三维计算机辅助设计教学改革研究与实践

吴燕

摘 要：本文通过对三维计算机辅助设计课程的主要介绍、课程对机械专业的重要性、教学过程中主要存在的问题、教学改革方法等方面内容进行了研究。以三维计算机辅助设计为平台，采用OBE的教学理念，以成果导向教学法和指导教学法为主要授课方法，进行课程的教学改革。该方案以“所有所得、学以致用”为教学目的并于实践教学相结合，使三维计算机辅助设计课程的教学达到理论与实践的统一，培养具有创新意识的应用型人才，有利于学生学会如何用理论知识来解决机械专业的实际问题。

关键词：三维计算机辅助设计；OBE理念；教学改革

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.13.208

0 引言

在当前德国工业4.0和中国制造2025等大背景下，三维技术普及化是必然趋势。“计算机辅助设计”是一门重要的专业必修课，是为了适应机械、建筑、设计学科的发展而开设的一门现代化技术类课程。

对于机械专业该课程的开设主要使学生对二维和三维计算机辅助设计的基础知识、基本理论和基本技能有深入的了解和具体实际操作技能，使学生能初步掌握计算机辅助设计的基本方法。三维计算机辅助设计的零部件不仅所见即所得，而且由于全相关，零件、装配和工程图中的修改可以实现牵一发动全身；并且可以对零部件进行质量属性评测、装配干涉检查、空间运动仿真、应力应变分析、可加工性分析以及模拟仿真制造等一系列的功能，极大地提高了设计水平和效果以及设计效率。数字化时代下的产品设计和加工制造已由三维设计技术和制造迅速取代传统的二维设计和制造方式。如何快速适应当前形式，加强计算机辅助设计课程的教学质量是当前迫切需要解决的问题[1-3]。由于课程实践性强的特点，而传统的教学模式存在着相当大的弊端，显然已经不能适应机械类专业的工作要求和社会需求。所以对此问题的研究具有重大意义。

1 机械专业三维计算机辅助设计课程概述

1.1 课程重要性

三维计算机辅助设计是机械工程系各专业的一门实践性很强的专业课程。该课程的形成是基于现代设计表现的革命性变化，即由手工绘图设计表现到电脑设计上。希望学生通过对三维软件的学习，能够熟练的建模，充分表达自己的设计思想，并在今后的实际学习和生活中运用三维软件解决一系列实际问题，如对实际结构工程的分析、设计作品方案等。因而该课程对机械专业学生进行机械装备设计和车辆设计有非常重要的实际作用，在许多后续的学习环节中都有十分重要的意义，甚至对学生以后的就业方向和实际工作都有极大的影响。

1.2 存在问题

（1）绘图课程的学习缺乏连续性，机械制图在第一学期开设，二维计算机辅助设計课程安排在第二学期开设，而三维计算机辅助设计在第五学期开设，二维和三维软件学习过程无法进行很好的融合，造成学生学习三维软件的时候，对二维软件的使用已经很生疏。

（2）传统的按课本按部就班的授课方法和教学方法不适应软件的教学。

（3）缺乏合理有效的实践方式是导致学生软件学习不能学以致用的主要原因。

2 有效教学改革举措

2.1 OBE理念

20世纪80年代， 美国教育家Spady发表了《成果导向教学管理：以社会学的视角》 一文， 文中首先使用了“成果导向教育 （OBE） ”的概念[4]。OBE （Outcomes-Based Education）成果导向教育理念倡导反向设计， 正向实施的原则， 按照本专业学生毕业后能够达到的能力确定其培养目标， 并制定方案，更有利于专业人才综合素质的培养[5]。“OBE”模式，基于产出的教育，以学生为中心、按需授课、按照学生发展的要求授课。BE理念下的课堂教学，聚焦于三个方面的改进。

2.2 基于OBE的教学改革

从课堂教学目标来说，强调以学生为中心，注重“知识系统、能力培养和素质要求”三位一体的课程体系，课堂教学不仅仅是老师讲授，而是促进学生全面、有效发展，如图1所示。让学生明白计算机辅助设计是机械制图、二维计算机辅助设计、机械原理、机械设计以及机械制造等课程的理论知识的综合运用，是“产品设计与制造仿真，而非简单的画图”。让学生在学习过程中把设计、绘图、制造等步骤连接起来，建立基于三维技术的全新机械设计知识系统。在画图的过程中，深入浅出的归纳设计方法和原理，让学生专注于设计方法的总结而非软件的本身，培养规范严谨的工作态度和创新能力。

课堂教学内容方面，以“学生要学什么，而不是老师要教什么”为思考问题的逻辑起点。机械专业学生的就业面广，可从事机械设计、制造工艺规程、工艺工装设备的设计与制造、机械设计与制造的技术管理等，围绕学生就业和学生需求，归纳产品设计的通用方法，讲解最常用的命令，尽量做到选材经典、图文并茂和通俗易通。三维计算机的通常授课思路通常是采用：首先讲解二维草图，主要讲解一些命令；其次讲解特征建模；然后讲解装配设计；最后讲解工程图。本课程授课首先采用的是常用零件参数化授课，如图2所示，将草图、特征、零件综合设计结合到一起进行讲解；然后讲解基本零件的装配方法；最后讲解工程图的建立。

课堂生态方面，学生要做到学有所获，能够学得积极、学得主动。为能够检验学生学有所得，教师要改进教学方法，从原来的“告诉式”教学模式转向“指导式”教学模式。如图3的轴类零件。通过零件的加工方法确定建模流程：（1）下料—拉伸凸台获得棒料；（2）轴径—

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反侧拉伸切除获得各个部位；（3）铣键槽—拉伸切除获得键槽；（4）车倒角—倒角完成轴类模型。学习轴类零件的建模，学生学习了圆和槽口的草图命令以及拉伸凸台、拉伸切除和倒角的特征命令。教学过程的流程为：先分析零件、再得到零件加工方法、其次分析使用那些草图和特征命令、然后为学生做示范、最后进行指导。整个教学过程一直有相应的教学目标，以学生为中心，不是单调的学习某个命令。这个过程既提高了学生学习的积极性，也提高了学生解决问题的能力，同时和专业知识联系紧密，达到了学有所得、学以致用的效果。

2.3 加强实践

实践过程是巩固理论知识和加深对理论认识的有效途径之一，也是培养具有创新意识的应用型人才的重要环节，三维软件的学习离不开实践，在实践过程中理论联系实际，培养学生动手能力的提高。在授课过程中，让学生走出课堂，在实践实训室中对相关机械零件和汽车零件进行测绘并了解其构造和原理，回到机房后对零件进行建模和装配，在建模过程中学生还可以提出自己的想法，改善现有的设计，提高学生的创新思维。这个过程不仅让学生对本专业的专业知识得到了进一步的认识和掌握，同时也熟悉了三维软件的使用和创新意识的培养，为以后的学习和工作打下了坚实的基础。

3 结论

在高等教育和社会对应用型高校的要求，如何上好三维计算机辅助设计课程一直是高校专业课教师值得研究的课题。在三维计算机辅助设计课程的授课过程中，以三维计算机辅助设计为平台，以成果导向为教育理念，采用有目标的教学方法和实践相结合，把机械专业的专业知识融入三维计算机辅助设计软件的操作过程，不仅使授课更加有意义，还提高了学生的创新意识，这样不仅提高了授课效果，还有利于学生对课堂知识的掌握，更有利于学生学会如何用理论知识来解决机械专业的实际问题，提高应用型本科院校的人才培养。

参考文献：

[1]董晓英.三维设计能力培养模式的研究与实践[J].江苏技术师范学院学报，2007，13（06）.

[2]杨敏，陈炎冬.以提升学生整体能力为目标的CAD/CAM/CAE课程体系改革[J].科教文汇，2016，369（11）：54-55.

[3]赵惠清，安瑛，冯连勋.机械专业本科生全程三维设计能力培养模式[J].工程图学学报，2004（03）：116-119.

[4]王明海等.成果导向高职课程实施[M].北京：高等教育出版社， 2016（03）.

[5]李志义.成果导向的教学设计[J].中国大学教学，2015（03）：32-39.