基于工程案例的三維CAD教學(xué)改革與實(shí)踐

王文軍　林偉健　李福送

[摘 要]為了評(píng)估三維CAD教學(xué)效果，課題組針對(duì)在校學(xué)生、校企合作公司和歷屆畢業(yè)生進(jìn)行了有關(guān)調(diào)研。根據(jù)調(diào)研結(jié)果來看，三維CAD教學(xué)改革勢(shì)在必行。課題組采用工程案例教學(xué)模式，首先以本專業(yè)人才培養(yǎng)方案為基礎(chǔ)，根據(jù)學(xué)生所學(xué)專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)和課題組教師的組成情況，以兩個(gè)經(jīng)典工程案例展示工程案例的精選和實(shí)施過程，同時(shí)研究工程案例教學(xué)的考核與評(píng)價(jià)。實(shí)驗(yàn)班教學(xué)結(jié)果表明：學(xué)生在課堂教學(xué)過程中比較活躍，對(duì)三維CAD學(xué)習(xí)興趣濃厚，而且有主見，對(duì)軟件操作比較熟練。本研究對(duì)本課程或其他課程推廣案例教學(xué)有一定的指導(dǎo)意義。

[關(guān)鍵詞]工程案例;三維CAD;改革;實(shí)施過程;考核方式

[中圖分類號(hào)] G642.0 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 2095-3437（2021）09-0085-03

根據(jù)機(jī)械類企業(yè)的需求，對(duì)于工程院校機(jī)械類專業(yè)的學(xué)生而言，掌握一門三維CAD軟件是十分必要的，其可為學(xué)生接下來的課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)，也為今后走上工作崗位從事機(jī)械設(shè)計(jì)奠定專業(yè)基礎(chǔ)。從近幾年的教學(xué)評(píng)價(jià)體系來看，三維CAD教學(xué)存在一定的問題，主要體現(xiàn)為：一是學(xué)生學(xué)習(xí)完后對(duì)知識(shí)掌握得不牢固，這在學(xué)生做專業(yè)課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)時(shí)明顯體現(xiàn)出來;二是本課程所教所學(xué)與工程實(shí)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(xué)校有必要進(jìn)行三維CAD教學(xué)改革。探索一種既能讓學(xué)生學(xué)習(xí)比較系統(tǒng)的知識(shí)，又能牢固地掌握，還能與企業(yè)的實(shí)際設(shè)計(jì)無縫對(duì)接的教學(xué)方法已經(jīng)迫在眉睫。

案例教學(xué)在美國(guó)哈佛大學(xué)商學(xué)院首先使用[1]。近年來，案例教學(xué)廣泛應(yīng)用于工程類課程 [2-5]。工程案例在三維軟件教學(xué)也得到了一定的研究[6-8]。但是目前工程案例教學(xué)的研究一般都是針對(duì)某個(gè)方面的研究，而從教學(xué)調(diào)研、案例精選、方案實(shí)施和過程評(píng)價(jià)等全面去研究工程案例教學(xué)的還比較少。

一、三維CAD教學(xué)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(shí)具有強(qiáng)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(qiáng)。本課題組編寫了一本UG NX教材，能與本課程教學(xué)改革相配套。

本課題組的師資隊(duì)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(jì)、機(jī)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(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際產(chǎn)品設(shè)計(jì)案例。三維CAD任課教師都具有雙師型教師資格，因此，在實(shí)施本課程改革的過程中，能把理論和工程實(shí)際有機(jī)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(xué)生的知識(shí)背景情況，最后根據(jù)學(xué)生之前所學(xué)機(jī)械制圖和二維CAD的知識(shí)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(xué)目標(biāo)

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

本課程的前續(xù)課程有機(jī)械制圖、機(jī)械制圖上機(jī)訓(xùn)練，后續(xù)課程有各專業(yè)課程的課程設(shè)計(jì)，以及畢業(yè)設(shè)計(jì)，都是對(duì)本課程知識(shí)應(yīng)用的延續(xù)。

（二）工程案例的選擇要基于學(xué)生的知識(shí)背景

對(duì)將要進(jìn)行授課的學(xué)生的課程成績(jī)進(jìn)行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)大部分學(xué)生的機(jī)械制圖A和二維CAD課程成績(jī)都是中等，少部分良好及以上。這說明選擇工程案例要以學(xué)生所掌握的有關(guān)課程知識(shí)情況作為考量，本次工程案例選擇標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)當(dāng)是偏中等難度，這有利于學(xué)生的理解和操作，同時(shí)也保證課程教學(xué)可順利進(jìn)行。

（三）工程案例的選擇要符合教學(xué)大綱內(nèi)容要求

工程案例的選擇首先要符合教學(xué)大綱內(nèi)容的基本要求。課題組根據(jù)擁有的工程案例庫(kù)，結(jié)合三維CAD教學(xué)目標(biāo)和學(xué)生的知識(shí)背景，對(duì)本課程的每個(gè)基本知識(shí)內(nèi)容精選出一到兩個(gè)工程案例進(jìn)行教學(xué)。本文以軸承蓋和制動(dòng)器兩個(gè)經(jīng)典的工程案例進(jìn)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(jī)械傳動(dòng)裝置中應(yīng)用很廣泛，如圖1所示。要求學(xué)生了解軸承蓋的構(gòu)造，從工藝上來說，軸承蓋是通過對(duì)棒料進(jìn)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(shí)中的啟動(dòng)、文件操作、工作界面、軟件參數(shù)設(shè)置、對(duì)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(biāo)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(shí)體建模中的基準(zhǔn)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(dòng)器

制動(dòng)器安裝在某型電機(jī)后端剎車輪的兩邊上，其作用是對(duì)電機(jī)進(jìn)行停止動(dòng)作。制動(dòng)器是一個(gè)包含21個(gè)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(diǎn)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(shí)中的啟動(dòng)、文件操作、工作界面、軟件參數(shù)設(shè)置、對(duì)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(biāo)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(shí)體建模中的基準(zhǔn)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(jì)方法、自頂向下設(shè)計(jì)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(xué)法的實(shí)施

本教學(xué)改革以機(jī)械工程系機(jī)制2018級(jí)6班和機(jī)制2018級(jí)7班為實(shí)驗(yàn)班，授課地點(diǎn)在本校的多媒體式機(jī)房。機(jī)房擁有120臺(tái)計(jì)算機(jī)，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(xué)要求。本文以軸承蓋和制動(dòng)器兩個(gè)案例來說明工程案例教學(xué)法的實(shí)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(xué)生，要求學(xué)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(shí)，任課教師首先結(jié)合UG NX軟件說明這節(jié)課所學(xué)習(xí)的三維CAD建模的主要內(nèi)容，讓學(xué)生有目標(biāo)地去學(xué)習(xí)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(jì)算機(jī)的學(xué)生端上。學(xué)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(xué)生用10到15分鐘的時(shí)間去構(gòu)思和完成。同時(shí)，教師讓學(xué)生扮演某公司的技術(shù)人員，以角色扮演方式，讓學(xué)生作為項(xiàng)目的實(shí)施者[1]。

4.請(qǐng)2到3個(gè)學(xué)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(xué)軟件管理端，讓所有電腦屏幕都顯示該演示學(xué)生的計(jì)算機(jī)屏幕，看他是如何操作的。

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

（二）制動(dòng)器案例

1.在授課前一兩天，任課教師把電子版制動(dòng)器裝配圖和相關(guān)零件圖發(fā)給學(xué)生，要求學(xué)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?yàn)楣こ贪咐婕暗牧慵容^多，所以由2到3名學(xué)生作為一個(gè)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(xué)習(xí)的三維CAD的主要內(nèi)容，讓學(xué)生有目標(biāo)地去學(xué)習(xí)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(jì)算機(jī)的學(xué)生端上。學(xué)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(shí)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(shí)教師向?qū)W生說明，學(xué)生小組就是相當(dāng)于某公司的一個(gè)技術(shù)團(tuán)隊(duì)，共同完成一個(gè)項(xiàng)目的相關(guān)設(shè)計(jì)工作。

4.要求每個(gè)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(xué)軟件管理端，讓所有電腦屏幕都顯示該演示學(xué)生的計(jì)算機(jī)屏幕。

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

四、工程案例教學(xué)的考核與評(píng)價(jià)方式

工程案例教學(xué)的考核以過程考核為主，可采用討論法、對(duì)比法和分析法來進(jìn)行評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)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(xué)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(jì)算機(jī)上，任課教師課后對(duì)所有學(xué)生上傳的文件內(nèi)容進(jìn)行批改。最后，教師綜合各方面因素，對(duì)于每個(gè)工程案例，給每個(gè)學(xué)生或每個(gè)小組相應(yīng)的等級(jí)分?jǐn)?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(jìn)行集體討論，對(duì)本課程的教學(xué)方法進(jìn)行大討論，總結(jié)自身的教學(xué)情況，對(duì)教學(xué)進(jìn)行評(píng)價(jià)和給出建議。

（二）對(duì)比法

任課教師在臨近期末的時(shí)候，針對(duì)實(shí)施工程案例教學(xué)法，對(duì)實(shí)驗(yàn)班和普通班進(jìn)行調(diào)查問卷，掌握學(xué)生對(duì)工程案例教學(xué)各個(gè)方面的反饋情況。針對(duì)實(shí)施工程案例教學(xué)法后，學(xué)生的聽課效果、學(xué)習(xí)興趣、考核成績(jī)等問題進(jìn)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(xué)生的反饋意見，分析所用的工程案例、現(xiàn)有教材、學(xué)生的學(xué)習(xí)特點(diǎn)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(xué)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(xué)的改進(jìn)提供依據(jù)和積累相關(guān)經(jīng)驗(yàn)。

五、結(jié)束語(yǔ)

通過工程案例精選、工程案例的實(shí)施與過程監(jiān)控，課題組最后進(jìn)行工程案例考核和評(píng)價(jià)。對(duì)比實(shí)驗(yàn)班和普通班級(jí)，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)班學(xué)生學(xué)習(xí)興趣比較濃，積極主動(dòng)學(xué)習(xí)，課前有預(yù)習(xí)和準(zhǔn)備，課后經(jīng)常與老師探討一些問題，期末考試成績(jī)也比較理想。該課程教學(xué)改革得到了學(xué)生的認(rèn)可。

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[責(zé)任編輯：鐘 嵐]