基于CDIO的“四段式”教学模式实施

申明倩 王江涛

摘 要：CDIO基于“项目教学”模式，对学生的三维建模能力进行分解，从“基础能力、综合能力、应用能力和创新能力”四个方面分阶段设置教学内容、教学目标和教学方式，注重能力层级的系统性和独立性，打破传统教学方式的禁锢，实施以“任务为驱动，项目为导向，工作过程为载体”的“四段式”一体化教学方法，使学生在具体项目教学中感受到建模理论与设计实践的有效结合。

关键词：任务驱动；工作过程；教学模式；Pro/E软件；CDIO

中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：2095-7394（2016）06-0093-05

1 CDIO教学法的引入

CDIO（Conceiving-Designing-Implementing-Operation，即构思—设计—实现—运行）是由麻省理工学院、瑞典查尔斯技术学院、瑞典皇家工学院和瑞典林克平大学等国际知名高校，经过四年的探索研究创立而形成的一种新型的国际工程教育模式。[1]相较于传统教学模式，CDIO更加注重对学生能力的培养，其能力评价指标包括基础能力、综合能力、应用能力和创新能力。[2]针对工业设计专业三维软件课程，基础能力强调学生对软件常用命令、基本工具的学习和掌握；综合能力着重培养学生的项目实施能力，使学生在具体项目建模时对图纸的理解、建模方法的分析、建模思路的形成以及具体建模操作能力；应用能力是指将三维软件和后期的加工制造环节结合起来，比如将建模文件转换成stl格式导入3D打印软件进行3D打印或者生成NC代码，输出NC代码后进行数控加工；创新能力则通过引入设计比赛强化学生的设计创新与设计实践能力。

为此我们结合三维软件课程教学的特点，融入CDIO理念，以这四种能力为核心进行课程教学内容、教学模式、教学手段等的改革与实践，克服传统软件教学中存在的弊端和问题，形成以“任务为驱动，项目为导向，工作过程为载体”的一体化教学模式，培养学生成为擅设计、能创新、肯协作，能适应市场需要的现代产品设计师。

2 基于CDIO和工作过程的“四段式”一體化教学模式实施

工业产品设计是有计划、有步骤、有目标、有方向的创造活动。每个产品设计过程都是解决问题的过程。产品设计是一种程序，包括信息搜集和理解的工作、创造性的工作（如材料的选择、色彩的搭配等）、交流方面的工作（如产品的装配设计）、测试和评价方面的工作（如结构的优化）以及说明的工作等。三维软件课程开设在大三的第一学期，学生已经完成了设计方法学、材料工艺学、产品形态设计、手绘效果图等专业课程的学习，具备了进行产品设计的基础知识和基本技能，因而该课程的主要目标是借助Pro/E软件综合利用专业知识将设计方案以直观、生动的形式表现出来。在具体教学过程中，结合能力培养的目标要求和CDIO的理念，将教学内容分解为四个阶段：基础能力培养阶段、综合能力培养阶段、应用能力培养阶段和创新能力培养阶段，如图1所示。这四阶段是连续的、一体的，缺一不可。

2.1 基础能力培养阶段

工业产品设计是创造性的过程，而三维软件课程是这一过程开启的基础。该课程涉及实体建模方法的基础理论、曲面造型的基础知识、色彩搭配的基础技巧以及材质选择的基本原则等。可以看出，将这些基础的知识和能力全面展开会耗费大量的课时，但如果以某产品为例来讲授相关的概念和知识会让学生容易理解和接受。在具体教学中，要想获得良好的教学效果，必须打破传统大而全的教学模式，结合专业特点采取重点讲解的方式。按照CDIO的能力分析，该阶段主要培养学生的专业基础能力，在软件学习中贯穿草绘、实体、工程图、色彩、材质、光源、阴影和剖切等模块专业技能的训练（如图2所示）。而且每个模块在命令讲解时采用项目教学法[3]，通过导入企业委托项目或教师研究课题，按照“基于工作过程”的产品开发流程，引导学生完成三维模型的构建，工程图纸的生成以及效果渲染等设计任务，让学生在项目实施过程中不仅掌握软件操作工具，而且强化工业设计相关核心专业基础知识和理论水平。同时，项目教学过程中完成的三维模型由于更契合企业生产实际，会激发学生个人成就感，激励学生的建模主动性。

2.2 综合能力培养阶段

Pro/E软件强调参数化设计的概念，因此其建模方式和二维软件有很大的不同，而很多学生在学习三维之前大都接受了二维（AutoCAD）的学习，因此，在进行三维建模时会因为建模方式的不同而不习惯。但是，Pro/E软件的参数化、单一数据库等特点使得三维建模在模型尺寸修改、尺寸驱动等方面具有巨大的优势。[4]因此，对于三维建模来说，必须提升学生的二维转化三维的建模能力，这部分主要是规定建模部分，主要包括学生对建模产品的结构分析、建模命令的选择以及建模思路的形成。对于Pro/E软件来讲，建模时同一零件往往可以采用不同的方法进行造型，建模命令的选择取决于建模者对命令的熟悉程度以及对于零件结构的理解，而且不同建模命令会影响建模的结构和速度。在根据二维图纸绘制三维实体的规定建模阶段以培养学生的读图能力、结构设计能力和三维建模能力为主，该阶段学生的主要任务为熟悉图纸，并选择合适的建模方法进行三维建模。企业的实际需求是创新设计，必须在教学中将学生带入接近企业实际情况的情境中，对学生的创新设计等能力进行培养和训练，如图3所示。在规定建模结束后，接着就进行部分建模阶段，该阶段在主体部分采用规定建模，在此基础上要求学生添加自己的创意使得产品或零件的结构或功能实现飞跃。该阶段不仅强化了学生的建模能力，更对学生的发现问题能力、创新设计能力，全局优化能力等进行培训。同时，为了鼓励学生进行创新设计，只要求功能，让学生根据已有的建模方法，进行新产品的设计与建模。

借助案例引导实施上述培养方案，通过基于CDIO能力训练，不仅能培养学生形成清晰的建模思路和良好的建模习惯，而且会增强学生的综合建模能力，可加强学生对案例建模的总体把控，能提高学生的建模效率，最终满足各种企业对设计类人才的需求状况。

2.3 應用能力培养阶段

该阶段的实施可采用面向工作过程的方法，通过给定产品功能要求，按照产品的研发和设计需要，面向产品的开发目标招募和组织学生团队，形成灵活的目标-团队模式，每个成员参与到整个产品开发的各个环节中，不断在设计、实施、测试、再设计的多次迭代中优化设计方案。

将模型建立完成后，模型的正确与否，需要经过实践的检验。Pro/E软件的竞争优势在于可以和后期的加工制造环节联系起来，其可以生成NC代码，输出NC代码后进行数控加工。但对于在校的大学生来说，这部分很少有机会来实现。但是当将Pro/E文件转换成stl格式时，可以导入3D打印软件进行3D打印，不仅完成产品的三维建模，还可以将实物加工出来，在工业设计专业毕业设计环节实体模型制作时具有现实的应用意义。但不同材料对加工方法和加工工艺有不同的要求，在课程中应该引导学生结合专业知识对材料进行分析，选择合适的成型方法，对模型进行功能反洗，设计出能实施加工的三维模型。在该过程中，以问题解决为导向，鼓励学生围绕课题主动学习，利用所学的专业知识和建模方法解决问题、创新设计的同时自主构建个人的知识体系，教师主要的责任是给出目标或问题，不断刺激学生讨论、快速主动学习新知识、研究解决问题的办法。图4是学生进行应用能力培养阶段的实施过程。

2.4 创新能力培养阶段

工业设计非常重视设计实践，台湾浩汉设计公司总经理陈文龙先生说：“设计是一个实做的行业，只有从动手的那一刻起，才真正开始学习”。[5]而让学生进行设计实践的最佳方式是参加设计比赛，纵观国内外的设计比赛，发现设计创意是评委进行设计评判的首要因素[6]，大多获奖的作品都具有比较新颖的想法和创意思想，这是激发学生创新能力的最有效手段。因此，在教学中引入设计比赛，比如像东莞杯国际工业设计大赛、海峡工业设计大奖赛、太湖杯工业设计大赛等等，在课堂上通过对设计比赛章程的解读，引导学生根据比赛要求进行方案创新设计，并进行三维建模训练，激励学生用作品表现最佳创意和设计方案，将最终的完善的设计方案参加到比赛环节，不仅能推动学生对软件的学习和探索，同时，对于学生的创新能力也起到较大的促进作用。

3 教学实践

基于CDIO的实践教学改革模式，在三维基础设计2（Pro/E软件）课程中对2012级、2013级共8个班的学生进行教学实践。在基础能力培养阶段，通过对能力目标考核发现学生在读图能力、草绘能力、特征建模能力以及三视图生成能力等方面的差距不大，因为这些能力是Pro/E软件课程教学学生应该具备的基本能力。在综合能力指标考核中， CDIO模式打破传统的学生跟着老师一步步建模的套路，将教学重点放在学生对建模方法、建模思路、建模命令优化以及基于工作效率的建模顺序等方面的强化与培养，让学生从基于案例被动建模变为主动思考、基于个人对软件的掌握、产品特征的理解融入灵活的建模方法，增加学生在三维建模过程中的驾驭能力和成就感。这种“授之以渔”的教学模式得到学生的极力推崇，教学效果有了质的飞跃。在应用能力指标考核中，发现传统的教学模式在实际应用方面较弱，课程仅仅局限于软件的掌握，对于三维模型后期如何加工、采用何种材料、结构是否合理、最终实际产品效果等方面鲜少涉及，致使学生仅仅处于理论阶段的学习，而且因为缺少对具体制造等环节的思考，在整个建模中缺乏全局观念，可能致使最终的三维模型无法转化为实际产品。而课程在引入CDIO模式后，有意识的培养学生在后期制造、具体应用方面的思考，提高学生解决实际问题的能力。在创新能力指标考核中，引入CDIO模式后将课程和设计比赛结合起来，以比赛促教学，提高学生的实战能力，因为时间节点关系，2012级学生在本课程中选择参加第四届国际“永安”竹具设计大赛，在课堂上通过对参赛作品要求、评分标准等内容的详细解读，引导学生进行方案的创新设计，并将设计方案用Pro/E软件进行三维建模以及材质效果的渲染。学生积极性较高，4个班级132名学生参与了最终的设计比赛，并取得了良好的成绩，学生的创新能力、对软件的综合应用能力得到了极大的提升。对于课程期间没有合适设计比赛的2013级工设专业学生，通过引导学生将优秀的设计建模方案申报专利，激发学生不断优化设计方案，确保造型的新颖、美观。

4 结语

三维建模作为实体建模的有效工具，在工业设计专业教学中越来越得到重视。笔者运用多年的教学实践经验，将CDIO模式引入三维软件课堂，不仅有效克服了传统教学中存在的不足，而且结合CDIO和工作过程等理念，针对学生应该具备的基础能力、综合能力、应用能力和创新能力四个方面入手，将理论、实践、应用等几个方面有效的结合起来，以实践来促教学，实施四个阶段的模式，让学生在夯实建模命令的同时，能够真正将三维软件作为一个有效的技能和工具应用设计创新实践，激发学生学习的积极性和成就，变被动学习为主动学习，真正实现CDIO（即构思—设计—实现—运行）这一模式对课堂教学的有效指导。

参考文献：

[1] 陈亦仁，郭星，马强.CDIO模式下工业设计专业人机工程学教学改革的实践性探索[J].河北工程大学学报（社会科学版），2013，30（3）：113-116.

[2] 杨艳红，钟相强，张海敏. CDIO模式下的工业设计人才综合能力实践[J]. 赤峰学院学报（自然科学版）， 2014， 30（10）：252-254.

[3] 易守华， 朱克忆， 张柏森. 项目教学法及其在《Pro/Engineer产品造型设计》教学中的应用[J]. 职业教育研究， 2006（8）： 148-150.

[4] 孙筠. Pro/E在塑料模具设计中的应用[J]. 塑料科技，2016，44（6）： 72-75.

[5] 李辛沫. CDIO理念下的工业设计产学研合作研究与实践[J].教育教学论坛，2015（7）：120-122.

[6] 陳磊. 设计比赛引入工业设计专业课程教学谈[J].艺术教育，2014（12）：162.

The Implementation of “Four Section” Teaching Mode based on CDIO

——Take the 3-D Software Course of ID as an Example

SHEN Ming-qian1 ， WANG Jiang-tao2

（1.School of Art and Design， Jiangsu University of Technology， Changzhou 213001， China；

2. School of Materials and Engineering， Jiangsu University of Technology， Changzhou 213001， China）

Abstract： CDIO based on the "project teaching" mode， decomposes students modeling ability and sets up teaching content， teaching objectives and teaching methods from four aspects of “basic ability， comprehensive ability， application ability and innovation ability”. The systematicness and independence of ability level is focused. The traditional teaching mode is broken. The "four stage" integrated teaching method including “task-driven， project-oriented， work process as carrier” was implemented， so as to make the students feel the effective combination of modeling theory and design practice in concrete project teaching.

Key words： task-driven； working process； teaching mode； Pro/E Software；CDIO

责任编辑 祁秀春