基于创新能力培养课内综合实践的设计与实施——以上海海洋大学计算机辅助设计与制造课程为例

张丽珍 李 俊 陈雷雷 陈成明 康剑梁 曹守启上海海洋大学 上海 201306



基于创新能力培养课内综合实践的设计与实施——以上海海洋大学计算机辅助设计与制造课程为例

张丽珍 李 俊 陈雷雷 陈成明 康剑梁 曹守启
上海海洋大学 上海 201306

摘 要：为了培养大学生的工程实践能力和创新能力，应该设置综合型实践环节。以计算机辅助设计与制造课程为例，围绕培养大学生的创新能力，对课程内设置综合型实践环节的原则、内容设计、实施方法进行了探索，取得了比较好的效果。

关键词：综合实践；创新；计算机辅助设计与制造；实施

我国《高等教育法》明确规定“高等教育的任务是培养具有创新精神和实践能力的高级专门人才，发展科学技术文化，促进社会主义现代化建设。”这强调了大学教育的目的是培养具有创新精神和实践能力的高级专门人才。目前，与国家经济建设及社会发展需要大量工程应用人才的环境不相适应的是，一方面企业对工科院校培养出来的人才不甚满意，而另一方面现在大学毕业生的就业形势又非常严峻，这暴露了毕业生竞争力不足。主要原因是，工科毕业生普遍存在缺乏工程实践能力和创新意识、专业面狭窄、动手能力差、综合素质低下等。在我国建设创新型国家的背景下，培养大量具有创新能力和专业化的应用人才具有重要的战略意义[1-2]。综合实践是学生个性发展、创新精神、能力培养的有效途径，因此为了培养学生的工程实践能力与创新能力，应该在课程教学中设置综合型的实践环节。计算机辅助设计与制造课程是我校机械设计制造及其自动化、工业工程和物流工程专业学生全面接触计算机辅助设计(CAD)和计算机辅助制造(CAM)基本知识的一门重要课程，该课程内容包括数据处理、图形学基础、数据库技术、几何建模技术、有限元、数控技术等，而学时只有40。由于实践教学是让学生掌握相关知识的重要手段，也是培养学生创新精神和创新能力的重要环节[3,4]，所以该课程除了对课程体系、教学内容、教学手段及方法进行改革外[5]，着重对实践环节进行了一定的探索。

1 实践环节设计的原则

计算机辅助设计与制造课程的实践环节在设计时重点考虑综合性，遵循“三个性、一个中心”的原则。

1.1 选择性

实践环节的内容并不面面俱到，而是选择有代表性的。若内容太多，每个环节在有限的时间内会达不到预期的效果。

1.2 层次性

在实践环节的要求方面，有基本要求和较高要求两个层次。基本要求是必须要做到的，主要让学生掌握基本知识，为今后的进一步深入打下良好的基础。较高要求作为可选内容，给有兴趣和能力的学生留有自由发挥的空间，以适合不同层次的学生的要求。

1.3 动态性

教材具有滞后性，实践环节的内容应随着时代的发展而适时更新，把新出现的软件、技术、方法及时补充进实践环节中。

1.4 以学生为中心

在实践环节的形式方面以提高学生的学习兴趣、培养学生的创新思维、提高创新能力为目标，坚持“学生为主体，教师为主导”的原则，注重知识与能力的结合、过程与结果的结合、课内与课外的结合，学生可以选择感兴趣的内容，自主设计，从根本上把学生内在的主动性和积极性调动起来，充分发挥学生的潜质和创造力，以激发学生的学习兴趣，提高学生分析问题和解决问题的能力，培养学生的工程能力、创新能力和团队意识。

2 实践环节的内容设计

计算机辅助设计与制造课程包含的内容很多，每部分内容都可以是一门单独的课程，在有限的时间内让学生都理解是不容易的，我们采取通过大作业即设计性环节的实践过程达到理解的目的。

计算机辅助设计与制造课程的实践环节的出发点是让学生掌握CAD/CAM的有关软件，并能应用到解决实际问题当中，从而提高计算机应用能力、发现问题和解决问题的能力，在实践环节能充分发挥学生的主观能动性和创新性，并要考虑到专业之间的不同和特点，为此，遵照实践设置的原则和教学大纲的要求，设置了4个综合实践环节，综合实践环节的课内学时为总学时的二分之一。

2.1 小型数据库的开发实践环节

在企业制造信息化程度越来越高的今天，了解数据库的基本知识是必需的，但在教学过程中发现，由于大部分学生没有接触过有关概念，在短短的几个学时内要讲清楚基本知识很难，讲过了学生没有什么印象，也不理解有关概念，为此安排了这一实践环节。该环节在介绍数据库技术后进行，由于课时较少，让学生使用的软件是简单易学的Access。基本要求是让学生用Access软件就某一内容开发一个小型数据库，学生完成数据库的基本功能，包括建库、查询、窗体和报表。有兴趣和能力的学生可以深入下去，开发有特色的界面、用宏或VB开发一些功能模块等。通过这样的练习，学生对关系型数据库有了感性认识，对理解基本理论内容具有很大的帮助。

2.2 通用软件二次开发实践环节

要使通用的软件用于专门的领域，二次开发是必不可少的，我们的学生今后会有一部分从事设计工作，有些毕业设计课题也会与二次开发有关，所以我们设置了这一环节。由于每名学生在大一时都学过AutoCAD软件的二维绘图功能，所以选择该软件作为基础软件，学生选择一机械标准件，使用Visual LISP或VBA进行参数化设计。基本要求是通过命令行输入变量的值，在屏幕上自动绘制出相应的图形。较高要求没有任何限制，只给予一些提示和指导，让学生在课外查资料完成，如开发变量赋值的用户界面，若选择的是机械标准件，可以设计一个数据库，让软件自动从数据库中读取数据而不是由用户输入等。有基础的学生，可以Solidworks三维设计软件为支撑进行二次开发。

2.3 三维造型设计实践环节

该环节培养学生三维设计的能力，为毕业设计和就业打下基础。因为机制专业的学生有一个计算机应用设计环节，专门学习三维造型软件，所以该环节为工业工程和物流工程专业设置。在学习Solidworks软件的基本功能之后，让学生用该软件设计一个作品，作品的难度不作限定，学生根据自己的能力自由选取。基本要求是完成各零件的绘制，并装配。高层次的要求可以加入运动仿真、有限元分析、渲染等等，完全由学生的兴趣和自学能力决定。

2.4 CAD/CAM一体化综合实践环节

该环节让学生了解CAD/CAM的实现过程，考虑到专业的不同，设计的内容也有所不同。机制专业的学生专门有数控技术课程，所以在这一环节，机制专业的学生使用高档机械设计软件对零件进行三维造型，然后生成数控代码，进行数控加工轨迹仿真就结束了，而工业工程专业的学生，还要上数控铣床，把设计的零件加工出来。学生先使用Solidworks软件对自己选定或设计的零件进行三维造型，然后用SolidCAM软件生成数控代码，进行数控加工轨迹仿真，最后上数控铣床，把设计的零件加工出来。这样既能提高学生的动手能力，也能使学生充分了解先进的设计和制造技术，以激发他们的学习兴趣。

3 实践环节的实施及效果

3.1 开展形式

学生自由组合，以团队形式完成每一个实践环节，由组长负责分工。期间学生通过自学、讨论解决遇到的问题，教师进行指点和辅导。最后撰写小结，制作PPT进行汇报，每个学生讲述自己做的部分，教师和学生分别打分。每个实践环节的成绩根据作品、小结以及PPT汇报时教师和学生打的分数综合评定。

学生选取的研究对象有的来自于上海市和校级大学生创新项目，有的来自于参与的教师的科研项目，有的来自于学生的生活场所，有的通过查阅资料后自拟。其中有一部分实践结合各类全国、上海市和校级的学科比赛开展。

3.2 实施的保障条件

为了使实践环节能够顺利开展，建立了一个CAD/CAM实验室，购买了AutoCAD、Solidworks、SolidCAM、宇龙数控仿真软件等，购买了2台教学用数控铣床，5台3D打印机。实验室全天候开放，制定了相应的实验室开放制度。这些为课程实验的顺利完成提供了良好的支撑环境。

由于实践性环节是根据我校的实际情况设置的，没有现成的指导书，为此自编了讲义《计算机辅助设计与制造实验指导书》；自制了对应教材的PPT课件；编制了《三维实体造型零件图集》，用于CAD三维设计及CAM；收集了有关有限元分析及数控加工仿真方面的视频等资料，购买了二十多本教学参考书。

3.3 实施效果

由于每一个实践的作业要求具有一定的灵活性和层次性，有基本、提高、深层及附加等要求，不同水平的学生可以选择不同层次要求的作业。同一层次的要求中，学生还可以选择不同的对象内容进行开发，具有较大的灵活性。并与科研及学科竞赛相结合，这样给了学生很大的空间，极大地调动了学生的积极性，提高了学习的兴趣和工程实践能力，培养了他们的创新能力。

有很多学生通过该课程的学习，掌握了三维设计软件，为教师课题中的设计方案设计三维效果图、进行有限元分析等，如设计投饵船、割草船、蓝藻收集机、长距离运输鱼箱和放流装置等，为课题的顺利开展贡献了一份力量。

在每年的学科竞赛中都取得了较好的成绩，2014年就获得全国三维数字化创新设计大赛全国三等奖1项，上海赛区特等奖1项、二等奖3项、三等奖2项，上海市工业工程优化改善设计大赛二等奖2项、三等奖1项，校级工程优化大赛一等奖1项，二等奖3项。

4 结束语

通过完成具有柔性化的分层次的课内综合教学实践环节，结合科研与学科大奖赛，能全方位地锻炼学生分析问题解决问题的能力，提高学习兴趣，培养创新能力。在给学生的问卷调查中，许多学生都讲到，这门课让他们受益匪浅，学到了很多知识，扩大了他们的视野，提高了自学能力，锻炼了他们的分析问题、解决问题的能力，不仅学会了新的软件，而且提高了就业的竞争力。

参考文献

[1] 唐铁军,谢书山,李寅甲.加强大学生科技创新能力培养的实践与思考[J].中国现代教育装备,2010(7):146-148.

[2] 王玉林,朱慧玲,袁锋伟.机电专业大学生创新能力培养的科技团队建设研究[J].中国现代教育装备,2014(3):53-55. [3] 李正文,顾明华,袁涛.地方综合性大学农科创新人才培养模式研究与实践[J].高等农业教育,2012(1):14-16.

[4] 吕超,刘爽,张丽珍.基于大学生创新能力培养与PBL的本科实践教改研究[J].中国现代教育装备,2013(5):90-92.

[5] 张丽珍,陈雷雷,陈洪武.基于应用型人才培养的计算机辅助设计课程教学改革[J].科技咨询导报,2007(30):227.

Design and Implementation of Comprehensive Practice in Class to Improve Students’ Innovation Ability: Taking the Course of Computer Aided Design and Manufacturing of Shanghai Ocean University as an Example

Zhang Lizhen, Li Jun, Chen Leilei, Chen Chengming, Kang Jianliang, Cao Shouqi
Shanghai Ocean University, Shanghai, 201306, China

Abstract:In order to cultivate undergraduate engineering practice ability and innovation ability, comprehensive practice must be designed. Taking the course CAD/CAM as an example, the principle, content design and implementation methods of comprehensive practice in class are explored according to how to improve innovation ability of undergraduate. The result is satisfactory.

Key words:comprehensive practice; innovation; CAD/CAM; implementation

基金项目：上海海洋大学本科教学研究和教学改革项目(编号：A1-0209-15-0301-8)；上海海洋大学教学团队建设项目(编号：B1-5003-15-000109)。

作者简介：张丽珍，博士，教授，系主任。

收稿日期：2015-08-25