王文軍　林偉健　李福送

[摘 要]為了評估三維CAD教學效果，課題組針對在校學生、校企合作公司和歷屆畢業(yè)生進行了有關(guān)調(diào)研。根據(jù)調(diào)研結(jié)果來看，三維CAD教學改革勢在必行。課題組采用工程案例教學模式，首先以本專業(yè)人才培養(yǎng)方案為基礎(chǔ)，根據(jù)學生所學專業(yè)基礎(chǔ)知識和課題組教師的組成情況，以兩個經(jīng)典工程案例展示工程案例的精選和實施過程，同時研究工程案例教學的考核與評價。實驗班教學結(jié)果表明：學生在課堂教學過程中比較活躍，對三維CAD學習興趣濃厚，而且有主見，對軟件操作比較熟練。本研究對本課程或其他課程推廣案例教學有一定的指導(dǎo)意義。

[關(guān)鍵詞]工程案例;三維CAD;改革;實施過程;考核方式

[中圖分類號] G642.0 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2021）09-0085-03

根據(jù)機械類企業(yè)的需求，對于工程院校機械類專業(yè)的學生而言，掌握一門三維CAD軟件是十分必要的，其可為學生接下來的課程設(shè)計和畢業(yè)設(shè)計，也為今后走上工作崗位從事機械設(shè)計奠定專業(yè)基礎(chǔ)。從近幾年的教學評價體系來看，三維CAD教學存在一定的問題，主要體現(xiàn)為：一是學生學習完后對知識掌握得不牢固，這在學生做專業(yè)課程設(shè)計和畢業(yè)設(shè)計時明顯體現(xiàn)出來;二是本課程所教所學與工程實際應(yīng)用不能有效結(jié)合起來，具體調(diào)研情況如表1所示。

基于上述原因，學校有必要進行三維CAD教學改革。探索一種既能讓學生學習比較系統(tǒng)的知識，又能牢固地掌握，還能與企業(yè)的實際設(shè)計無縫對接的教學方法已經(jīng)迫在眉睫。

案例教學在美國哈佛大學商學院首先使用[1]。近年來，案例教學廣泛應(yīng)用于工程類課程 [2-5]。工程案例在三維軟件教學也得到了一定的研究[6-8]。但是目前工程案例教學的研究一般都是針對某個方面的研究，而從教學調(diào)研、案例精選、方案實施和過程評價等全面去研究工程案例教學的還比較少。

一、三維CAD教學概況

三維CAD這門課程的載體是三維CAD軟件。目前，三維CAD軟件有UG（Unigraphics）NX、Pro/Engineer、SolidWorks和Catia等，本門課程所采用的三維CAD軟件是目前應(yīng)用比較廣泛的西門子UG NX。UG NX界面友好，同時具有強大的三維建模功能、完善的后續(xù)處理功能、數(shù)據(jù)交換性好等特性。

目前的三維CAD教材中UG NX內(nèi)容比較繁雜，介紹UG NX軟件操作命令的章節(jié)過多，操作命令又是比較枯燥的，加上沒有配上相應(yīng)的操作步驟圖片，使得教材可讀性不強。本課題組編寫了一本UG NX教材，能與本課程教學改革相配套。

本課題組的師資隊伍中有2位是來自企業(yè)的任課教師，他們是從事產(chǎn)品設(shè)計、機械制造及工程管理工作近十年的工程師，有著豐富的生產(chǎn)實踐經(jīng)驗和實際產(chǎn)品設(shè)計案例。三維CAD任課教師都具有雙師型教師資格，因此，在實施本課程改革的過程中，能把理論和工程實際有機結(jié)合起來。

二、工程案例的精選

三維CAD工程案例的選擇首先要根據(jù)本校人才培養(yǎng)方案的要求，其次是根據(jù)將要授課學生的知識背景情況，最后根據(jù)學生之前所學機械制圖和二維CAD的知識掌握情況等綜合因素來決定的。

（一）工程案例的選擇要緊扣三維CAD教學目標

三維CAD課程是機械類專業(yè)的一門基礎(chǔ)課，其主要任務(wù)是培養(yǎng)學生學會用三維軟件進行產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)，包括零件建模、零件裝配及生成工程圖樣，以達到運用軟件解決工程實際問題的能力。通過本課程的學習，使學生熟練掌握三維軟件的操作方法，為其課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計和今后從事機械設(shè)計工作打下良好的基礎(chǔ)。

本課程的前續(xù)課程有機械制圖、機械制圖上機訓練，后續(xù)課程有各專業(yè)課程的課程設(shè)計，以及畢業(yè)設(shè)計，都是對本課程知識應(yīng)用的延續(xù)。

（二）工程案例的選擇要基于學生的知識背景

對將要進行授課的學生的課程成績進行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)大部分學生的機械制圖A和二維CAD課程成績都是中等，少部分良好及以上。這說明選擇工程案例要以學生所掌握的有關(guān)課程知識情況作為考量，本次工程案例選擇標準應(yīng)當是偏中等難度，這有利于學生的理解和操作，同時也保證課程教學可順利進行。

（三）工程案例的選擇要符合教學大綱內(nèi)容要求

工程案例的選擇首先要符合教學大綱內(nèi)容的基本要求。課題組根據(jù)擁有的工程案例庫，結(jié)合三維CAD教學目標和學生的知識背景，對本課程的每個基本知識內(nèi)容精選出一到兩個工程案例進行教學。本文以軸承蓋和制動器兩個經(jīng)典的工程案例進行說明。

1.軸承蓋

軸承蓋是結(jié)構(gòu)比較經(jīng)典的零件。軸承蓋安裝在軸承端面，用于固定軸承，調(diào)整軸承間隙并承受軸向力，在機械傳動裝置中應(yīng)用很廣泛，如圖1所示。要求學生了解軸承蓋的構(gòu)造，從工藝上來說，軸承蓋是通過對棒料進行切削加工而成的。應(yīng)用UG NX軟件完成該零件的建模，涉及的內(nèi)容[9]有：

（1）應(yīng)用UG NX基礎(chǔ)知識中的啟動、文件操作、工作界面、軟件參數(shù)設(shè)置、對象操作、圖層的使用和基本操作等功能。

（2）應(yīng)用UG NX草圖繪制中的草圖坐標系、草圖定位、草圖基本曲線的繪制、草圖幾何約束和草圖尺寸約束等功能。

（3）應(yīng)用UG NX實體建模中的基準特征、基本體素特征及基本特征的創(chuàng)建、編輯、刪除和變換等內(nèi)容。

2.制動器

制動器安裝在某型電機后端剎車輪的兩邊上，其作用是對電機進行停止動作。制動器是一個包含21個零件的裝配，如圖2所示。該工程案例除了零件三維建模之外，重點內(nèi)容是裝配和爆炸圖。用UG NX軟件完成零件的建模、裝配和爆炸圖操作，涉及的內(nèi)容[9]有：

（1）應(yīng)用UG NX基礎(chǔ)知識中的啟動、文件操作、工作界面、軟件參數(shù)設(shè)置、對象操作、圖層的使用和基本操作等功能。

（2）應(yīng)用UG NX草圖繪制中的草圖坐標系、草圖定位、草圖基本曲線的繪制、草圖幾何約束和草圖尺寸約束等功能。

（3）應(yīng)用UG NX實體建模中的基準特征、基本體素特征及基本特征的創(chuàng)建、編輯、刪除和變換等內(nèi)容。

（4）應(yīng)用UG NX裝配中的從底向上設(shè)計方法、自頂向下設(shè)計方法、組件陣列、部件清單與裝配爆炸視圖等內(nèi)容。

三、工程案例教學法的實施

本教學改革以機械工程系機制2018級6班和機制2018級7班為實驗班，授課地點在本校的多媒體式機房。機房擁有120臺計算機，配備了投影設(shè)備、音響和多媒體控制設(shè)備及相關(guān)軟件，完全滿足三維CAD教學要求。本文以軸承蓋和制動器兩個案例來說明工程案例教學法的實施過程。

（一）軸承蓋案例

1.在授課前一兩天，任課教師把電子版軸承蓋零件圖發(fā)給學生，要求學生先了解零件的結(jié)構(gòu)和尺寸、零件的用途。

2.在上課開始時，任課教師首先結(jié)合UG NX軟件說明這節(jié)課所學習的三維CAD建模的主要內(nèi)容，讓學生有目標地去學習和思考。

3.任課教師通過多媒體管理軟件把電子版圖紙發(fā)送到計算機的學生端上。學生收到圖紙后，首先要分析圖紙中的零件結(jié)構(gòu)，結(jié)合UG NX軟件思考如何建模。學生用10到15分鐘的時間去構(gòu)思和完成。同時，教師讓學生扮演某公司的技術(shù)人員，以角色扮演方式，讓學生作為項目的實施者[1]。

4.請2到3個學生來談?wù)勊麄兘５乃悸泛筒襟E、遇到的問題和解決方法。任課教師可以通過多媒體教學軟件管理端，讓所有電腦屏幕都顯示該演示學生的計算機屏幕，看他是如何操作的。

5.最后，任課教師結(jié)合學生畫圖過程中所出現(xiàn)的問題，對該零件建模中所需要的操作命令和內(nèi)容進行總結(jié)歸納，對重點難點操作通過多媒體軟件管理演示給學生看。最終的軸承蓋三維建模如圖3所示。

（二）制動器案例

1.在授課前一兩天，任課教師把電子版制動器裝配圖和相關(guān)零件圖發(fā)給學生，要求學生先了解零件的結(jié)構(gòu)、裝配的要求和步驟、爆炸圖的形成。因為工程案例涉及的零件比較多，所以由2到3名學生作為一個小組來共同完成。

2.任課教師首先結(jié)合UG NX軟件說明這節(jié)課所學習的三維CAD的主要內(nèi)容，讓學生有目標地去學習和思考。

3.任課教師通過多媒體管理軟件把電子版圖紙發(fā)送到計算機的學生端上。學生收到圖紙后，首先要分析圖紙中的零件結(jié)構(gòu)，再用30分鐘左右的時間去構(gòu)思和完成。結(jié)合UG NX軟件完成零件建模、裝配圖和爆炸圖。同時教師向?qū)W生說明，學生小組就是相當于某公司的一個技術(shù)團隊，共同完成一個項目的相關(guān)設(shè)計工作。

4.要求每個小組派代表來談?wù)勊麄児ぷ鞯乃悸泛筒襟E、遇到的問題和解決方法。任課教師可以通過多媒體教學軟件管理端，讓所有電腦屏幕都顯示該演示學生的計算機屏幕。

5.最后，任課教師結(jié)合學生畫圖過程中所出現(xiàn)的問題，對裝配和爆炸圖中所需要的操作命令和內(nèi)容進行總結(jié)歸納，對重點難點步驟通過多媒體管理軟件演示給學生看。最終制動器裝配圖如圖4所示，制動器爆炸圖如圖5所示。

四、工程案例教學的考核與評價方式

工程案例教學的考核以過程考核為主，可采用討論法、對比法和分析法來進行評價。評價依據(jù)包括建模的思路、裝配步驟的合理性、最終整體的效果、回答問題的正確性和操作UG NX軟件過程中的表現(xiàn)等。學生完成工程案例后，通過多媒體管理軟件上傳到教師端的計算機上，任課教師課后對所有學生上傳的文件內(nèi)容進行批改。最后，教師綜合各方面因素，對于每個工程案例，給每個學生或每個小組相應(yīng)的等級分數(shù)。過程考核在期末考試中占50%～60%。

（一）討論法

組織任課組教師在期中和期末進行集體討論，對本課程的教學方法進行大討論，總結(jié)自身的教學情況，對教學進行評價和給出建議。

（二）對比法

任課教師在臨近期末的時候，針對實施工程案例教學法，對實驗班和普通班進行調(diào)查問卷，掌握學生對工程案例教學各個方面的反饋情況。針對實施工程案例教學法后，學生的聽課效果、學習興趣、考核成績等問題進行橫向和縱向?qū)Ρ取?/p>

（三）分析法

分析收集任課組教師的討論結(jié)果和學生的反饋意見，分析所用的工程案例、現(xiàn)有教材、學生的學習特點等，最終形成理論成果。繼續(xù)到相關(guān)企業(yè)調(diào)查了解畢業(yè)學生在企業(yè)中應(yīng)用三維CAD的情況和反饋意見，為今后工程案例教學的改進提供依據(jù)和積累相關(guān)經(jīng)驗。

五、結(jié)束語

通過工程案例精選、工程案例的實施與過程監(jiān)控，課題組最后進行工程案例考核和評價。對比實驗班和普通班級，發(fā)現(xiàn)實驗班學生學習興趣比較濃，積極主動學習，課前有預(yù)習和準備，課后經(jīng)常與老師探討一些問題，期末考試成績也比較理想。該課程教學改革得到了學生的認可。

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[責任編輯：鐘 嵐]