智能制造背景下的计算机辅助设计课程建设实践

靳江艳 方忆湘 刘文学

摘 要：中国制造2025规划将智能制造作为两化融合的主攻方向，对于高等教育的专业人才培养和课程体系建设提出了新的要求。计算机辅助设计（Computer Aided Design，CAD）技术是智能制造技术的重要支撑技术之一。计算机辅助设计课程作为机械工程学科的专业基础课程之一，以学生为中心，围绕未来智能制造技术的发展对学生掌握CAD技术提出的要求，明确以CAD技术相关基础理论为重点授课内容;并以学生学习成果为目标，结合应用实例、上机实验与课程作业，训练学生运用所学基础理论熟练掌握相关CAD软件工具的设计、分析、仿真等功能;同时，结合各类文献资料和授课教师的科研成果，不断将CAD技术的最新发展引入课程教学环节，以持续改进和完善课程教学内容。

关键词：计算机辅助设计;课程建设;智能制造;成果导向

中图分类号：G642.3

1 绪论

随着工业4.0概念的提出，中国制造2025规划指出要加快“推进新一代信息技术和制造技术融合发展”，并将智能制造作为信息化与工业化深度融合的主攻方向[1]。智能制造以产品的数字化设计、制造、分析、仿真与虚拟现实、测试验证等技术为核心支撑，在机械、电子、建筑、航空航天、汽车等领域得到了进一步的重视和更加广泛的应用，相关的理论研究和工程应用水平已经成为衡量一个企业乃至一个国家制造业整体水平和综合竞争力的重要标志，同时也对相关从业人员提出了更高的要求。

计算机辅助设计（Computer Aided Design，CAD），是指利用计算机的软、硬件系统辅助工程技术人员对产品或工程进行设计、分析、修改以及交互式显示输出的方法或手段，是一门多学科的综合性应用技术，是现代设计方法和手段的综合体现[2]。CAD技术是机械产品数字化设计、制造、分析、仿真与虚拟现实、测试验证等技术的核心和基础技术，为二十世纪最重要的技术发展之一，也是近年来业界高度重视的工业4.0概念和智能制造技术的重要支撑技术之一。因此，掌握相关技术的基本概念、原理、方法和手段，具备运用计算机辅助技术相关的现代设计工具分析和解决复杂工程问题的能力是新技术、新经济发展对工程类专业教育提出的现实要求。

计算机辅助设计课程作为机械工程学科的专业基础课程之一，课程设置的目的，主要训练学生学习和掌握CAD技术的基本原理、方法、手段和发展趋势，并使学生全面学习和掌握CAD技术这一现代设计方法与手段，培养学生的现代产品和工程设计与开发能力，并为进一步掌握相关的计算机辅助工具技术提供基础理论支撑。授课内容全面介绍和讲述CAD技术的發展历程、系统组成、相关接口技术和图形标准、计算机图形处理的基本原理和关键技术、通用CAD应用系统的设计和造型功能、自由曲线与自由曲面、CAD二次开发技术、以及工程数据的计算机处理等内容，以使学生对CAD技术有一个全面的了解，同时，概要介绍CAM相关技术。

2 学期分析及教学目标

计算机辅助设计课程的教学对象是机械工程专业大学三年级下学期的学生。结合智能制造技术发展对人才发展的需求进行学生及其学习情况进行分析，主要包括以下三方面：

（1）学生已经完成了专业基础课的学习，能够较熟练地使用二维计算机辅助绘图工具，部分学生自学了三维造型软件，但是由于对计算机辅助设计技术的内涵和基础理论缺乏系统认识，制约了学生对现代设计工具高级功能的掌握和深入应用。

（2）大三年级是形成工程思维和科学思维方式的关键时期，结合计算机辅助设计课程多学科交叉的特点，加强工程思维和科学思维能力的培养。

（3）多数学生对国际和国内制造业的发展现状和趋势、对智能制造涉及的各种先进设计和制造技术、对计算机辅助技术对整个制造业的影响认识不足，对我国目前智能制造技术的应用水平、优势和不足缺乏了解，不利于学生把国家建设、行业发展和自身学习建立紧密联系。

针对上述问题，通过本课程的学习，要求学生掌握计算机辅助设计技术的内涵和基础理论，具备应用相关技术工具进行复杂机械工程问题的表达、建模、零部件设计、仿真等技术应用的能力基础，培养综合运用多学科知识解决复杂机械工程问题的能力，以及专业沟通与交流能力。

3 成果导向的课程建设

1981年，Spady率先提出了成果导向教育（Outcome-Based Education，OBE）理念，OBE是指教学设计和教学实施的目标是学生通过教育过程最后所取得的学习成果[3]。成果的分析归结为：学习者在完成学习后所应知道的、理解的和具备的能力水平，其核心是学生完成学业后可以带得走的能力[4]。成果导向教育打破传统的“以教师为中心”的教学模式，强调学生的主体地位[5]，计算机辅助设计课程建设从教学内容、教学方法等方面开展以学生为中心的教学活动，注重学生学习成效，将知识传授、能力培养和素质教育融为一体。

课程教学多年来一直秉承基础理论讲授与专业工具应用训练并重的教学理念，强调对技术原理的掌握是熟练应用技术工具的前提。课程教学围绕未来智能制造技术的发展对学生掌握CAD技术提出的要求，明确以CAD技术相关基础理论为重点授课内容;并以学习成果为目标，结合应用实例、上机实验与课程作业，训练学生运用所学基础理论熟练掌握相关CAD软件工具的设计、分析、仿真等功能;同时，课程建设紧跟智能制造技术发展需要，结合各类文献资料和授课教师的科研成果，不断将CAD技术的最新发展引入课程教学的不同环节，以持续改进和完善课程教学内容。另外，综合运用各类教学方法和教学手段，组织教学内容，开展教学活动，主要包括三方面的内容。

3.1 与CAD技术相关的基本概念、发展现状和趋势的知识

这部分内容仅依靠课堂讲授是远远不够的，需要学生利用课余时间，通过图书馆或网络查阅大量相关文献资料才能够充分了解。采用讲授法和讨论法相结合的教学方式，教学重点在于理清知识脉络，一方面结合教师科研课题，使学生深入了解相关技术产生、发展、更新的过程，学习前人提出、分析以及解决问题的思路和方法，为形成科学的工程思维方式奠定基础;另一方面，通过对比国内外技术发展过程，认识到我国数字化设计制造技术发展中的优势和不足，明确新时代的大学生对于国家建设和行业发展的所应承担责任和义务。

通过文献综述写作训练与汇报，训练学生专业文献检索、沟通与交流的能力。考虑到学生数量较多（2—3个自然班），为了使每个学生都能够进行汇报和交流，将学生以5—6人为单位分成若干小组，首先进行小组汇报与交流，选出小组优秀文稿，再进行班级汇报与交流。通过文献综述写作与汇报，锻炼学生的科技写作与沟通能力的同时，扩大了学生的知识面，使学生从不同侧面了解相关技术的起源、发展现状、应用概况和发展趋势，同时在班级内形成互相学习的氛围。

3.2 与计算机图形学相关，需要运用数学知识进行分析和计算的内容

这部分知识分为两部分内容涉及较为复杂的数学知识在计算机图形处理中的应用，需要通过分析各种不同案例，强化基础知识，实现灵活运用。采用讲授法与案例法相结合的教学方式，讲授重点在于介绍计算机图形处理的基本原理。学生在掌握计算机图形处理理论知识的基础上，通过分析复杂图形处理案例，进一步夯实基础知识，获得处理复杂工程问题的能力。

3.3 与CAD工具使用相关的绘图、造型、数据交换和二次开发相关的内容

这部分内容应用型较强，学生不仅要掌握工具软件绘图和造型的基本原理，还要熟练掌握相关设计工具。因此，将教师讲授、学生实践与自主学习相结合，在掌握几何绘图和造型技术原理的基础上，通过教师引导和自主学习，能够熟练使用两种以上CAD工具。并且，通过对比不同设计工具提供的原理相同、形式不同的设计工具，分析不同工具相关设计功能的优势和局限性;特别关注国产软件解决方案的相关功能，认识到我國在工业软件供应方面与国外的差距，树立为中华崛起而读书的决心。

同时，针对CAD工具的使用，引导学生从辩证的观点认识CAD设计工具在产品研制过程中优势和局限，正确看待CAD设计工具、传统设计方法以及人在设计中的作用等工程伦理问题。同时，使学生认识到以电子形式存储的产品设计制造结果使剽窃行为更容易发生，CAD工具在带来极大便利的同时，也会引发道德和法律问题。

4 结语

智能制造技术的发展对高等教育人才培养和课程体系建设提出了新的要求，计算机辅助设计课程作为与智能制造技术紧密相关的课程，课程建设以成果导向教育理论为指导，组织课程内容，综合运用多种教学手段和方法，开展教学活动，通过小组讨论、文献综述与汇报、案例分析与应用等教学环节，使学生针对相关技术和工具“知其然，亦知其所以然”，使学生在获得知识的同时，具备独立分析、解决工程问题的能力及自主学习能力，能够认识到相关技术应用中涉及伦理、道德和法制问题，为成为社会主义新时代的合格建设者和可靠接班人奠定基础。

参考文献：

[1]周济，李培根，周艳红，等.走向新一代智能制造[J].Engineering，2018，4（01）：28-47.

[2]崔洪斌，方忆湘，张嘉鈺，等.计算机辅助设计技术及应用[M].北京：清华大学出版社，2004.

[3]李志义，朱泓，刘志军，等.用成果导向教育理念引导高等工程教育教学改革[J].高等工程教育研究，2014（02）：29-34+70.

[4]申天恩.论成果导向教育理念的大教学战略构想[J].吉林师范大学学报（人文社会科学版），2016，44（03）：83-88.

[5]周红坊，朱正伟，李茂国.工程教育认证的发展与创新及其对我国工程教育的启示——2016年工程教育认证国际研讨会综述[J].中国大学教学，2017（01）：88-95.

基金项目：河北省高等教育教学改革研究与实践项目（2021年度）

作者简介：靳江艳（1977— ），女，汉族，博士，讲师，研究方向：数字化设计与制造。