掌握計算機輔助設(shè)計軟件基本使用方法。(2)能選擇與使用合適的建模命令和建模方法。(3)能開發(fā)或選用計算機輔助設(shè)計建模方法并理解其局限性。按照上述三個層次組織教學過程，要求所有學生能力培養(yǎng)目標達到第二層次，希望80%以上的學生能力培養(yǎng)目標達到第三層次。通過達成度分析，不斷改進教學過程和教學方法。

四 課程改革實踐

(一)學生達成第一層次能力培養(yǎng)目標教學實踐

第一層次能力培養(yǎng)目標是讓學生“掌握CAD軟件基本使用方法”?？梢栽O(shè)計兩種教學模式進行這種能力的培養(yǎng)。模式一，教師先進行命令的講解，然后通過實例展示命令使用方法，接著讓學生通過練習鞏固與提高；模式二，教師直接通過實例講解命令使用方法，學生通過練習鞏固與提高。

采用模式一，存在以下問題：(1)由于計算機輔助設(shè)計軟件是一門操作性很強的課程，教師進行命令講解時學生無法操作，單純的命令講解不利于建模方法和建模思維培養(yǎng)。(2)由于課堂學時有限(例如本課程二維草繪模塊計劃12學時、共6次課，二維草繪模塊涉及到65個操作命令，平均每節(jié)課需要講授11個新的命令，學時很緊張)，過多的命令講解會減少學生課堂上實踐動手機會。(3)教師先講、學生后練，這實際上還是一個“以教師為主”的教學過程。

為此，采用了模式二。采用模式二有以下優(yōu)點：(1)通過實例講解建模操作和建模過程，相當于在具體的情境中進行建模方法傳授，學生理解和掌握更高效。(2)通過實例進行講解，有利于學生建立相關(guān)知識點之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，有利于學生通過聯(lián)想對知識點加強理解和記憶。筆者在臺灣中原大學機械工程系訪學期間，旁聽過相關(guān)課程教學，他們采用的就是模式二。

通過實踐和摸索，發(fā)現(xiàn)如果能解決以下問題，采用模式二進行教學、效果會更好：(1)教師講解實例時要善于導(dǎo)入相關(guān)建模方法，不急于講解具體操作，鼓勵學生開動腦筋、進行思考。表1以直線修剪為例的介紹可以說明學生上課時眼、腦、耳、手都會動起來，無形之中實現(xiàn)了“以學生為中心”。(2)教師精選的實例要盡可能覆蓋到所有命令和操作(這對教師提出了比較高的要求)，如果實例覆蓋的知識點不夠廣泛、則會遺漏相關(guān)知識點，學生在某一方面就無法得到有效訓練。(3)實例講解時應(yīng)該循序漸進，例如第一遍講解命令基本使用方法、第二遍講解命令高階使用方法，這樣學生能力能得到不斷提升。(4)不必拘泥于所有的命令都一定要在實例中講解(所謂教無定式)，對于某些復(fù)雜命令(例如掃描和混合命令)、教師先花幾分鐘講解命令再結(jié)合實例進行展示，學生可能更容易理解和接受。(5)如果實例是教師自己的教學或研究成果(這對教師提出了更高的要求)，學生會倍感親切、效果更好。

(二)學生達成第二層次能力培養(yǎng)目標教學實踐

該課程第二層次能力培養(yǎng)目標是讓學生“會選擇與使用合適的建模命令和建模方法”。以下幾點措施有利于學生第二層次能力培養(yǎng)目標的達成：

1.在實例講解時舉一反三、對每一種命令盡可能列舉出多種可能的方法。計算機輔助設(shè)計軟件對同一種命令一般會提供多種操作方法，例如Pro/Engineer WildFire5.0有4種繪制圓弧的方法、有4種確定孔特征位置的方法、有8種特征陣列方法等。只有學生掌握了多種方法才有可能從多種方法中選擇合適的方法。

2.當不同的建模方法可以建立相同的幾何形狀特征時，對它們的優(yōu)缺點進行對比分析。例如圖1中的孔H1～孔H4，適合于采用孔特征命令創(chuàng)建而不適合采用拉伸去除命令創(chuàng)建，因為孔特征具有一定的工程語義，便于后續(xù)特征識別。

3.從模型穩(wěn)健性、模型可修改性、模型可重用性和模型可制造性等方面對學生進行引導(dǎo)。例如圖1中孔K1～孔K9，適合于采用陣列的方式通過孔特征命令構(gòu)建，其原因是便于對這9個孔同時進行編輯和修改、建模效率比較高。

4.實例講解時注重建模方法的總結(jié)。例如，先構(gòu)建主要幾何特征，再構(gòu)建筋特征、拔模特征等輔助性和修飾性幾何特征；先構(gòu)建基礎(chǔ)特征，最后構(gòu)建倒圓角和倒斜角等特征(見表1)。

表1 以直線修剪為例進行建模方法學習

(三)學生達成第三層次能力培養(yǎng)目標教學實踐

該課程第三層次能力培養(yǎng)目標是讓學生“能開發(fā)或選用計算機輔助設(shè)計建模方法并理解其局限性”?！斑x用計算機輔助設(shè)計建模方法”這一能力培養(yǎng)目標是在第二層次能力培養(yǎng)目標上的延伸和拓展，對學生提出了更高要求。筆者在教學實踐中進行了以下嘗試：

1.強化對學生擴散性思維的培養(yǎng)。例如，針對表1中的直線修剪方法可以組織學生進行更深入的討論：“平面內(nèi)直線修剪方法是否可以適用于空間內(nèi)直線修剪？”“如何拓展空間直線修剪方法將其用于空間曲面修剪？”“你能設(shè)計一個算法并編寫相應(yīng)的直線修剪程序嗎？”等。這些挑戰(zhàn)性的問題會極大地激發(fā)學生學習興趣和學習熱情。

2.對不同CAD軟件中類似的建模命令進行對比分析。例如，Pro/Engineer WildFire5.0有動態(tài)修剪命令，那么其它軟件中是否有類似命令呢？它們功能又有哪些不同呢？表2給出了一個實例。通過這種訓練，能鼓勵學生了解不同建模軟件類似命令背后的共性思維，能培養(yǎng)學生知識遷移能力，使得他(她)們創(chuàng)新、創(chuàng)業(yè)、創(chuàng)造等實踐成果的表達不受具體CAD軟件平臺的限制。

(3)在實例講解中實時導(dǎo)入專業(yè)知識。在CAD軟件教學中實時導(dǎo)入專業(yè)知識，既有利于學生對軟件的理解和掌握、也有利于培養(yǎng)學生大工程觀。例如學生第一次接觸到拔模命令時比較迷惑、不知道如何設(shè)置合適的拔模參數(shù)？為此，可以讓學生回想一下在工程訓練中心制作砂型的情景并介紹相關(guān)工藝知識。又例如，軸類零件一般需要設(shè)置相同的斜角(見圖1、圖2)，學生不理解為何要盡可能設(shè)置相同的斜角。當告知學生倒斜角工藝需要采用倒斜角刀，同一零件上不同部位設(shè)置相同的斜角，便于在同一道工序中進行多個部位的加工，能節(jié)省加工成本，學生就很容易理解了。圖2中，鍵槽T1和T2設(shè)置在同一方向，也是出于加工工藝的考慮。這些專業(yè)知識的實時導(dǎo)入，既有利于培養(yǎng)學生學會選擇合適的建模方法，也能把相關(guān)學科知識串聯(lián)起來，一定程度上實現(xiàn)了人才培養(yǎng)的學科交叉與融合。

表2 不同CAD軟件中類似命令對比分析

圖1 建模方法實例一 圖2 建模方法實例二

(4)引導(dǎo)學生解決挑戰(zhàn)性的問題，培養(yǎng)學生創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力。軟件都是人開發(fā)的，都有一定的局限性。目前CAD軟件在設(shè)計的智能化、自動化、知識化、協(xié)同化和集成化等方面仍有較大的改進空間。讓學生理解這種局限性，能避免學生迷信盲從、有利于培養(yǎng)學生獨立思考能力、有利于培養(yǎng)學生敢于接受挑戰(zhàn)的勇氣。例如，已有的CAD軟件可以實現(xiàn)文字符號沿圓弧排列，但是這些功能無法滿足企業(yè)特殊的需求。某輪胎企業(yè)希望能實現(xiàn)不同類型、不同大小文字符號批量化的從一個圓弧調(diào)整到半徑不同的另外一個圓弧上，這些圓弧上的文字需要采用雕銑刀加工、工藝比較復(fù)雜，筆者帶領(lǐng)學生對此問題進行深入研究、開發(fā)了專用程序、為企業(yè)解決了技術(shù)難題[10-11]，學生創(chuàng)新能力也得到了很大的提升。此外，筆者還帶領(lǐng)學生解決過出水器壓鑄和澆筑參數(shù)化設(shè)計、液壓缸參數(shù)化設(shè)計、模具型腔拔模角度參數(shù)化調(diào)整等計算機輔助設(shè)計問題。當然，這些問題的解決不是在課堂內(nèi)完成的，實際上都是學生課程結(jié)束后跟隨教師進一步研究的結(jié)果，這也體現(xiàn)了課堂內(nèi)和課堂外的翻轉(zhuǎn)。

五 課程改革評價

為適應(yīng)新工科建設(shè)需要，在分析傳統(tǒng)計算機輔助設(shè)計課程教學存在不足的基礎(chǔ)上，踐行“以學生為中心”“以學科交叉與融合為途徑”“以在真實情景下對學生進行工程實踐與創(chuàng)新為目標”“以工程實踐為核心對學生進行能力培養(yǎng)為根本”“以工程教育專業(yè)認證為抓手”等理念，對計算機輔助設(shè)計課程培養(yǎng)目標和培養(yǎng)過程進行了重塑。按照成長型思維培養(yǎng)模式、由淺入深、分三個層次組織教學，教學改革與實踐中注重對學生進行建模思維和建模方法的訓練，取得了較好的效果。近三年來，學生課程目標達成度都在0.7以上，教學團隊中一名成員晉升為副教授，相關(guān)教學條件得到了一定的改善。學生對教學過程評測分數(shù)分別為95.26%，94.00%和95.30%，學生的留言包括“老師有非常不錯的教學理念”“老師能帶動大家思考、鼓勵大家探索”等。這些樸實的話語將激勵教師帶領(lǐng)學生一起前行，新工科建設(shè)還只是剛開始，新功課建設(shè)一直在路上，后續(xù)希望利用人工智能技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)和信息技術(shù)等繼續(xù)深入推進本課程改革。