基于工程教育理念的三维实体造型设计教学改革

张晶

[摘 要] 该文基于工程教育专业认证以学生为中心、以成果为导向、持续改进的三大核心理念，改变传统教学以知识传授为目的、以教师为中心、以学科导向的教学模式，聚焦于解决复杂机械工程问题，从课程定位、课程教学目标、教学内容、教学方法与手段、教学评价与持续改进等角度对三维实体造型设计课程的教学模式进行改革，以支撑机械工程专业的毕业要求和培养目标的实现。

[关键词] 工程教育;成果产出;持续改进

[作者简介] 张 晶（1982—），女，山东东阿人，硕士，济南职业学院智能制造学院副教授，主要从事三维实体造型设计、PLC控制技术、数控机床系统维护和调试研究。

[中图分类号] G642.0    [文献标识码] A    [文章编号] 1674-9324（2020）17-0170-02    [收稿日期] 2019-07-01

一、工程教育认证的核心理念

工程教育专业认证的核心理念包括：以学生为中心（Student Centered，SC）、以成果为导向（Outcome Based Education，OBE）和持续改进（Continuous Quality Improvement，CQI）。工程教育认证的核心理念是相互联系的整体，涵盖学生专业发展的全过程，是面向工程师职业的全面发展，是涵盖知识、能力、素质等多维度发展。工程教育认可的成果，就是面向全体合格毕业生的培养目标和毕业要求，体现在经过工程专业培养的学生应具备的职业素养和从业能力。

二、工程教育理念在三维实体造型设计课程教学中的体现

1.三维实体造型设计教学中存在的问题。教师是教学活动的主体，教师关注的是教学目标是否明确、教学行为是否规范、教学方法是否科学、教学效果是否达到。教学评教的对象也是教师教得怎么样，而不是学生学得怎么样。课程负责人制定教学大纲时，往往聚焦于学生能学到哪些知识、哪些知识是重点难点内容、哪些知识点应该考核，很少关注到学生通过学习本门课程在毕业时应具备何种技术性和非技术性能力，是否对学生解决复杂机械工程问题提供支持。

2.基于OBE理念进行教学目标和教学内容设计。根据机械工程专业培养目标和毕业要求体现的知识、能力要求，将三维实体造型设计的课程目标解构为知识目标、能力目标，以促进学生技术性和非技术性能力的达成。其中，知识的传授和应用是提高学生工程素养与设计能力的途径。知识目标以知识应用为目的，掌握解决复杂零件、装配体和工程图等建模设计方法。能力目标定位在复杂零件、装配体、工程图的建模绘图能力上。知识是能力的基础，不是为了分数而学习知识，而是为了解决复杂机械工程问题。OBE关注的是学生通过教育过程所取得的学习成果，把学生的获得作为教学的最终目的，所有教学环節必须围绕成果产出来组织，即课程目标必须支撑毕业要求指标点的达成。首先要明确课程体系对毕业要求的支撑关系，然后再建立毕业要求和课程目标的对应关系。

三维实体造型设计是一门以机械CAD软件为工具进行三维实体造型设计的现代设计工具类课程，设计环境复杂，建模命令繁多，如果教师以具体知识点的讲解出发进行教学，单调乏味，学生参与感不强。因此教学过程需要以学生熟知的经典案例为引导，以典型任务驱动教学内容的实施。首先将课程内容划分为零件设计、装配体设计和工程图三大模块，而后在各模块内设置典型任务，且各模块任务之间存在上下游关联。以减速器为例，需要先建立其各零部件的三维实体模型，将各种建模命令及草图绘制命令、基本参考体设定等融入典型零件的建模过程中，对于标准件介绍Toolbox设计工具及迈迪设计宝等第三方插件的调用方法;而后进行装配建模，将各种配合关系融入到减速器装配过程中;最后介绍各种视图生成和标注命令。通过项目任务把“零件—装配体—工程图”三大内容衔接起来，完成典型项目任务。教师发挥教学先行者作用，有侧重点地选择不同项目任务，实现对课程目标和教学内容的全面覆盖，例如选择台灯的设计任务时重点练习曲面/曲线设计，平口钳任务重点练习扫描建模及丝杠/螺母副配合关系等。

3.以学生为中心多种教学手段并举。三维实体造型设计课程的“实践性”和“工具性”特征，决定了学生必须参与到整个课堂教学和上机教学的全过程，突出学生的主体地位和教师的引领者作用。通过采用“教—学—做”相结合、分组教学、科创比赛激励教学等教学手段，从兴趣培养、实践能力、团队协作、创新意识等多维度实施教学，将教学理念从“教得怎么样”向学生“学得怎么样”过渡。

（1）教、学、做相结合。“教”，教师要做好教学先行者，根据实际上课时长，设计教学内容、创建教学情境、设计典型任务，合理划分理论授课和实践内容，鼓励学生带笔记本电脑上课，边听边学;“学”，学生实时跟随教师授课节奏和建模方法，完成典型案例建模，体会建模中常见问题及解决方法，学会“自助式”“自主式”学习;“做”，学生根据教师布置的任务，通过上机实操和课下练习，熟练掌握所学建模命令和建模思路。

（2）分组教学。解决复杂机械工程问题贯穿于机械工程整个专业认证要求，反映在本课程中主要体现在零件建模的多样性、装配体建模的复杂性、工程图视图的规范性和完整性，通常采用分组教学法来实施教学。教师按照自愿组合、合理调配原则将学生划分为若干项目组，组长负责项目任务管理，组织协调设计任务的细分，各组员分工协作，既独立完成各自建模任务，又协同完成装配任务。

（3）科创比赛激励教学法。兴趣是最好的老师。鼓励机械工程学生参与挑战杯、先进成图比赛、智能制造大赛等科创比赛中通常都设置有三维虚拟设计内容，因此在讲授三维实体造型设计课程时，将各类比赛相关项目的内容设置、技术特点、选拔机制、奖励办法、与本课程相关建模技术的关系等向学生做相应介绍;鼓励并指导学生参与相关赛事，激发学生的学习和创新兴趣。

4.課程达成度评价与持续改进。

（1）面向过程的课程培养环节和考核方案。通过授课、上机、作业、大作业培养环节来达成课程目标及毕业要求指标点。基于本课程的“工具性”特征，相对于形成性考核（如试卷等），教师更关注过程性考核。对于过程性考核，按照能力层级递进原则，从草图绘制→零件建模→装配体建模→创建工程图→调用设计工具等布置相应的作业，并在上机环节集中辅导，环节设定可衡量。形成性考核基于Rubrics尺规，建立各教学环节的评分细则表，实现考核方案的可衡量，为课程、毕业要求达成度评价提供基础数据。具体到本课程，需要根据设计任务的复杂性、完整性，按照课程目标和毕业要求指标点来设置考核项目、各部分权重及考核细则。

（2）课程达成度评价与分析通过对上述各个培养环节和考核方案，对学生学习三维实体造型设计课程的学习效果、对课程目标和必要要求的达成情况进行评价和分析。由授课教师及课程负责人分别对授课班级和整门课程进行达成度评价和分析，课程（班）达成度评价值的计算公式如下：

课程（班）达成度=

授课教师及课程负责人通过对各指标点达成情况进行分析，找出对毕业要求支撑相对薄弱的课程目标及内容，从而从教学环节设置、教学方法改进、软硬件设置更新等各方面分析原因，提出改进措施;通过对近三年的课程（班）达成情况的对比分析，分析上次评价中的薄弱环节及改进措施的实施效果、本次评价中薄弱环节及改进措施，以促成本课程的持续改进。

（3）课程反思。除了上述课程（班）达成度的评价与分析，本课程在课程结课时开展学生对学习效果及是否达成毕业要求的自我评价调查，通过量化评价结果形成对本课程达成度的间接评价，通过对比直接评价和间接评价的差异性，找出教学中的短板问题。在每学期课程开始之前，进行学生座谈和教学反思活动，倾听学生及同行的建议和意见，每学年根据课程达成情况、学生及同行反馈情况组织修改教学大纲，以达成教学工作的持续改进。

三、结论

本文探讨了机械工程专业认证背景下对三维实体造型设计课程的教学改革的思路和方法，秉承工程专业认证以学生为中心、以成果为导向、持续改进三大理念，结合三维实体造型设计课程实践，从教学内容设计、教学方法、教学环节及考核方案、课程达成情况评价、教学反思等角度对传统三维实体造型设计课程教学提供了教学改革的思路和方法。

参考文献

[1]王孙禺，赵自强，雷环.中国工程教育认证制度的构建与完善——国际实质等效的认证制度建设十年回望[J].高等工程教育研究，2014，（05）：23-34.

[2]孙晶，张伟，崔岩，等.工程教育专业认证的持续改进理念与实践[J].大学教育，2018，（07）：71-73+86.

Abstract：In this paper，the teaching innovation of 3D solid modeling design was carried out based on three engineering education concepts，including student centered，outcome based education and continuous quality improvement.The traditional teaching mode with knowledge objective，teacher centered and subject orientation have been changed by focusing on solving the complex problems in mechanical engineering field.In order to accomplish the graduation requirements and educational objectives for mechanical engineering specialty，the innovation research was made in different directions from teaching objectives，teachingcontents，teaching methods to teaching evaluation and continuous quality improvement.

Key words：Engineeringeducation;Outcomeoutput;Continuous improvement